一种基于PIV技术的桩土剪切作用观察和测量的实验装置的制作方法

本发明涉及一种基于piv技术的桩土剪切作用观察和测量的实验装置,其可以观测桩打入过程和桩体受到循环竖向荷载时土体变形、剪切带形成发展过程。

背景技术

桩土相互作用是决定桩基的安装和服役性能。目前打入桩广泛应用于工业民用建筑地基、桩承式路基、港口工程、海洋工程，桩在不同土体和不同土体深度打入时的贯入阻力影响着对打入设备的需求，因而测量桩在土体中的贯入阻力对打入桩的施工尤为重要。另一方面，桩安装完成后，在受到竖向循环荷载作用时桩土界面的响应决定着桩基的长期承载性能，比如高速路基受到循环的车辆荷载的路面沉降问题，海上风机导管架基础竖向承载力循环弱化的问题等。

目前对于桩在打入过程和循环受荷时的桩土界面剪切作用已有大量的研究，研究认为揭示桩土相互作用的关键在于获得桩周土的位移场及剪切带的形成和发展；目前也有一些基于桩土单元的剪切装置，这些装置能够测量桩界面在竖向受荷时的阻力。然而这些装置并不能直观呈现桩土相互作用时土体位移和界面剪切带的形成和发展，而这些恰恰是影响桩土界面的关键因素，因此为了揭示桩土界面剪切特性的本质，有必要同时获得桩在打入和受竖向荷载时的力学参数以及此时对应的土体位移和剪切带的形成发展，并将两者结合起来，以期能够通过该实验装置揭示桩土界面剪切的本质。

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piv技术的桩土剪切作用观察和测量的实验装置,该装置可实时观测并记录打入桩在入土和受循环荷载条件下桩周土的变形及桩身的相关力学参数，可研究剪切带发展的规律以及土颗粒位移场的变化。该装置的特点是：一方面能通过设置各种传感器对打入桩入土过程中各种力学参数如桩端阻力、桩侧阻力以及孔隙水压力等数据进行实时测量，另一方面，能观测桩打入过程和桩体受到循环竖向荷载时土体变形、剪切带形成发展过程以及整个过程中桩周土颗粒位移场。

本发明采取以下技术方案：

一种基于piv技术的桩土剪切作用观察和测量的实验装置，包括机架、液压加载系统、实验箱、piv系统、桩体垂直定位系统、桩身传感系统；

实验箱包括用于盛装土样的有机玻璃箱，其一侧壁面透明；液压加载系统置于实验箱上方，用于施加初始土压力模拟土体的应力状态，以及用于控制桩体打入土样；桩体垂直定位系统用于保持桩体呈垂直状态；桩体打入土样时贴紧有机玻璃箱透明壁面，通过piv系统观测土体在桩打入过程中土颗粒的位移场变化以及剪切带的形成和发展情况，桩身传感系统用于测量桩打入过程中桩端阻力、桩侧阻力、及孔隙水压力等信息。

上述技术方案中，所述的桩体垂直定位系统包括三套定位单元，一套设于桩体后侧，另两套分设于桩体左右两侧，每套定位单元包括定位板和一根水平的螺纹杆，螺纹杆一端与定位板固定，另一端穿过机架并在机架两侧通过螺母拧紧；三块定位板围成供桩体穿入的孔，各定位板上均嵌有滚珠。通过三个方向的定位板对桩身进行夹持可使得桩体在打入过程中保持垂直打入，且通过嵌入在定位板上的滚珠可减少定位板给桩的打入带来的阻力。通过调节三个螺纹杆的有效长度，可以调整三块定位板所围成的孔的大小，以满足不同直径桩体的测试。

进一步的，所述的有机玻璃箱中土样上盖有上板，上板边沿开有通孔供桩体插入；所述的液压加载系统包括主油缸和次油缸，均设置于机架上，由伺服电机驱动，主油缸下方和桩体的桩头加载端相连，次油缸下端与上板相连。在定位块上或者在上板通孔周边都可以设置有刻度标线，以方便调节三块定位板所围成的孔大小。

进一步的，所述的piv系统包括计算机、激光发射器、同步器、ccd摄像机，通过计算机控制同步器调节激光发射器光源，ccd摄像机拍摄整个桩体打入过程中的桩周土颗粒的变化，并将拍摄信息反馈至计算机。

进一步的，所述的桩体为常规桩体沿轴线纵向对剖，桩体打入土样时剖面贴紧有机玻璃箱。

本发明的装置可以实现观测桩打入过程和桩体受到循环竖向荷载时土体变形过程、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变化，同时还可以实现对打入桩在入土过程中及桩体受循环荷载作用下一系列力学参数如桩侧阻力、桩端阻力以及孔隙水压力等数据的获取。

附图说明

图1是本发明装置的一种整体结构示意图(正面图)；

图2是本发明装置的一种整体结构示意图(左视图)；

图3是本发明装置的一种整体结构示意图(俯视图)；

图4是本发明装置的部分示意图；

图5是本发明装置的部分放大图；

图6是本发明装置的部分示意图；

图7是piv系统的一种结构示意图；

其中，1.桩头加载端、2.桩头、3.弯曲立柱、4.定位板、5.次反力梁、6.螺纹杆、7.次反力柱、8.上板、9.有机玻璃箱、10.土样、11.基座、12.伺服电机、13.桩身、14.各式传感器、15.滚珠、16.轴力传感器、17.次油缸、18.主反力柱、19.轴力传感器、20.主油缸、21.主反力梁、22.激光发射器、23.光臂、24.片光源发射器、25.光臂支架、26.ccd相机、27.底座、28.同步器、29.控制机箱。

具体实施方式

本发明的基于piv技术的桩土剪切作用观察和测量的实验装置,包括机架、实验箱、桩体竖向定位系统、液压加载系统、桩身传感系统、piv系统；

参照图1及4，机架包括次反力梁5、次反力柱7、弯曲立柱3、基座11、主反力梁21、主反力柱18；主反力柱18、次反力柱7以及弯曲立柱3焊接在基座11上，主反力梁21、次反力梁5通过螺丝分别与主反力柱18、次反力柱7连接在一起。

实验箱包括上板8、大型有机玻璃箱9，该有机玻璃箱9至少具有一个透明侧壁，，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。

如图3-4，桩体竖向定位系统包括三套定位单元，每套包括一根水平的螺纹杆6和一块定位板4，一套设置在桩体后侧，另外两套设置在桩体左右两侧，螺纹杆6穿过弯曲立柱3，在弯曲立柱两侧有螺母，用于拧紧以固定螺纹杆6的位置，螺纹杆6另一端拧紧在定位板4上、滚珠15嵌在定位板4端面，水平面上3个方向有用于定位的定位板，先将桩尖及桩身的中线对准预先刻在玻璃箱上的中线，然后用手固定住桩身位置，松开所有螺母，移动定位板4，使轴承15与桩身13相切，拧紧所有螺母，固定定位板4位置，实现桩身的竖向定位。

液压加载系统设置于剪切系统上方，用于向土体施加固结应力以模拟不同土体应力状态，此外也用于将桩体打入土体；其主要通过伺服电机12控制安装在次反力梁5下方的次油缸17，通过次油缸17施加压力，次反力梁5和次反力柱7提供反力，对上板施加荷载以及通过伺服电机12控制安装在主反力梁21下方的主油缸20，通过主油缸20施加压力，主反力梁21和主反力柱18提供反力，对桩施加荷载。

桩身传感系统可以包括安装于油缸正下方的轴力传感器16和安装于桩身的各式传感器14(根据实验需要的参数选取相应的传感器)，桩体可以由桩头加载端1、桩头2、桩身13组成，桩头加载端用于和加压装置相连接，加压装置用于将桩打入土中或对其施加循环荷载，桩身13在打入压力作用下进入土样10，用来模拟实际的打入桩入土以及桩在入土后受循环荷载的过程。。

piv系统包括同步器28、激光器22、片光源发射装置24、光臂23、ccd相机26、控制机箱29等，通过计算机控制同步器28来调节激光器22，片光源发射装置24用于使激光打在桩周土体部分，使土颗粒能反射足够强的光线，ccd相机26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，拆卸桩身竖向定位系统和伺服加载系统，打开上板在玻璃箱里面装满沙土试样，盖上上板安装好竖向定位系统和伺服加载系统，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；

①先将桩尖及桩上的中线对准玻璃箱上的中线，然后用手固定住桩身位置，松开所有螺母，移动定位板，使滚珠与桩身相切，拧紧所有螺母，固定定位板位置，实现桩身的竖向定位。

②开启piv系统，实现对桩打入过程中土颗粒位移的实时监测。

③通过伺服电机控制主油缸对桩施加打入力或者循环荷载，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。

试验后，仔细清理剪切箱，准备下一组试验。