一种模拟土体侧移的透明土模型试验装置及其试验方法与流程

本发明涉及岩土工程可视化试验技术领域，特别涉及一种模拟土体侧移的透明土模型试验装置和试验方法。

背景技术：

随着国家建设的大规模开展，大量高层建筑、桥梁和港口不断涌现，高速铁路、公路路网的加密，城市地铁建设的发展，沿海地区围垦以及大面积回填，被动桩的应用日趋广泛。对被动桩在水平侧移条件下的受力和变形特性研究具有十分重要的现实意义。

传统被动桩的分析方法包括理论分析法和模型试验法等，均是基于假定的桩土相对位移曲线以及桩侧土压力-桩土相对位移曲线，而对桩土相互作用机理揭示不足。因此，合理确定被动桩的桩土相对位移曲线、桩侧土压力-相对位移曲线、被动群桩的土拱效应和遮拦效应的形成条件是准确分析被动桩的应力和变形以及进行群桩结构优化设计的关键。

现有技术中，模拟土体侧移的模型试验装置可以模拟不同形状的位移荷载，分析桩身的承载特性变化，以及土体作用在桩身表面的位移模式，但是无法对被动桩在加载过程中桩周土体位移场发展变化进行测量，并且桩土相互作用的可视化程度不高。因此，亟需开发一种可以对被动桩在加载过程中桩周土体位移发展变化进行非插入式测量的试验装置及使用方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供模拟土体侧移的透明土模型试验装置和试验方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种模拟土体侧移的透明土模型试验装置，包括可固定在光学平台上的透明模型箱，以及t型块和加载块。

所述透明模型箱整体为一个矩形箱体。这个矩形箱体的一侧周壁上具有矩形缺口。

所述t型块包括翼缘部和腹板部。所述t型块由若干块t字型片状板堆叠组合而成。所述t型块嵌坐于透明模型箱的缺口侧。所述翼缘部位于透明模型箱的内腔中。所述腹板部从矩形缺口处伸出。所述t型块与透明模型箱对合边沿闭合。所述翼缘部与透明模型箱合围出半包围空间s。

所述半包围空间s内具有透明薄膜袋。所述透明薄膜袋紧贴半包围空间s的侧壁。所述透明薄膜袋内设置有模拟桩周土体的透明土。

所述透明模型箱外设置有油压千斤顶、两台工业相机和两台激光发射器。所述油压千斤顶位于透明模型箱的缺口侧。所述两台工业相机布置在矩形缺口对侧和透明模型箱上方。所述两台激光发射器布置在与缺口侧相邻的两侧。

试验时，所述透明土中埋置试验模型桩。所述加载块被油压千斤顶抵在腹板部上。油压千斤顶对加载块分级施加位移。所述两台激光发射器发射激光，在透明土内形成两个透明土散斑场。所述工业相机记录透明土散斑场的变化。

进一步，所述透明模型箱采用有机玻璃制得。

进一步，所述油压千斤顶、工业相机和激光发射器固定在支架上。所述支架的高度和角度均可调节。所述光学平台上设置有预留螺孔。所述支架采用螺钉固定在光学平台上。

本发明还公开一种关于上述试验装置的试验方法，包括以下步骤：

1)按设计尺寸制作透明模型箱、t字型片状板和加载块。

2)将t字型片状板堆叠在透明模型箱的缺口处，形成t型块。

3)将透明薄膜袋放置到半包围空间s内。

4)在透明薄膜袋内配制透明土至设计高度。配制过程中将模型桩埋置于设计位置。配制完成后静置24小时。

5)布置并调整油压千斤顶、工业相机和激光发射器。

6)油压千斤顶对加载块分级施加位移。施加完成第i级位移后，待透明土中散斑场稳定，使用工业相机进行拍摄。调整激光发射器的水平位置和高度，获得在第i级位移下不同位置处的透明土切面图像。直至每级位移均施加完成。

7)保存图片，关闭激光发射器，整理试验器材。

8)使用piv技术处理试验图像，得到桩周透明土各切面的位移矢量图。

进一步，在步骤1)之后，还具有擦洗透明模型箱侧壁的相关步骤。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

a)实现桩周围土体变形的可视化测量，可对被动桩在加载过程中桩周土体位移场发展变化进行非插入式量测；

b)可通过多切面土体位移场测量，得到桩周土体变形的真实三维位移场；

c)可研究群桩设计变量如桩间距、长细比、布置、桩位及桩土刚度比等因素对土拱效应和遮拦效应的影响，为优化被动桩结构设计及内力计算等实际工程问题提供科学依据；

d)试验装置尺寸小，系统设置合理，试验操作方便。

附图说明

图1为透明模型箱结构示意图；

图2为透明模型箱与t型块示意图；

图3为试验装置结构示意图；

图4为试验时激光平面示意图；

图5为t字型片状板结构示意图。

图中：半包围空间s、透明模型箱1、矩形缺口101、透明土2、t型块3、翼缘部301、腹板部302、加载块4、透明薄膜袋5、油压千斤顶6、工业相机7、激光发射器8、光学平台9。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

本实施例公开一种模拟土体侧移的透明土模型试验装置，包括可固定在光学平台9上的透明模型箱1，以及t型块3和加载块4。

参见图1，所述透明模型箱1整体为一个上端敞口且内中空的矩形箱体。这个矩形箱体的一侧周壁上具有矩形缺口101。所述透明模型箱1采用有机玻璃制得。

参见图5与图2，所述t型块3的横截面呈t字形。所述t型块3包括相互垂直的长方体翼缘部301和长方体腹板部302。所述t型块3由多块t字型片状板堆叠组合而成。所述t型块3嵌坐于透明模型箱1的缺口侧。所述翼缘部301位于透明模型箱1的内腔中。所述腹板部302从矩形缺口101处伸出。所述t型块3与透明模型箱1对合边沿闭合。所述翼缘部301与透明模型箱1合围出半包围空间s。所述t型块3的顶面与透明模型箱1的上沿平齐。

参见图4，所述半包围空间s内具有透明薄膜袋5。所述透明薄膜袋5与半包围空间s的尺寸相匹配。所述透明薄膜袋5紧贴半包围空间s的侧壁，不出现褶皱。所述透明薄膜袋5内设置有模拟桩周土体的透明土2。

参见图3，所述透明模型箱1外设置有油压千斤顶6、两台工业相机7和两台激光发射器8。所述油压千斤顶6位于透明模型箱1的缺口侧。所述两台工业相机7布置在矩形缺口101对侧和透明模型箱1上方。所述两台激光发射器8布置在与缺口侧相邻的两侧。所述油压千斤顶6、工业相机7和激光发射器8固定在支架上。所述支架的高度和角度均可调节。所述光学平台9上设置有预留螺孔。所述支架采用螺钉固定在光学平台9上。

试验时，所述透明土2中埋置试验模型桩。所述加载块4被油压千斤顶6抵在腹板部302上。油压千斤顶6对加载块4分级施加位移。加载块4将不同形状的位移传递给t型块3的t字型片状板，t字型片状板将位移形状传递给透明土2。所述两台激光发射器8发射激光照射透明模型箱1形成竖向面和水平面的激光切面，在透明土2内形成两个正交方向的透明土散斑场。所述工业相机7拍摄方向垂直于激光平面，记录透明土散斑场的变化。

值得说明的是，所述t型块3由多块t字型片状板堆叠组合而成，可将不同位移曲线传递给透明土体，模拟不同形状的位移荷载，有助于更加深入直观的了解桩土相互作用机制。透明土变形稳定后采用工业相机拍摄激光平面，分析得到桩周土体变形的真实三维位移场，可以实现桩周围土体变形的可视化测量。

实施例2：

本实施例公开一种关于上述试验装置的试验方法，包括以下步骤：

1)按设计尺寸制作透明模型箱1、t字型片状板和加载块4，并擦洗透明模型箱1侧壁。

2)将t字型片状板堆叠在透明模型箱1的缺口处，形成t型块3。

3)将透明薄膜袋5放置到半包围空间s内。

4)在透明薄膜袋5内配制透明土2至设计高度。配制过程中将模型桩埋置于设计位置。配制完成后静置24小时。其中，所述透明土2的配制方法为：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与半包围空间s的侧壁贴紧不出现褶皱。之后撒布粒径为0.1～0.5mm的熔融石英砂固体颗粒。熔融石英砂颗粒分层撒布，每层厚度为30mm，撒布过程要缓慢，撒布一层后对透明土进行搅拌将混入其中的气泡引出，防止气泡影响透明土的折射率，直至透明土液面距离透明模型箱1上沿30mm。

5)根据加载块4的尺寸和形状布置并调整油压千斤顶6的位置。布置激光发射器8，使两台激光发射器8发射激光照射透明模型箱1形成竖向面和水平面的激光切面，在透明土2内形成两个正交方向的透明土散斑场。布置并工业相机7，使工业相机7拍摄方向与激光平面垂直，取得最优视角。

6)关闭实验室照明光源，油压千斤顶6对透明土2分级施加侧向位移。在本实施例中，全部位移量分五级施加，每级施加2mm。位移施加过程缓慢进行，直到达到设计位移值。五级位移中的每一级位移施加完成之后，都要在透明土2变形稳定后，透明土2中散斑场稳定后，使用工业相机7进行拍照。还要在保证两台激光发射器位置异面垂直的前提下，调整激光发射器8的位置，以获得在该级位移下透明土2土体内部不同位置的散斑图像，直至每级位移均施加完成。

7)试验结束后，保存图片，关闭激光发射器8，整理试验器材。

8)使用piv技术处理试验图像，得到桩周透明土2土体各切面的位移矢量图，从而获得特定变量下如桩间距、长细比、布置、桩位及桩土刚度比等桩周土体的三维位移场。