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原文传递一种桩土相互作用可视化试验装置及其试验方法

专利名称：	一种桩土相互作用可视化试验装置及其试验方法
摘要：	发明提供一种桩土相互作用可视化试验装置及其试验方法。该试验箱装置包括试验箱、桩体限位器、模型桩、可视化系统、桩体加载和测量装置。所述有机玻璃箱体嵌在箱体支撑钢架内腔中，可拆卸桩体限位器位于试验箱上部以保证桩体竖直、紧贴箱内壁。开发出匹配的多种模型半桩进行染色的土颗粒层中的桩土相互作用研究。结合布置的可视化系统及现代图像处理分析技术，实现了桩土相互作用全过程的动态应力、变形、位移、土体孔隙率、土颗粒破碎等土体内部细节信息揭示。该装置实现了试验研究宏观层面上桩‑土层作用及细微观层面上桩‑土颗粒作用的结合，可模拟多种试验研究工况，装置重量轻，部件拆卸性好，结构、部件的作用力明确。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	重庆;50
申请人：	重庆大学
发明人：	彭宇;丁选明;邓玮婷;崔春义;邓鑫;李佳
专利状态：	有效
申请日期：	2019-01-28T00:00:00+0800
发布日期：	2019-06-11T00:00:00+0800
申请号：	CN201910077530.9
公开号：	CN109868849A
代理机构：	重庆缙云专利代理事务所(特殊普通合伙)
代理人：	王翔
分类号：	E02D33/00(2006.01);E;E02;E02D;E02D33
申请人地址：	400044 重庆市沙坪坝区沙正街174号
主权项：	1.一种桩土相互作用可视化试验装置，其特征在于：包括有机玻璃箱体(1)、若干桩体限位器(2)、箱体支撑钢架(6)、两个活动支座(9)、活动反力梁(10)、模型半桩和可视化系统；所述箱体支撑钢架(6)整体为一个矩形箱体；这个矩形箱体的上端面设置有顶部钢板加强箍(601)；所述有机玻璃箱体(1)为矩形箱体；所述有机玻璃箱体(1)嵌座在箱体支撑钢架(6)的内腔中；所述箱体支撑钢架(6)的高度大于有机玻璃箱体(1)的高度；所述有机玻璃箱体(1)的内腔填筑土体材料；所述土体材料包括间隔布置的若干层未染色土颗粒层和同级配的彩色土颗粒层(35)；所述箱体支撑钢架(6)的四侧壁面依次为第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁；所述第一侧壁和第三侧壁板面均设置有若干个限位器固定孔(602)；所述限位器固定孔(602)布置在壁面的上端；所述第二侧壁和第四侧壁的板面上具有镂空部分；所述钢板加强箍(601)在第一侧壁和第三侧壁对应位置处设置有支座固定孔(603)；所述桩体限位器(2)包括长条状本体和本体两端的固定端(201)；所述长条状本体上设置有若干个桩体预留位(206)；所述桩体预留位(206)为贯穿长条状本体上下表面的孔洞；所述桩体预留位(206)的位置与有机玻璃箱体(1)箱壁厚相匹配；所述固定端(201)上设置有螺栓孔；螺栓依次穿过固定端(201)上的螺栓孔和对应限位器固定孔(602)后旋入螺母，将桩体限位器(2)固定于支撑钢架(6)上；所述两个活动支座(9)对称布置在钢板加强箍(601)上方，并通过支座固定孔(603)与钢板加强箍(601)固定连接；所述活动反力梁(10)布置在两个活动支座(9)之间，并与活动支座(9)固定连接；所述活动反力梁(10)的长度方向与第二侧壁和第四侧壁的板面平行；所述活动反力梁(10)上设置有贯穿其上下表面的圆柱空心孔(1001)；所述模型半桩包括桩体和桩尖；所述桩体为半圆柱金属空心桩；所述桩体预留位(206)的尺寸与桩体横截面尺寸相匹配；所述桩体的内壁上粘贴有应变片(29)；所述桩体的侧壁上设置有供导线穿过的侧壁孔；试验时，所述模型半桩穿过桩体预留位(206)后贯入土体材料中；所述模型半桩的矩形外壁紧贴有机玻璃箱体(1)的内壁；所述模型半桩的顶部布置平直载荷板(5)或中空载荷板(50)；所述活动反力梁(10)与平直载荷板(5)之间布置有液压千斤顶(7)；所述活动反力梁(10)上方布置有穿心千斤顶(8)；所述可视化系统包括拍照灯(31)、高清PIV相机(32)和图像处理分析系统(33)；拍照灯(31)对称布置于第二侧壁或第四侧壁前方两侧；高清PIV相机(32)置于第二侧壁或第四侧壁正前方；图像处理分析系统(33)连接高清PIV相机(32)；试验时，液压千斤顶(7)或穿心千斤顶(8)分级施加荷载，使模型半桩下沉或上拔；高清PIV相机(32)连续拍摄记录随荷载施加桩周土体的变化信息；图像处理分析系统(33)对土体颗粒进行追踪分析。 2.根据权利要求1所述的一种桩土相互作用可视化试验装置，其特征在于：所述模型半桩包括受压模型桩(3)和受拉模型桩(4)；所述受压模型桩(3)的桩体的内腔中焊接有半圆形承压封闭片(301)；所述半圆形承压封闭片(301)将受压模型桩(3)桩体的内腔分隔为上部空腔和下部空腔；所述承压封闭片(301)上设置有导线孔；所述受压模型桩(3)的桩尖为活动桩尖；所述活动桩尖包括连接部(302)和桩尖本体(303)；所述连接部(302)嵌固在下部空腔中；所述承压封闭片(301)的下表面和连接部(302)的上表面之间设置有压力传感器(23)；所述桩尖本体(303)为半圆柱状或半圆锥状；所述受拉模型桩(4)的桩体上端的侧壁设置有上拔固定孔(401)；所述受拉模型桩(4)的桩尖通过焊接或栓接方式与桩体相连；所述桩尖采用膨大部(402)；试验时，受拉模型桩(4)通过中空拉拔管(39)与穿心千斤顶(8)相连；所述中空拉拔管(39)外壁上设置有拉拔管外凸平台(41)；所述中空载荷板(50)板面上设置有孔洞；所述中空荷载板套设在中空拉拔管(39)外壁上；所述中空载荷板(50)的下板面搭设在拉拔管外凸平台(41)上；所述中空拉拔管(39)的上端穿过圆柱空心孔(1001)后与穿心千斤顶(8)相连；所述中空拉拔管(39)的下端通过螺栓与受拉模型桩(4)的上端连接。 3.一种桩土相互作用可视化试验装置，其特征在于：包括有机玻璃箱体(1)、若干桩体限位器(2)、箱体支撑钢架(6)、两个活动支座(9)、活动反力梁(10)、模型半桩和可视化系统；所述箱体支撑钢架(6)整体为一个矩形箱体；这个矩形箱体的上端面设置有顶部钢板加强箍(601)；所述有机玻璃箱体(1)为矩形箱体；所述有机玻璃箱体(1)嵌座在箱体支撑钢架(6)的内腔中；所述箱体支撑钢架(6)的高度大于有机玻璃箱体(1)的高度；所述有机玻璃箱体(1)的内腔填筑土体材料；所述土体材料包括间隔布置的若干层未染色土颗粒层和同级配的彩色土颗粒层(35)；所述箱体支撑钢架(6)的四侧壁面依次为第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁；所述第一侧壁和第三侧壁板面均设置有若干个限位器固定孔(602)；所述限位器固定孔(602)布置在壁面的上端；所述第二侧壁和第四侧壁的板面上具有镂空部分；所述钢板加强箍(601)在第一侧壁和第三侧壁对应位置处设置有支座固定孔(603)；所述桩体限位器(2)包括长条状本体和本体两端的固定端(201)；所述长条状本体上设置有若干个桩体预留位(206)；所述桩体预留位(206)为贯穿长条状本体上下表面的孔洞；所述桩体预留位(206)的位置与有机玻璃箱体(1)箱壁厚相匹配；所述固定端(201)上设置有螺栓孔；螺栓依次穿过固定端(201)上的螺栓孔和对应限位器固定孔(602)后旋入螺母，将桩体限位器(2)固定于支撑钢架(6)上；所述两个活动支座(9)对称布置在钢板加强箍(601)上方，并通过支座固定孔(603)与钢板加强箍(601)固定连接；所述活动反力梁(10)布置在两个活动支座(9)之间，并与活动支座(9)固定连接；所述活动反力梁(10)的长度方向与第二侧壁和第四侧壁的板面平行；所述活动反力梁(10)上设置有贯穿其上下表面的圆柱空心孔(1001)；所述模型半桩包括桩体和桩尖；所述模型半桩的桩体包括上部半圆柱金属空心桩和下部变截面桩；所述上部半圆柱金属空心桩的横截面尺寸与桩体预留位(206)的尺寸相匹配；所述上部半圆柱金属空心桩的高度大于模型半桩的贯入下沉深度；所述上部半圆柱金属空心桩的侧壁上设置有供导线穿过的侧壁孔；所述下部变截面桩整体为半圆柱金属空心桩，这个空心管桩的平面内壁上粘贴有应变片(29)；所述下部变截面桩的曲面侧壁上设置有楔形、锯齿或台阶；试验时，所述模型半桩穿过桩体预留位(206)后贯入土体材料中；所述下部变截面桩的矩形外壁紧贴有机玻璃箱体(1)的内壁；所述模型半桩的顶部布置平直载荷板(5)或中空载荷板(50)；所述活动反力梁(10)与平直载荷板(5)之间布置有液压千斤顶(7)；所述活动反力梁(10)上方布置有穿心千斤顶(8)；所述可视化系统包括拍照灯(31)、高清PIV相机(32)和图像处理分析系统(33)；拍照灯(31)对称布置于第二侧壁或第四侧壁前方两侧；高清PIV相机(32)置于第二侧壁或第四侧壁正前方；图像处理分析系统(33)连接高清PIV相机(32)；试验时，液压千斤顶(7)或穿心千斤顶(8)分级施加荷载，使模型半桩下沉或上拔；高清PIV相机(32)连续拍摄记录随荷载施加桩周土体的变化信息；图像处理分析系统(33)对土体颗粒进行追踪分析。 4.根据权利要求1或3所述的一种桩土相互作用可视化试验装置，其特征在于：所述箱体支撑钢架(6)与有机玻璃箱体(1)的高度差为25～35cm。 5.根据权利要求1或3所述的一种桩土相互作用可视化试验装置，其特征在于：所述长条状本体由若干桩体限位块(202)和连接钢条(203)拼接而成；所述桩体限位块(202)上设置有贯穿其上下表面的桩体预留位(206)；所述桩体限位块(202)的两侧均具有长条状插芯(205)；所述连接钢条(203)的端部具有供长条状插芯(205)插接的插芯槽(204)；相邻的桩体限位块(202)和连接钢条(203)通过长条状插芯(205)和插芯槽(204)的插接配合连接在一起。 6.一种关于权利要求1或3所述试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤： 1)根据模拟工况选择相应管径的模型半桩，按要求布设压力传感器(23)和应变片(29)； 2)根据模拟工况，选择土颗粒材料和相应的工业染色剂； 3)将土颗粒材料筛分成多个粒径组，不同粒径组的土颗粒材料染为不同颜色进行标定，干燥后得到不同粒径颜色不同的染色土颗粒； 4)将染色后的土颗粒材料按粒径级配比例均匀混合，制备为混合土颗粒材料； 5)清理有机玻璃箱体(1)；结合工况，在有机玻璃箱体(1)的内腔中分层分区填筑彩色土颗粒层(35)和同级配的未染色土颗粒层至设计深度； 6)安装桩体限位器(2)于支撑钢架(6)上； 7)安装模型半桩，在桩周间隔布设彩色土颗粒层(35)和同级配的未染色土颗粒层至设计桩基埋深。 8)布设液压千斤顶(7)加载系统或穿心千斤顶(8)加载系统； 9)布设可视化系统并调试； 10)使用液压千斤顶(7)或穿心千斤顶(8)对模型半桩分级施加荷载； 11)利用图像处理分析系统(33)控制高清PIV相机(32)，拍摄任意时间点的模型半桩下沉或上拔图像，并分析获得彩色土颗粒层(35)各点的位移线，桩周砂层各点的变形速率矢量； 12)采用图像处理分析系统(33)中软件，对桩侧染色砂层(35)下部不同粒径大小的颗粒进行追踪分析，分析大颗粒与小颗粒的位移路径，分析出不同大小土颗粒的迁移差异，采集、拍照操作直至千斤顶加载使半桩位移到设计值或直至破坏； 13)分层开挖土颗粒层，开挖到染色土颗粒层后，沿桩侧设计取样点进行破碎土颗粒取样； 14)采用土壤筛将每个试样分成不同粒径组颗粒，并将各粒径组颗粒放入圆碟中铺展开，拍照、二值化处理获得二值化颗粒，依据各颜色二值化颗粒面积得到初始各粒径大小颗粒的破碎量、试样总的土颗粒破碎情况； 15)分析拍照所得任意时间的图像上，桩周不同粒径颗粒的破碎量、依据各颜色颗粒在图片中的面积百分比，采用图像处理分析系统(33)对桩土相互作用图片进行破碎颗粒的最初来源粒径、定向排列颗粒的主要粒径范围的分析； 16)直接对桩土相互作用图片进行颗粒的二值化处理，分析得到各颜色颗粒破碎数据；与土壤筛法取样所得土颗粒样的二值化处理，分析所得各颜色颗粒破碎情况对比； 17)取出模型半桩，清理出有机玻璃箱体(1)内所有土颗粒；依次开展不同桩型、桩间距、填土颗粒大小、密实度、荷载大小等工况下的试验，直至设计所有工况试验完成； 18)分析模型半桩任意时刻的位移曲线、应力分布曲线，结合本发明所得不同粒径颗粒迁移路径、颗粒定向排列，分析桩-土相互作用，为工程设计、施工提供参数。
所属类别：	发明专利