一種模擬土體側移的透明土模型試驗裝置及其試驗方法與流程

本發(fā)明涉及巖土工程可視化試驗技術領域，特別涉及一種模擬土體側移的透明土模型試驗裝置和試驗方法。

背景技術：

隨著國家建設的大規(guī)模開展，大量高層建筑、橋梁和港口不斷涌現(xiàn)，高速鐵路、公路路網(wǎng)的加密，城市地鐵建設的發(fā)展，沿海地區(qū)圍墾以及大面積回填，被動樁的應用日趨廣泛。對被動樁在水平側移條件下的受力和變形特性研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。

傳統(tǒng)被動樁的分析方法包括理論分析法和模型試驗法等，均是基于假定的樁土相對位移曲線以及樁側土壓力-樁土相對位移曲線，而對樁土相互作用機理揭示不足。因此，合理確定被動樁的樁土相對位移曲線、樁側土壓力-相對位移曲線、被動群樁的土拱效應和遮攔效應的形成條件是準確分析被動樁的應力和變形以及進行群樁結構優(yōu)化設計的關鍵。

現(xiàn)有技術中，模擬土體側移的模型試驗裝置可以模擬不同形狀的位移荷載，分析樁身的承載特性變化，以及土體作用在樁身表面的位移模式，但是無法對被動樁在加載過程中樁周土體位移場發(fā)展變化進行測量，并且樁土相互作用的可視化程度不高。因此，亟需開發(fā)一種可以對被動樁在加載過程中樁周土體位移發(fā)展變化進行非插入式測量的試驗裝置及使用方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供模擬土體側移的透明土模型試驗裝置和試驗方法，以解決現(xiàn)有技術中存在的問題。

為實現(xiàn)本發(fā)明目的而采用的技術方案是這樣的，一種模擬土體側移的透明土模型試驗裝置，包括可固定在光學平臺上的透明模型箱，以及t型塊和加載塊。

所述透明模型箱整體為一個矩形箱體。這個矩形箱體的一側周壁上具有矩形缺口。

所述t型塊包括翼緣部和腹板部。所述t型塊由若干塊t字型片狀板堆疊組合而成。所述t型塊嵌坐于透明模型箱的缺口側。所述翼緣部位于透明模型箱的內(nèi)腔中。所述腹板部從矩形缺口處伸出。所述t型塊與透明模型箱對合邊沿閉合。所述翼緣部與透明模型箱合圍出半包圍空間s。

所述半包圍空間s內(nèi)具有透明薄膜袋。所述透明薄膜袋緊貼半包圍空間s的側壁。所述透明薄膜袋內(nèi)設置有模擬樁周土體的透明土。

所述透明模型箱外設置有油壓千斤頂、兩臺工業(yè)相機和兩臺激光發(fā)射器。所述油壓千斤頂位于透明模型箱的缺口側。所述兩臺工業(yè)相機布置在矩形缺口對側和透明模型箱上方。所述兩臺激光發(fā)射器布置在與缺口側相鄰的兩側。

試驗時，所述透明土中埋置試驗模型樁。所述加載塊被油壓千斤頂?shù)衷诟拱宀可?。油壓千斤頂對加載塊分級施加位移。所述兩臺激光發(fā)射器發(fā)射激光，在透明土內(nèi)形成兩個透明土散斑場。所述工業(yè)相機記錄透明土散斑場的變化。

進一步，所述透明模型箱采用有機玻璃制得。

進一步，所述油壓千斤頂、工業(yè)相機和激光發(fā)射器固定在支架上。所述支架的高度和角度均可調節(jié)。所述光學平臺上設置有預留螺孔。所述支架采用螺釘固定在光學平臺上。

本發(fā)明還公開一種關于上述試驗裝置的試驗方法，包括以下步驟：

1)按設計尺寸制作透明模型箱、t字型片狀板和加載塊。

2)將t字型片狀板堆疊在透明模型箱的缺口處，形成t型塊。

3)將透明薄膜袋放置到半包圍空間s內(nèi)。

4)在透明薄膜袋內(nèi)配制透明土至設計高度。配制過程中將模型樁埋置于設計位置。配制完成后靜置24小時。

5)布置并調整油壓千斤頂、工業(yè)相機和激光發(fā)射器。

6)油壓千斤頂對加載塊分級施加位移。施加完成第i級位移后，待透明土中散斑場穩(wěn)定，使用工業(yè)相機進行拍攝。調整激光發(fā)射器的水平位置和高度，獲得在第i級位移下不同位置處的透明土切面圖像。直至每級位移均施加完成。

7)保存圖片，關閉激光發(fā)射器，整理試驗器材。

8)使用piv技術處理試驗圖像，得到樁周透明土各切面的位移矢量圖。

進一步，在步驟1)之后，還具有擦洗透明模型箱側壁的相關步驟。

本發(fā)明的技術效果是毋庸置疑的：

a)實現(xiàn)樁周圍土體變形的可視化測量，可對被動樁在加載過程中樁周土體位移場發(fā)展變化進行非插入式量測；

b)可通過多切面土體位移場測量，得到樁周土體變形的真實三維位移場；

c)可研究群樁設計變量如樁間距、長細比、布置、樁位及樁土剛度比等因素對土拱效應和遮攔效應的影響，為優(yōu)化被動樁結構設計及內(nèi)力計算等實際工程問題提供科學依據(jù)；

d)試驗裝置尺寸小，系統(tǒng)設置合理，試驗操作方便。

附圖說明

圖1為透明模型箱結構示意圖；

圖2為透明模型箱與t型塊示意圖；

圖3為試驗裝置結構示意圖；

圖4為試驗時激光平面示意圖；

圖5為t字型片狀板結構示意圖。

圖中：半包圍空間s、透明模型箱1、矩形缺口101、透明土2、t型塊3、翼緣部301、腹板部302、加載塊4、透明薄膜袋5、油壓千斤頂6、工業(yè)相機7、激光發(fā)射器8、光學平臺9。

具體實施方式

下面結合實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不應該理解為本發(fā)明上述主題范圍僅限于下述實施例。在不脫離本發(fā)明上述技術思想的情況下，根據(jù)本領域普通技術知識和慣用手段，做出各種替換和變更，均應包括在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。

實施例1：

本實施例公開一種模擬土體側移的透明土模型試驗裝置，包括可固定在光學平臺9上的透明模型箱1，以及t型塊3和加載塊4。

參見圖1，所述透明模型箱1整體為一個上端敞口且內(nèi)中空的矩形箱體。這個矩形箱體的一側周壁上具有矩形缺口101。所述透明模型箱1采用有機玻璃制得。

參見圖5與圖2，所述t型塊3的橫截面呈t字形。所述t型塊3包括相互垂直的長方體翼緣部301和長方體腹板部302。所述t型塊3由多塊t字型片狀板堆疊組合而成。所述t型塊3嵌坐于透明模型箱1的缺口側。所述翼緣部301位于透明模型箱1的內(nèi)腔中。所述腹板部302從矩形缺口101處伸出。所述t型塊3與透明模型箱1對合邊沿閉合。所述翼緣部301與透明模型箱1合圍出半包圍空間s。所述t型塊3的頂面與透明模型箱1的上沿平齊。

參見圖4，所述半包圍空間s內(nèi)具有透明薄膜袋5。所述透明薄膜袋5與半包圍空間s的尺寸相匹配。所述透明薄膜袋5緊貼半包圍空間s的側壁，不出現(xiàn)褶皺。所述透明薄膜袋5內(nèi)設置有模擬樁周土體的透明土2。

參見圖3，所述透明模型箱1外設置有油壓千斤頂6、兩臺工業(yè)相機7和兩臺激光發(fā)射器8。所述油壓千斤頂6位于透明模型箱1的缺口側。所述兩臺工業(yè)相機7布置在矩形缺口101對側和透明模型箱1上方。所述兩臺激光發(fā)射器8布置在與缺口側相鄰的兩側。所述油壓千斤頂6、工業(yè)相機7和激光發(fā)射器8固定在支架上。所述支架的高度和角度均可調節(jié)。所述光學平臺9上設置有預留螺孔。所述支架采用螺釘固定在光學平臺9上。

試驗時，所述透明土2中埋置試驗模型樁。所述加載塊4被油壓千斤頂6抵在腹板部302上。油壓千斤頂6對加載塊4分級施加位移。加載塊4將不同形狀的位移傳遞給t型塊3的t字型片狀板，t字型片狀板將位移形狀傳遞給透明土2。所述兩臺激光發(fā)射器8發(fā)射激光照射透明模型箱1形成豎向面和水平面的激光切面，在透明土2內(nèi)形成兩個正交方向的透明土散斑場。所述工業(yè)相機7拍攝方向垂直于激光平面，記錄透明土散斑場的變化。

值得說明的是，所述t型塊3由多塊t字型片狀板堆疊組合而成，可將不同位移曲線傳遞給透明土體，模擬不同形狀的位移荷載，有助于更加深入直觀的了解樁土相互作用機制。透明土變形穩(wěn)定后采用工業(yè)相機拍攝激光平面，分析得到樁周土體變形的真實三維位移場，可以實現(xiàn)樁周圍土體變形的可視化測量。

實施例2：

本實施例公開一種關于上述試驗裝置的試驗方法，包括以下步驟：

1)按設計尺寸制作透明模型箱1、t字型片狀板和加載塊4，并擦洗透明模型箱1側壁。

2)將t字型片狀板堆疊在透明模型箱1的缺口處，形成t型塊3。

3)將透明薄膜袋5放置到半包圍空間s內(nèi)。

4)在透明薄膜袋5內(nèi)配制透明土2至設計高度。配制過程中將模型樁埋置于設計位置。配制完成后靜置24小時。其中，所述透明土2的配制方法為：在透明薄膜袋5中倒入配制好的白油和正十二烷的混合液。透明薄膜袋5與半包圍空間s的側壁貼緊不出現(xiàn)褶皺。之后撒布粒徑為0.1～0.5mm的熔融石英砂固體顆粒。熔融石英砂顆粒分層撒布，每層厚度為30mm，撒布過程要緩慢，撒布一層后對透明土進行攪拌將混入其中的氣泡引出，防止氣泡影響透明土的折射率，直至透明土液面距離透明模型箱1上沿30mm。

5)根據(jù)加載塊4的尺寸和形狀布置并調整油壓千斤頂6的位置。布置激光發(fā)射器8，使兩臺激光發(fā)射器8發(fā)射激光照射透明模型箱1形成豎向面和水平面的激光切面，在透明土2內(nèi)形成兩個正交方向的透明土散斑場。布置并工業(yè)相機7，使工業(yè)相機7拍攝方向與激光平面垂直，取得最優(yōu)視角。

6)關閉實驗室照明光源，油壓千斤頂6對透明土2分級施加側向位移。在本實施例中，全部位移量分五級施加，每級施加2mm。位移施加過程緩慢進行，直到達到設計位移值。五級位移中的每一級位移施加完成之后，都要在透明土2變形穩(wěn)定后，透明土2中散斑場穩(wěn)定后，使用工業(yè)相機7進行拍照。還要在保證兩臺激光發(fā)射器位置異面垂直的前提下，調整激光發(fā)射器8的位置，以獲得在該級位移下透明土2土體內(nèi)部不同位置的散斑圖像，直至每級位移均施加完成。

7)試驗結束后，保存圖片，關閉激光發(fā)射器8，整理試驗器材。

8)使用piv技術處理試驗圖像，得到樁周透明土2土體各切面的位移矢量圖，從而獲得特定變量下如樁間距、長細比、布置、樁位及樁土剛度比等樁周土體的三維位移場。