本实用新型涉及一种岩土工程土与结构接触界面特性，特别是涉及一种岩土工程土与结构接触界面材料力学特性和土体颗粒运动特性，应用于土工试验仪器设备技术领域。
背景技术：
桩基是城市建设中广泛使用的基础形式之一。沉桩活动会造成桩周土体的剪切变形与受力破坏，从而使土体原有结构遭到损伤破坏而发生土体重塑，这一过程必然导致桩周土体工程物理力学性质的急剧降低。准确预测桩基承载力及评估沉桩施工对周围地层与邻近构筑物设施的不利影响有着较为重要的科学理论与工程实践价值。要实现这一目的，必须真正了解桩-土界面的特性，因为其决定应力、应变在桩周土体中发展。
一般来说，当桩体在土中发生位移时，由于桩体材料特性和土体材料特性差异较大，导致两者接触面的应力状态较为复杂，并造成接触面附近土体颗粒发生位移。而接触面土体颗粒的位移使之与其他土体颗粒产生错动，最终造成周围土体中位移场与应力场发生变化。可以说桩-土界面上的材料力学特性，对桩周土体的荷载传递、剪切破坏发展具有非常重要的影响，其界面特性描述和研究有助于从细观层面准确把握桩基承载力发展机理和沉桩活动对周围地层的影响机理，从而真正实现桩基承载力的可靠设计并降低沉桩施工对周边环境的不利影响。
目前通过室内模型试验对沉桩过程引起的桩周土体变形展开研究是分析桩-土界面特性及桩周地层破坏机理的主要方法之一。在室内模型试验中，一般采用常规DIC技术从模型外表面对桩附近的土颗粒运动进行测量。对于沉桩过程中桩土界面处的薄层土，一方面由于其层厚仅有几个土颗粒的级别，另一方面由于桩土接触面位于土体内部，这都给常规DIC技术的应用带来了困难。因此，急需开发一种简单易操作的试验装置来测量位于砂土内部桩土接触面土颗粒的运动，用以满足工程需求。
技术实现要素：
为了解决现有技术问题，本实用新型的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种桩土接触面土颗粒细观运动测量装置，测量不同沉桩速度下桩土接触面的土颗粒运动位移场数据，通过测得的数据来绘制桩体位移与土体位移的关系曲线，还能进行不同桩型、不同贯入方式、不同土壤条件下的桩土接触面土颗粒运动测量试验，适用范围广，能用来满足多种岩土工程的需要。
为达到上述实用新型创造目的，本实用新型采用下述技术方案：
一种桩土接触面土颗粒细观运动测量装置，包括模型箱系统和模型桩，模型箱系统包括模型箱体和模型桩位移动力系统，在模型箱体内腔中设置土样形成试验地层土体环境，模型桩由桩顶承力端部、桩身和桩底自由端部组成，控制模型桩位移动力系统，模型桩位移动力系统的动力输出端对桩顶承力端部施加顶推作用力，推动模型桩沿着自身的轴线方向发生位移，从而使模型桩的自由端深入到模型箱体内的土样之中，并使模型桩整体贯入模型箱体内的土样的设定土层位置处，桩身为空腔结构，形成模型桩的设备舱，在靠近桩底自由端部位置处的桩身的空腔内，将微型红外图像采集装置固定设置在桩身上，微型红外图像采集装置的摄像镜头对应的桩身位置处设置透光小孔，透光小孔采用透明刚性材料制成，形成微型红外图像采集装置的镜头前方透明观察窗口，并作为图像和视频采集窗口，微型红外图像采集装置摄像头中心和透光小孔中心对齐，微型红外图像采集装置透过透光小孔采集的桩土接触面土颗粒图像或视频，并将采集的图像或视频数据输送到外部计算机系统，进行桩土接触面土颗粒细观运动分析处理。
作为本实用新型优选的技术方案，模型桩位移动力系统由移动式反力架和电控千斤顶组成，采用电控千斤顶的活塞杆作为模型桩位移动力系统的动力输出端，电控千斤顶的固定基座固定安装在移动式反力架上，移动式反力架能通过导向机构沿模型箱体作前后和上下运动；桩顶承力端部采用顶盖结构，桩顶承力端部的上部形成有凸棱围成的凹槽结构，电控千斤顶的活塞杆能直接顶入桩顶承力端部的凹槽结构中并顶住凹槽底部，向模型桩施加顶推驱动力。
作为上述方案进一步优选的技术方案，模型桩为长方体空心结构，桩身长为45-70mm，宽为45-70mm，高为500-800mm，透光小孔为在桩身开有一阶梯状圆形凹槽小孔，阶梯状圆形凹槽小孔的内径分别为16-20mm和15-19mm，阶梯凹槽小孔的长度分别为2-3mm和1-2mm，具有较大直径尺寸的凹槽朝向模型桩外部设置，在具有较大直径尺寸的凹槽内嵌入玻璃片，使玻璃片的外表面与桩身外表面平齐，并使玻璃片与凹槽小孔采用无缝组装的紧密嵌入连接方式进行安装；在模型箱系统中，模型箱体的长度为1-1.5m，宽度为1-1.5m，高度为1-1.5m，移动式反力架的长度为1-1.5m，宽度为30-50cm，高度为1-1.5m；桩顶承力端部的顶盖结构直径为60-90mm，顶盖结构厚度为5-8mm，顶盖结构的圆形凹槽外直径为60-80mm，其内直径50-70mm，顶盖结构的圆形凹槽的深度为30-40mm。
作为上述方案进一步优选的技术方案，在桩身的外部固定连接桩身盖。
上述桩身盖和桩身优选通过一系列螺栓连接件进行紧固连接。
上述桩身盖长度优选为500-800mm，宽度优选为45-70mm，厚度优选为3-5mm。
作为上述方案进一步优选的技术方案，微型红外图像采集装置通过信号线将采集的图像或视频数据输送到外部计算机系统，在靠近桩顶承力端部的桩身位置处设有布线孔，信号线从布线孔中穿过。
作为上述方案进一步优选的技术方案，微型红外图像采集装置还能通过无线信号装置将采集的图像或视频数据输送到外部计算机系统。
作为上述方案进一步优选的技术方案，微型红外图像采集装置通过固定装置安装于桩身上，在固定装置和微型红外图像采集装置之间垫有减震材料，形成减震层，在桩身上，微型红外图像采集装置的安装位置距离桩底自由端部不大于30mm；模型箱体的内表面上设有隔震减震材料层，使土样直接与隔震减震材料层接触。
作为上述方案进一步优选的技术方案，通过具有内嵌式螺栓孔的机械连接结构将桩顶承力端部和桩身固定连接在一起，桩身、桩底自由端部、桩身盖之间通过螺栓连接件进行紧固连接，形成一体形式的模型桩。
本实用新型与现有技术相比较，具有如下实质性特点和优点：
1.本实用新型桩土接触面土颗粒细观运动测量装置将桩体内部红外微型摄像头与安装有视频采集软件的计算机相连，试验过程中可以在黑暗的环境下记录桩土界面土颗粒运动视频，进而通过DIC软件包计算桩土界面土颗粒薄层的位移场，分析不同沉桩深度处桩土界面土颗粒运动情况；
2.本实用新型的模型箱系统安装有可提供多档位恒定工作速度的液压电控千斤顶，通过该千斤顶对模型桩施加不同贯入速度，能测得不同沉桩速度下的桩土界面土颗粒运动位移场；
3.本实用新型装置还能进行不同桩型、不同贯入方式、不同土壤条件下的桩土接触面土颗粒运动测量试验，适用范围广，本实用新型试验仪器装置构造简单，操作方便，实用性高，有很好的应用前景。
附图说明
图1是本实用新型实施例一的模型桩剖面图。
图2是本实用新型实施例一的模型桩前视图。
图3是本实用新型实施例一的模型桩后视图。
图4是本实用新型实施例一的模型桩及桩身盖的结构示意图。
图5是本实用新型实施例一的桩顶承力端部的结构示意图。
图6是本实用新型实施例一的桩底自由端部的结构示意图。
图7是本实用新型实施例一的透光小孔的结构示意图。
图8是本实用新型实施例一桩土接触面土颗粒细观运动测量装置的结构示意图。
具体实施方式
本实用新型的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1～8，一种桩土接触面土颗粒细观运动测量装置，包括模型箱系统和模型桩12，模型箱系统包括模型箱体16和模型桩位移动力系统，在模型箱体16内腔中设置土样形成试验地层土体环境，模型桩12由桩顶承力端部2、桩身11和桩底自由端部10组成，控制模型桩位移动力系统，模型桩位移动力系统的动力输出端对桩顶承力端部2施加顶推作用力，推动模型桩12沿着自身的轴线方向发生位移，从而使模型桩12的自由端深入到模型箱体16内的土样之中，并使模型桩12整体贯入模型箱体16内的土样的设定土层位置处，桩身11为铝制空腔结构，形成模型桩12的设备舱，在靠近桩底自由端部10位置处的桩身11的空腔内，将微型红外图像采集装置6固定设置在桩身11上，微型红外图像采集装置6的摄像头的分辨率为640×480像素，摄像头为摄像频率每秒30帧的平角摄像头，微型红外图像采集装置6的摄像镜头对应的桩身11位置处设置透光小孔5，透光小孔5采用透明刚性材料制成，形成微型红外图像采集装置6的镜头前方透明观察窗口，并作为图像和视频采集窗口，微型红外图像采集装置6摄像头中心和透光小孔5中心对齐，微型红外图像采集装置6透过透光小孔5采集的桩土接触面土颗粒图像或视频，并将采集的图像或视频数据输送到外部计算机系统，进行桩土接触面土颗粒细观运动分析处理。
在本实施例中，参见图1～3、图5和图8，模型桩位移动力系统由移动式反力架17和电控千斤顶13组成，采用电控千斤顶13的活塞杆作为模型桩位移动力系统的动力输出端，电控千斤顶13的固定基座固定安装在移动式反力架17上，移动式反力架17能通过导向机构沿模型箱体16作前后和上下运动；桩顶承力端部2采用圆形凹槽型铝制顶盖结构，桩顶承力端部2的上部形成有凸棱3围成的凹槽结构，在顶盖上部开设有4个内嵌式螺栓孔1，用以连接顶盖和桩身11，电控千斤顶13的活塞杆能直接顶入桩顶承力端部2的凹槽结构中并顶住凹槽底部，向模型桩12施加顶推驱动力。本实施例模型桩12能在不同贯入速度下桩土接触面中，对桩-土界面的土颗粒细观运动进行测量，移动式反力架17由钢板制成，移动式反力架17与模型箱16安装固定，移动式反力架17预留有电控千斤顶13安装螺栓孔，整个移动式反力架17可沿模型箱16作横向和竖向移动，电控千斤顶13也开设有安装螺栓孔，用以连接移动式反力架17和电控千斤顶13。电控千斤顶13的活塞杆自由端嵌于模型桩12顶端。模型桩12垂直放置于电控千斤顶13的下部。
在本实施例中，参见图1～3、图5～8，模型桩12为长方体空心结构，桩身11长为50mm，宽为50mm，高为560mm，桩壁厚为3mm，桩底自由端部10为铝制正方形结构底盖，尺寸为50mm×50mm，厚度为3mm，上部开设有4个螺栓孔，螺栓孔直径为1.5mm，用以和桩身11的底端相连，透光小孔5为在桩身开有一阶梯状圆形凹槽小孔，阶梯状圆形凹槽小孔的内径分别为16mm和15mm，阶梯凹槽小孔的长度分别为2mm和1mm，具有较大直径尺寸的凹槽朝向模型桩12外部设置，在具有较大直径尺寸的凹槽内嵌入圆形石英玻璃片，圆形石英玻璃片的直径为16mm，且厚度为2mm，使玻璃片的外表面与桩身11外表面平齐，采用高强环氧树脂AB胶将石英玻璃片粘于凹槽小孔内，使玻璃片与凹槽小孔采用无缝组装的紧密嵌入连接方式进行安装；在模型箱系统中，模型箱体16的长度为1m，宽度为1m，高度为1m，主要采用钢板焊接制成，其中一面为透明钢化玻璃，钢化玻璃尺寸为1m×1m，厚10mm，移动式反力架17采用钢板螺栓连接制成，移动式反力架17的长度为1m，宽度为30cm，高度为1m；桩顶承力端部2为圆形铝制顶盖结构，顶盖结构的直径为75mm，顶盖结构厚度为60mm，顶盖结构的圆形凹槽外直径为60mm，其内直径50mm，顶盖结构的圆形凹槽的深度为40mm。
在本实施例中，参见图4，在桩身11的外部固定连接桩身盖15，桩身一侧以80mm间距设有螺栓孔6个，共计12个，螺栓孔9直径为1.5mm，采用螺栓连接件9来连接桩身11和桩身盖15，桩身底端同样设有螺栓孔，也采用螺栓连接件9来连接桩身11和桩底自由端部10，桩身盖15长度为560mm，宽度为50mm，厚度为5mm。微型红外图像采集装置6通过信号线将采集的图像或视频数据输送到外部计算机系统，在靠近桩顶承力端部2的桩身11位置处和桩身盖15位置处设有布线孔4，数据采集线从布线孔4中穿过。使桩身11内部数据采集线与安装有视频采集软件的计算机相连。
在本实施例中，参见图1～4、图7和图8，微型红外图像采集装置6通过固定装置7安装于桩身11上，在固定装置7和微型红外图像采集装置6之间垫有减震材料，形成减震层8，在桩身11上，微型红外图像采集装置6的安装位置距离桩底自由端部1030mm，并在桩身11的正视面距离桩底自由端部1030mm处开设有圆形凹槽透光小孔5，用以放置圆形石英玻璃片；模型箱体16的内表面上设有隔震减震材料层14，隔震减震材料层为厚为2cm的泡沫板，隔震减震材料层14紧贴于模型箱16内部，使土样直接与隔震减震材料层14接触。
在本实施例中，参见图1～6，通过具有内嵌式螺栓孔1的机械连接结构将桩顶承力端部2和桩身11固定连接在一起，内嵌式螺栓孔1的直径为2mm，桩身11、桩底自由端部10、桩身盖15之间通过螺栓连接件9进行紧固连接，形成一体形式的模型桩12，螺栓连接件9的螺栓孔直径为1.5mm。螺栓连接结构简单，便于拆卸和维护。
参见图1～8，使用本实施例桩土接触面土颗粒细观运动测量装置对岩土工程土与结构接触界面中土颗粒细观运动情况进行测量时，包括如下步骤：
第一步：在模型箱体16内部分层制备土样至指定高度，通过电控千斤顶13将静力触探仪缓慢压入土样内部，采集土样数据，处理数据，分析土样性质，保证模型试验的重复性；
第二步：将移动式反力架17移动至指定位置，调节移动式反力架17的高度，将模型桩12垂直放置于电控千斤顶13的下部，连接模型桩12的线路与安装有视频采集装置的外部计算机；
第三步：打开计算机视频采集软件，开始记录，设置电控千斤顶13的工作速度，启动电控千斤顶13。
第四步：将模型桩12贯入到土样内部的指定位置时，关闭电控千斤顶13，保存采集视频，取出模型桩12。
第五步：使用PIVview2C对所采集的视频进行处理，求出沿在模型箱体16内的土样内部不同深度处的桩土接触面的土颗粒位移场。
参见图1～8，本实施例的模型桩12内部垂直于透光小孔5中的玻璃片设置有红外微型摄像头，摄像头分辨率为640×480像素，摄像频率为每秒30帧，根据拍摄窗口大小换算，所拍摄的照片分辨率可达0.02mm/像素以内，使用减震材料将此摄像头固定于模型桩12内部，使红外微型摄像头工作稳定，能够采集高质量的图像和视频。
本实施例采用DIC图像方法，利用摄像头获得变形前后的连续图片，进行图像处理，得到颗粒二维位移，主要包括：图像获取、图像分割、图像相关、位移差值和位移输出。图像相关过程是将分割的图像按照图像灰度进行匹配分析。标准相关方程是将图像分割成大小相同的像块进行匹配，当像块位移增大时，像块匹配困难，图像位移误差增加，通过减小像块的尺寸可以提高位移的精度，但这将增加计算工作量。为了节约计算时间，首先将图像分割成较大的像块，然后进行多次划分后得到较高的位移精度。本实施例进行相关运算时，首先将分割图像进行数值化表示，然后采用傅里叶变换将图像灰度分布函数变换为傅里叶形式，进而采用标准相关函数进行多次重复运算，当相关系数达到最大值时，这时的位移值就是图像分割块的位移值。
本实施例在进行图像相关计算时采用PIVview2C软件，常规DIC图像方法只需要将前后两者图像进行互相关计算即可以得到位移，但本实施例在计算桩土界面土体位移时与DIC图像方法不同。当桩体在贯入时，摄像头也跟随桩体一起运动，当采用互相关算法时，所选取前后两帧图像对于同一片区域相差了一个位移，相差的位移为两帧图像时间间隔所对应的桩体位移。因此在对两帧图像进行计算时，需要对两帧图像进行处理，得到前后两帧图像中的同一片区域，再进行互相关计算，从而得到该片区域中土体的位移场。
参见图1～8，模型桩12为空心结构，桩底、桩背及桩顶通过螺栓连接均可拆卸，模型箱系统包括模型箱体16、移动式反力架17、电控千斤顶13、隔震减震材料层14。模型箱体16主要采用钢板制成，其中一面为透明钢化玻璃。移动式反力架17也由钢板制成，整个移动式反力架17能沿模型箱体16作横向和竖向移动。电控千斤顶13采用液压电控千斤顶，最大工作吨位10t，行程120mm，该电控千斤顶13能提供多档位恒定工作速度，最大工作速度1.5mm每秒。本实施例装置能用来测定不同沉桩速度与深度情况下桩土接触面土颗粒细观运动情况，利用微型红外摄像头，能拍摄桩土界面土颗粒运动视频；图像相关技术通过PIVview2C软件实现，在对变形前后两帧图像进行互相关计算时，需要对两帧图像进行处理，得到前后两帧图像中的同一片区域，再进行互相关计算，从而得到该片区域中土体的位移场；本实施例装置能测量不同贯入速度下桩土界面土颗粒运动位移场。此外，本实施例装置还能做不同桩型、不同贯入方式、不同土壤条件下的桩土接触面土颗粒运动测量试验，适用范围广。本实施例装置构造简单，操作方便，实用性高，有很好的应用前景。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，微型红外图像采集装置6通过无线信号装置将采集的图像或视频数据输送到外部计算机系统，采用无线信号传输方式，结构更加简单，工作可靠稳定。
上面结合附图对本实用新型实施例进行了说明，但本实用新型不限于上述实施例，还可以根据本实用新型的实用新型创造的目的做出多种变化，凡依据本实用新型技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本实用新型的实用新型目的，只要不背离本实用新型桩土接触面土颗粒细观运动测量装置的技术原理和实用新型构思，都属于本实用新型的保护范围。