异形桩桩-土接触面破坏形式可视化试验装置及使用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种异形粧粧-土接触面破坏形式可视化试验装置及使用方法，属于模型试验技术领域。
【背景技术】
[0002]建筑物构件与土体之间的相互作用问题，一直是岩土工程研究的重要课题。运用数值模拟方法分析建筑物构件与土体相互作用时，接触问题的设置对计算结果的准确性和可靠性影响巨大。目前国内外接触面剪切破坏及剪切带的研究大多数针对的是平面剪切的情况，然而，实际的岩土工程领域中例如粧基与土体之间，接触问题是三维的环状接触问题，平面接触不能完全如实反映接触形式。环状接触面的位移变形不易测量导致环状接触研究相对较少，尤其是异形粧粧-土接触面，研究甚少、进展缓慢。针对考虑温度效应的异形粧全尺寸粧-土接触面剪切的研究则相对更少。
[0003]中国发明专利“土与结构相互作用的接触面剪切试验可视化装置”(专利号:ZL201010182628.X)公开了一种土与结构相互作用的接触面剪切试验可视化装置;该装置利用透视窗和摄像装置对土与结构作用的二维接触面进行了可视化观测;但是该专利的技术方案，不能解决三维接触面的可视化问题。中国发明专利“基于试验环境和接触面可变的岩土模型试验槽及试验方法”(专利号:ZL200810046863.7)公开了一种基于试验环境和接触面可变的岩土模型试验装置;该装置可以考虑边坡在降雨和浸水条件下以及在不同岩土接触面条件下的变形测量;但是既不能解决粧-土三维接触面测量问题，也不能解决接触面的可视化观测问题。中国发明专利“土体-结构接触面力学特性的试验方法及试验装置”(专利号:ZL201310045084.6)公开了一种土体-结构接触面力学特性的试验装置;该技术装置可以对土体与结构的三维环状接触面力学特性进行测量;但是该技术方案，并不能可视化观测接触面的位移特性，并且无法对异形粧与土体之间的接触面进行量测，也无法考虑温度对接触面力学特性的影响。
[0004]传统的变形测量方法测量结果往往不够准确，同时不能给出土体内部连续变形的整个位移场。现代数字图像技术也只局限于测量土体的宏观或边界变形，不能实现实际土体内部变形的可视化。利用X-射线、计算机层析扫描(CAT扫描)等方法虽然可以用来测量土体内部的连续变形，但是昂贵的费用，限制了这些技术的广泛应用。基于透明土材料的试验技术，以其适中的试验成本以及可以较为精确地连续观测土体内部变形的优点正得到逐步推广应用。然而，目前基于透明土材料开展的可视化模型试验研究，往往是针对整体的位移场、渗流场或者温度场，而尚未有针对构建物与土体接触面的相关应用研究。因此，基于透明土试验技术，可视化研究实际全尺寸粧-土接触面剪切时的土体内部位移，对三维接触面剪切破坏形式研究显得尤为重要。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种异形粧粧-土接触面破坏形式可视化试验装置及使用方法，实现可视化观测不同温度、不同粧型、不同加载方式下，全比例尺异形粧粧-土接触面剪切破坏特性。
[0006]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是:
异形粧粧-土接触面破坏形式可视化试验装置，其特征在于，包括承台、模型粧、模型槽、水浴槽、温控系统、激光源以及数码摄像装置；
所述模型粧为全比例尺的异形粧，设置在所述模型槽内，模型粧的周围布置有透明土，所述模型槽设置在水浴槽内，所述模型槽和水浴槽均为透明装置，且两者均设置在承台上，所述模型槽的底部对应模型粧的位置开设有转轴孔，所述转轴孔内设有转轴，所述转轴带动模型粧产生竖向位移或绕竖向中心轴的扭转位移；
所述温控系统与水浴槽配合作用，调节粧-土接触面温度；
所述激光源包括第一激光源、第二激光源、第三激光源和第四激光源，所述第一激光源和第二激光源设置在模型槽的上方，第三激光源和第四激光源对称设置在模型槽的侧面，且位于模型粧对称轴的两侧；
所述数码摄像装置包括第一数相机和第二数码相机，所述第一数相机设置在模型槽的上方，且位于第一激光源和第二激光源的中间，所述承台上还设有环形滑轨，所述环形滑轨绕水浴槽设置，所述第二数码相机与环形滑轨活动连接，可沿环形滑轨移动，滑轨上设置有卡槽和刻度，用于固定第二数码相机。
[0007]前述的异形粧粧-土接触面破坏形式可视化试验装置，其特征在于，所述转轴底部设有加载系统，所述加载系统用于控制转轴的竖向位移或扭转位移;所述转轴为空心圆柱形钢管，其上部内嵌于模型粧的底部、下部与加载系统连接，转轴孔与转轴之间设有环形密封垫，所述环形密封垫为橡胶材料制成。
[0008]前述的异形粧粧-土接触面破坏形式可视化试验装置，其特征在于，所述温控系统包括温度传感器、水浴箱、水栗、控温液体;所述水浴槽设置有液体入口和液体出口，两者均通过导管与水浴箱连接，所述液体入口和液体出口处均设有阀门和温度传感器，液体出口与水浴箱之间的导管的中部还设置有水栗，使水浴箱内的控温液体在水浴槽与水浴箱之间循环流动，所述水浴槽的温度控制范围为5-80 0C。
[0009]前述的异形粧粧-土接触面破坏形式可视化试验装置，其特征在于，所述水浴槽由透明有机玻璃或透明钢化玻璃制成，所述控温液体为纯净水或透明油，所述导管由聚乙烯材料制成。
[0010]前述的异形粧粧-土接触面破坏形式可视化试验装置，其特征在于，所述模型槽采用透明有机玻璃或透明钢化玻璃制成，模型槽的形状为空心圆柱体或长方体，所述空心圆柱体直径为500?800mm、高度为300?350mm、周围壁厚为10?20mm、底面壁厚为20?40mm;所述长方体边长为500?800mm、高度为300?350mm、周围壁厚为10?20mm、底面壁厚为20?40mm。
[0011]前述的异形粧粧-土接触面破坏形式可视化试验装置，其特征在于，所述透明土由透明固体颗粒与孔隙液体制配而成，透明固体颗粒为粒径为0.25mm?2.0mm的全氟环状聚合物颗粒或粒径为0.1mm?1.0mm的恪融石英砂或粒径为0.01mm~0.075mm的无定形二氧化娃粉末，孔隙液体为糖溶液或氯化钠溶液或酒精溶液或溴化钙溶液。
[0012]前述的异形粧粧-土接触面破坏形式可视化试验装置，其特征在于，所述模型粧由混凝土或聚碳酸酯或有机玻璃材料制成，横截面形状为X形或Y形或H形或者圆形，等效直径为400?600mm，底部中心内嵌转轴。
[0013]基于前述的异形粧粧-土接触面破坏形式可视化试验装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤:
A，根据试验设计要求，制作模型槽、全比例尺的模型粧和透明土；
B，将模型槽置于承台上，将转轴穿过模型槽与加载系统相连，并将模型粧置于模型槽内，模型粧底面与模型槽底部接触，在水浴槽周围布置环形滑轨，在模型槽上方和侧面安装激光源和数码摄像装置，数码摄像装置通过数据线与处理装置连接;打开激光源，检查其在透明土体内部形成的颗粒切面明亮度，调整激光角度，分别使激光垂直和水平入射，打开对应的数码摄像装置，调整其镜头，使其能拍摄整个试验画面；
C，按照试验设计要求，将转轴底部与加载系统相接;打开温控系统，使控温液体循环，调节粧-土接触面温度至稳定状态；
D，根据设计的位移速率，施加竖向或者扭转位移，在指定位移处，暂停加载；
模型槽侧面的第三激光源和第四激光源的激光入射形成切面，由模型槽上方的第一数码相机记录土体位移规律；
模型槽上方的第一激光源和第二激光源的激光入射形成切面，由模型槽侧面的第二数码相机围绕滑轨一周，在固定的卡槽位置记录加载过程中接触面和透明土内部的位移规律；
E，重复步骤^0，通过试验装置分析不同加载方式、不同温度、不同粧型的全比例尺模型粧粧-土接触面滑动带大小和粧周土位移发展情况，完成考虑温度效应的全比例尺异形粧粧-土接触面剪切破坏形式可视化试验，重复制备透明土的过程中保持透明土的高度和密实度不变，以保证全比例尺模型粧周围的围压不变。
[0014]前述的异形粧粧-土接触面破坏形式可视化试验装置的使用方法，其特征在于，所述步骤A中模型槽采用透明有机玻璃或透明钢化玻璃制成，模型槽的形状为空心圆柱体或长方体，所述空心圆