基于土体变形和剪切带发展的单桩循环t-z模型参数测量装置的制作方法

本发明涉及一种基于土体变形和剪切带发展的单桩循环t-z模型参数测量装置,该装置可以测量单桩在循环作用下荷载和位移的关系，可获得工程中重要的t-z模型曲线；同时借助piv观察系统，可获得桩周土体变形和剪切带形成发展的规律，可在微观上解释桩土界面循环弱化的机理。

背景技术

桩在承受竖向荷载作用时，竖向抗力主要来源于桩测与土的侧摩阻力和桩端阻力，对于目前工程上常用的长桩而言，侧摩阻力发挥着重要的作用。美国api规范中提出用t-z模型来描述桩侧阻力和位移之间的关系，广泛应用于工程设计中。目前已有相关学者设计出基于直剪的单元实验进行测试标定t-z曲线的实验装置和实验方法，但是该方法存在着边界效应的影响，因而未能准确反映桩侧摩阻力实际发挥情况。

此外，对于桩受到竖向循环荷载下侧摩阻力的变化规律及内在机理有待进一步研究。一般认为受到循环荷载作用后，桩侧一定范围的土体会发生局部剪切，并逐渐形成剪切带，剪切带决定着桩的竖向承载性能，决定着t-z模型的参数取值，然而目前对于桩侧剪切带的形成和发展目前认知较少。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于土体变形和剪切带发展的单桩循环t-z模型参数的测量装置。该装置的特点是：能够实现一方面桩身侧阻力与桩体竖向位移间的关系，另一方面能够桩身受到循环荷载时桩身周围土体位移场的监测。

本发明采取以下技术方案：

一种基于土体变形和剪切带发展的单桩循环t-z模型参数测量装置，包括机架、液压加载系统、实验箱、piv系统；实验箱为有机玻璃箱用于盛装土样；液压加载系统置于实验箱上方，用于施加初始土压力以模拟土体的应力状态,并向桩提供竖向循环荷载以模拟实际使用中的桩受到的竖向循环荷载；piv系统用于观测桩周土位移场的变化。

上述技术方案中，所述的机架包括基座、主反力柱、主反力梁、次反力柱、次反力梁，主反力柱和次反力柱均竖直固定在基座上，主反力梁架设固定于主反力柱上，次反力梁架设固定于次反立柱上，液压加载系统包括主油缸、次油缸，分别固定安装于主反力梁和次反力梁下方；所述的桩体为常规桩体沿轴线纵向对剖后的半桩，桩体剖面紧贴实验箱内壁打入土样中，且桩体下端穿过实验箱底部及基座并悬空，主油缸下方和桩头加载端相连，在实验箱土样上放置有上板，次油缸下端与上板相连。主油缸用于对桩体施加竖向循环荷载，以模拟实际使用中，桩体受到的荷载作用(车辆荷载等)。次油缸用于向箱内土体施加压力，用于模拟不同固结状态的土体。

所述的piv系统包括计算机、激光发射器、同步器、ccd相机、散射光柱，通过计算机控制同步器调节激光发射器光源，光线通过散射光柱散射均匀打在土体上，ccd相机拍摄整个桩体的桩周土颗粒的变化，并将拍摄信息反馈至计算机。

所述的桩体与实验箱的所有接触面均抹有凡士林。

以往的t-z观察装置由于无法克服端阻力的影响进而对实验结果造成较大误差，本装置采用使桩端悬空消除端阻力以及在桩体与实验箱的接触面通过凡士林来尽可能减小桩与玻璃箱间的摩阻力的影响。

当主油缸施加荷载为t时，此时对应的桩端位移为z，桩土间剪切力大小为τ，则有：

其中：l：桩长(m)；

d：桩径(m)。

可根据上式求得桩土剪切力τ，剪切带的土体满足胡克定律，因此：

t＝kz

其中：k：剪切带土的刚度系数(kn/m)；

z：桩身的位移(m)。

循环荷载作用下剪切带土的刚度系数可以由此获得。

采用本发明的装置一方面可以测量桩在循环荷载作用下的桩侧位移和阻力，对t-z模型参数进行标定，求得t-z曲线，另一方面，可以观察桩侧土体变形，观察剪切带的形成发展，从土体变形的角度，探究循环荷载对剪切带土体刚度系数的影响，进一步揭示桩土作用机理。

附图说明

图1是剪切带简化模型；

图2是本发明的实验箱结构示意图(正面图)；

图3是本发明的整体结构示意图(左视图)；

图4是本发明的实验箱结构示意图(剖面图)；

图5是piv装置示意图；

图6是本发明的实验箱结构示意图(俯视图)；

图7是本发明中桩体示意图(俯视图)；

其中，1.主反力梁、2.主油缸、3.主反立柱、4.土样、5.桩体、6.滚珠、7.基座、8.上板、9.lvdt、10.lvdt固定装置、11.轴力计、12.次反力梁、13.次油缸、14.轴力计、15.次反力柱、16.ccd相机、17.相机支架、18.同步器、19.激光发射器、20.散射光柱支架、21.散射光柱。

具体实施方式

参照图2-7，本发明的基于土体变形和剪切带发展的单桩循环t-z模型参数的测量装置,包括机架、液压加载系统、实验箱、piv系统；机架包括基座7、主反力柱3、主反力梁1、次反力柱15、次反力梁12，主反力柱3和次反力柱15均竖直固定在基座7上，主反力梁1架设固定于主反力柱3上，次反力梁12架设固定于次反立柱15上，实验箱为有机玻璃箱用于盛装土样，固定于基座上，在土样上方放置上板；桩体5为常规桩体沿轴线纵向对剖后的半桩，桩体剖面紧贴实验箱内壁打入土样中，且桩体下端穿过实验箱底部及基座并悬空，桩体与实验箱底部可以设置滚珠6液压加载系统包括主油缸2、次油缸13，分别固定安装于主反力梁1和次反力梁12下方，主油缸和桩头加载端相连，用于向桩体加载竖向循环荷载，次油缸与上板相连用于向土体施加压力，用于模拟不同固结状态的土体。piv系统用于观测桩周土位移场的变化，包括计算机、激光发射器19、同步器18、ccd相机16、散射光柱21，通过计算机控制同步器18调节激光发射器19光源，光线通过散射光柱21散射均匀打在土体上，ccd相机16拍摄整个桩体的桩周土颗粒的变化，并将拍摄信息反馈至计算机。

所述的桩体与实验箱的所有接触面均抹有凡士林，此外还可以在实验箱底部与桩体的接触部位嵌入滚珠以尽可能的减小摩擦阻力对实验的影响。

另外，该观测装置还可以包括软件及数据采集系统，如计算机、数据采集仪等，数据采集仪连接各个传感器进行数据采集，计算机对数据进行分析处理并根据用户设置发布指令。

下面以沙土试样为例简述采用本发明装置的试验过程：

工作时，拆卸伺服加载系统，将桩的平整的一侧抹上凡士林，将桩放入玻璃箱内，桩中轴线和玻璃箱上面刻线对齐，桩的下端穿过实验箱底部开孔，先人为固定住桩，向玻璃箱内加入沙土，此时桩已由沙土固定，在沙土上放置上板。安装伺服加载系统，施加固结荷载，待土体变形稳定。

②开启piv系统，实现对桩受到循环荷载时桩周土颗粒位移场的实时监测。

③通过伺服电机控制主油缸对桩施加竖向循环荷载，利用lvdt可以得到桩身位移，利用油缸可以读取桩的侧向摩阻力，求得t-z曲线。

试验后，仔细清理实验箱，准备下一组试验。