一种基于土体剪切带发展的p-y曲线测量装置的制作方法

本发明涉及一种基于土体剪切带发展的p-y曲线测量装置,可用于测量桩在使用过程中受到水平循环荷载时桩周土剪切带的形成与发展，以及桩的p-y曲线的测量，为进一步揭示桩土间荷载传递机理提出解释。

背景技术

近些年来海上风电作为一种清洁能源得到了大力开发，目前风电基础最常用的基础形式为大直径单桩基础。与路上基础不同的是，风电单桩基础主要承受风荷载以及波浪荷载等水平荷载，目前工程对于水平荷载计算常用的方法为p-y曲线法，使用该方法进行准确计算时需要对参数进行标定。

目前已有大量的研究聚焦了p-y曲线的研究，也设计出了很多模型实验进行研究，但对于桩受到水平循环荷载以后剪切带的发展以及其发展对于基础的水平承载力发挥的影响是需要进一步探究的。因此需要一套能够一方面观测桩土受水平荷载后桩周剪切带的发展另一方面测量桩受水平荷载的p-y曲线的实验装置，为工程设计提供必要设计参数，同时也可视化的观察揭示桩基水平承载力的循环弱化机理。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于土体剪切带发展的p-y曲线测量装置，该装置可以测量桩体p-y曲线以及对桩体水平受荷时桩周土的剪切带发展进行观测，目的在于进一步揭示桩土传力机制。该装置的特点是：能够一方面测量桩在受到水平循环荷载时的p-y曲线，另一方面，能利用piv系统对桩受到水平荷载时桩周土体剪切带的发展进行实时观测，为进一步解释桩土传荷机制提供证据。

本发明采取以下技术方案：

一种基于土体剪切带发展的p-y曲线测量装置，包括括机架、液压加载系统、实验箱、piv系统、传感系统；实验箱为有机玻璃箱用于盛装土样；液压加载系统用于向土样施加初始土压力以模拟土体的固结状态，以及用于向桩身施加循环水平荷载以模拟风荷载或波浪荷载；piv系统用于观测桩身在受到水平循环荷载时桩周土剪切带的形成及发展情况，传感系统用于测量桩受到循环荷载时桩身各处的应变。

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，主油缸通过反力架固定安装于主反力梁上，与桩头连接，用于对桩头施加水平应力，次油缸固定安装于次反力梁下方；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，且桩体下端停留在土样中，在实验箱土样上放置有上板，次油缸下端与上板相连；在桩身均匀对称安置有一系列的应变片。

所述的应变片的竖向间隔为d，d为桩身直径。用于采集对土样的预压荷载和对桩体受到水平荷载时桩身的应变。

所述的piv系统包括计算机、激光发射器、同步器、ccd相机、片光源转化装置，通过计算机控制同步器调节激光发射器光源，光线通过片光源转化装置打在土体上，ccd相机拍摄整个桩体的桩周土颗粒位移场变化，并将拍摄信息反馈至计算机。

所述的桩体与实验箱的紧贴面间抹有凡士林。

本发明所基于的原理是：沿桩身均匀安置一系列的的对称应变片(间距为d)，通过控制主油缸加载于桩端的应力来进行水平荷载施加(可以在桩端距土表面d高与2d高处分别安装一只位移计，在主油缸与桩端间设置一只轴力传感器，来判断所施加的荷载大小是否合适)，在求取p-y曲线中选用实测桩身应变，由桩身应变值再换算成桩身弯矩值，通过对弯矩值两次数值微分求得沿桩身的土反力p，进而求得沿桩身的位移y；在z深度处曲率系数为：

εt：拉应变值；

εd：压应变值；

d：桩直径。

由材料力学相关知识：

mz＝eiφz

mz：z深度处桩身弯矩；e为桩身材料弹性模量，i为惯性矩；

桩侧的水平抗力p即可由m对z求两次导求得：

用mz＝a+bz+cz²+dz³+ez⁴+fz⁵拟合mz—z曲线，

桩身位移y即可由m对z两次积分求得

yz＝∫∫mzdz²

即可实际测出p-y曲线。

本发明的装置可以实现对桩体受到水平循环荷载时土体变形、剪切带形成发展过程以及整个过程中桩周土颗粒位移场的监测，还可以获取桩体受到水平循环荷载时的p-y曲线。

附图说明

图1是本发明剪切带简化模型；

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(侧视图)；

图4是本发明的实验箱结构示意图(俯视图)；

图5是piv系统示意图；

图6是本发明的实验箱结构示意图(剖面图)；

图7是本发明实验桩体示意图(俯视图)；

其中，1.主反力梁、2.主反力柱、3.lvdt固定梁、4.lvdt、5.上板、6.应变片、7.桩体、8.基座、9.控制机箱、10.土样、11.主油缸、12.反力架、13.轴力传感器、14.次反力梁、15.次油缸、16.次反力柱、17.轴力传感器、18.激光发射器、19.激光器支架、20.同步器、21.ccd相机支架、22.ccd相机、23.片光源转化装置。

具体实施方式

参照图2-7，本发明的一种基于土体剪切带发展的p-y曲线测量装置,包括机架、液压加载系统、实验箱、piv系统、传感系统；

机架包括基座8、主反力柱2、主反力梁1、次反力柱16、次反力梁14，主反力柱2和次反力柱16均竖直固定在基座8上，主反力梁1架设固定于主反力柱2上，次反力梁14架设固定于次反立柱16上，液压加载系统包括主油缸11、次油缸15，主油缸通过反力架12固定安装于主反力梁1上，与桩头连接，用于对桩头施加水平应力，次油缸固定安装于次反力梁14下方；所述的桩体7为常规桩体沿轴线纵向对剖后的半桩，实验箱由有机玻璃构成，桩体剖面紧贴实验箱内壁打入土样中，且桩体下端停留在土样中，便于由piv系统对桩打入过程中及受循环荷载时土颗粒的位移变化做到实时监测。在实验箱土样10上放置有上板5，次油缸下端与上板相连；在桩身均匀对称安置有一系列的应变片。

液压加载系统设置于实验箱上方，其主要通过控制机箱9控制安装在反力架12右方的主油缸11，通过主油缸11施加压力，反力架12将力传至主反力梁1再传到主反力柱2，对桩施加水平向反复循环荷载以及通过控制机箱9控制安装在次反力梁14下方的次油缸15，通过次油缸15向上板从而向土体施加压力，次反力梁14和次反力柱16提供反力，对土体施加固结压力，模拟不同固结状态的土体。

传感系统包括安装于主油缸与桩端之间的的轴力传感器13，安装于次油缸下方的轴力传感器17，安装于桩身的应变片6和安装于桩头右侧的lvdt4。

piv系统包括同步器20、激光发射器18、片光源转换装置23、激光器支架19、ccd相机22、ccd相机支架21等，通过计算机控制同步器20来调节激光发射器18，片光源转换装置23用于使激光均匀打在桩周土体部分，使土颗粒能反射足够强的光线，ccd相机22用于接受土颗粒反射的光线，对土颗粒位移场变化做到实时监测，并将得到的影像结果反馈到计算机。

此外，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，将桩体中轴线对准玻璃箱中轴刻线，人为固定桩，打开上板在玻璃箱里面装满沙土试样，此时桩已由沙土固定，保持桩体下端位于土体中，盖上上板安装好伺服加载系统，控制液压加载系统对上板施加预荷载，使土体变形直至逐渐稳定，模拟土体固结状态；

开启piv系统，实现对桩受循环荷载中土颗粒位移的实时监测。

通过伺服电机控制主油缸对桩水平循环荷载，对桩在打入过程中和打入后受循环荷载时的各传感器的参数进行采集以及对piv系统得到的实时土颗粒位移场变化进行监测，并获得p-y曲线。

试验后，仔细清理剪切箱，准备下一组试验。