本发明涉及一种受荷载桩基引起的土体运动分布测量试验装置及方法，属于试验测量技术领域。
背景技术：
在兴建大型土木工程时，由于地基土满足不了承载力及沉降量的设计要求，需要利用桩基。因为桩基贯入土中势必会排开一定的土体，所以必然会扰动附近的土体，改变土体结构并对桩区周围建筑物产生影响；在采用打桩方式施工时，重力贯入导致的冲击还会引起周围土体受迫振动；在桩基正常工作时会受到不同方向、幅值和频率的荷载从而导致桩周土体应力场发生变化，进而致使土颗粒发生运动，改变地基土的承载性能。这些都是急需解决的桩基问题，针对最后一种情况，通过悉知受荷载的桩基对土颗粒运动的影响从而推求桩基所受荷载与地基承载力之间的关系，积极引导和处理好桩基与土体间的关系，可最大程度的降低损失。
目前已有不少学者在研究这方面的问题，但大多为针对某种特殊情况或针对土层而非土颗粒研究，还没有成熟的研究技术能够系统地研究受载桩对土颗粒运动的影响，尚未产生研究范围较为全面、研究结果较为精确、普适性强的试验装置及方法。
贯入土体中的桩基受到不同大小、频率、方向的荷载时会产生位移或振动从而引起桩基与土体之间发生能量转移。这一现象会使得桩周土体颗粒产生位移、土体结构发生变化甚至破坏，这会导致地基对桩基的承载力性能以及桩基的稳定性产生不利影响。因此考虑受荷载桩基土体颗粒运动分布从而分析土体的支撑性能的研究尤为重要。
技术实现要素：
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种受荷载桩基引起的土体运动分布测量试验装置及方法，特别适用于受荷载的桩基对周围土体运动影响及速度矢量分布试验研究。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种受荷载桩基引起的土体运动分布测量试验装置，其特征在于：包括ccd数字摄像机、激光片光源、结果分析设备、试验有机玻璃箱、可移动式加载架、桩基、低频电磁激振器和激振器固定架；所述试验有机玻璃箱为中空结构且顶面开口，试验有机玻璃箱内设置有用于模拟地基的透明试验土，透明试验土中均匀散有示踪粒子；桩基竖直设置贯入试验有机玻璃箱正中央的透明试验土中，加载架置于试验有机玻璃箱顶面上，低频电磁激振器通过激振器固定架和加载架连接；所述ccd数字摄像机一台架设在试验有机玻璃箱外，另一台架设在加载架上且位于桩基正上方，摄像头正对桩基及其周围土体。
具体的，所述ccd数字摄像机为灵敏度高、抗强光、畸变小的摄像机，架设在实验有机玻璃箱外，摄像头对准桩基及其周围土体；所述激光片光源由激光光源发出的脉冲激光通过球面镜、凸透镜后球聚而成，激光片光源厚度小于1mm。
作为优选方案，所述桩基为两头开口的中空圆柱体。
所述示踪粒子为跟随性、反光性好，粒径大小与透明试验土接近的铝制颗粒并均匀地播撒至透明试验土中。
所述结果分析设备为配备图像处理软件和三维建模软件的pc机，将ccd数字摄像机摄得的图片进行分析处理，得到土颗粒的速度矢量分布。
进一步的，所述低频电磁激振器通过螺钉安装于激振器固定架上。所述低频电磁激振器位于桩基的侧边。
作为优选方案，所述试验有机玻璃箱的箱壁外侧面横向设置有角钢肋条。
作为优选方案，所述加载架包括倒置的半工字型钢架与平面钢板，所述半工字型钢架垂直放于试验有机玻璃箱上方，所述平面钢板以平放的形式焊接在半工字型钢架上。
本发明还提供一种土体运动分布测量试验方法，采用所述的受荷载桩基引起的土体运动分布测量试验装置，包括以下步骤：
1）在透明试验土中均匀地播撒示踪粒子，将桩基贯入试验有机玻璃箱正中央的透明试验土中，将ccd数字摄像机一台架设在试验有机玻璃箱外，另一台架设在桩基正上方安置在加载架上，摄像头正对桩基及周围土体，静置一段时间使土体的扰动消失；
2）将激光片光源打至所测平面，启动ccd数字摄像机对桩基周围土体进行多次高速曝光拍摄；
3）启动低频电磁激振器对桩基进行不同频率、不同幅值的侧向水平荷载加载；
4）改变ccd投影摄像机拍摄位置和角度及激光片光源所打至的位置，充分扰动透明试验土使示踪粒子均匀分布并抹平透明试验土，贯入桩基后重复（1）、（2）、（3）；
5）通过结果分析设备利用图像处理软件对所拍摄得到的图像进行处理得到不同时间的土颗粒速度矢量二维分布情况，再利用三维建模软件对不同角度时ccd摄像机拍得的图像的土颗粒速度矢量二维分布结果进行分析得到土颗粒的三维运动分布，获得的荷载的频率和幅值与受荷载桩基引起的周围土体三维运动分布和速度矢量三维分布变化之间的变化规律。
有益效果：本发明提供的受荷载桩基引起的土体运动分布测量试验装置及方法，模拟荷载可变、适用范围广测量结果精确有效的，利用试验有机玻璃箱和透明试验土可以直观地测得土体分布且不会产生传感器等造成的干扰。通过本测量试验装置及试验方法，可以研究桩基受载特性与桩周土体运动分布的关系，进而深入揭示受荷载桩基与周围土体动力相互作用的机理。可模拟桩基所处的复杂环境，通过加载试验及图像数据采集和相关性分析，并精确获得可获得受荷载桩基对周围土颗粒运动及速度矢量分布的影响，极具有产业上的利用价值。通过改变激振器固定架的位置、激振器的角度和荷载的频率和幅值对桩基进行加载，可分析在桩基受到不同幅值、频率和方向荷载时对桩周不同区域土体运动情况及运动分布影响的变化规律；通过不同水平拍摄方向和竖直拍摄方向的ccd数字摄像机所拍得结果进行分析，可分析桩周土体运动分布情况在不同方向的变化规律从而推得受载桩基对土体运动情况影响的三维分布；通过改变打光位置可研究土体运动分布在水平向和深度方向的变化规律研究。
附图说明
图1为本发明装置的正视图；
图2为本发明装置的左视图；
图3为放置于实验有机玻璃箱外的ccd数字摄像机摆放位置示意图；
图4为加载架示意图；
图5为激光片光源结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1至图3所示，一种受荷载桩基引起的土体运动分布测量试验装置，包括ccd数字摄像机1、激光片光源2（激光光源21、球面镜22、凸透镜23、）、结果分析设备3、顶面开口中空的试验有机玻璃箱4，置于试验有机玻璃箱顶面之上的可移动式加载架5，均内设于试验有机玻璃箱4的透明试验土41、示踪粒子42、桩基6、低频电磁激振器7和激振器固定架8。
所述ccd数字摄像机1一台架设在试验有机玻璃箱4外，另一台架设在加载架桩基正上方处，摄像头正对桩基6及其周围土体；如图5所示，所述激光片光源2由激光光源21发出的脉冲激光通过球面镜22和凸透镜23球聚而成，片光厚度小于1mm，片光打至所测平面；结果分析设备3为配备图像处理软件和三维建模的pc机，可将ccd数字摄像机1摄得的图片进行分析处理，得到土颗粒的速度矢量三维分布，图像处理软件可采用photoshop，三维建模软件可采用mimics。
所述试验有机玻璃箱4为有机玻璃板利用三氯甲烷（俗名氯仿）溶解连接处并胶结而成，内填有用于模拟地基的透明试验土11和均匀播撒至透明试验土41中的示踪粒子42，透明试验土41可选为溴化钙溶液和熔融石英砂合成的透明砂土，所述示踪粒子可选用荧光天然砂土或玻璃微珠。如图1所示，为了增加强度，试验有机玻璃箱4的箱壁外侧面沿着垂直于母线方向设置有角钢肋条43。
所述桩基6为底面和顶面开口的中空柱状体。
所述桩基6的底面朝向位于试验有机玻璃箱4正中央的透明试验土41、并通过重力方式贯入透明试验土41中，直至桩基6压至指定位置。
所述低频电磁激振器7安装于激振器固定架8上、并分布于桩基的侧边，所述激振器固定架7为圆柱形钢柱，通过螺钉与加载架2连接，所述低频电磁激振器7通过螺钉安装于激振器固定架8上。如图4所示，所述加载架5包括倒置的半工字型钢架51与平面钢板52，所述半工字型钢架51垂直放于试验有机玻璃箱4上方，所述钢板52以水平放置的形式焊接在半工字型钢架51上。
应用本发明提供的受荷载桩基引起的土体运动分布测量试验装置进行桩周土体交换运动试验测量，其试验方法，包括以下步骤：
1）在透明试验土41中均匀地播撒示踪粒子42，将桩基6贯入试验有机玻璃箱4正中央的透明试验土41中，将ccd数字摄像机1一台架设在试验有机玻璃箱4外，另一台架设在桩基正上方安置在加载架5上，摄像头正对桩基及周围土体，静置一段时间使土体的扰动消失；
2）将激光片光源2打至所测平面，启动ccd数字摄像机1对桩基6周围土体进行多次高速曝光拍摄；
3）启动低频电磁激振器7对桩基6进行不同频率、不同幅值的侧向水平荷载加载；
4）改变ccd投影摄像机1拍摄位置和角度及片光源所打至的位置，充分扰动透明试验土41使示踪粒子42均匀分布并抹平试验土，贯入桩基后重复（1）、（2）、（3）；
5）通过结果分析设备3利用图像处理软件对所拍摄得到的图像进行处理得到不同时间的土颗粒速度矢量二维分布情况，再利用三维建模软件对不同角度时ccd摄像机1拍得的图像的土颗粒速度矢量二维分布结果进行分析得到土颗粒的三维运动分布，获得的荷载的频率和幅值与受荷载桩基引起的周围土体三维运动分布和速度矢量三维分布变化之间的变化规律。
如图3所示，放置在试验有机玻璃箱外的ccd数字摄像机1的拍摄角度变换方式为：每次拍摄完成后，ccd数字摄像机绕桩基旋转45°，共旋转7次，每次旋转完成后ccd数字摄像机1离桩基的距离相等，且摄像头对准桩基周围土体，可得到八组不同角度处的图像，激光片光源2的旋转方式与ccd数字摄像机1相同。由于两台ccd数字摄像机的拍摄方向互相垂直，片光源的放置方向也互相垂直，而片光源厚度又很薄，因此不会互相干扰。
本发明提供的试验有机玻璃箱4的尺寸可制成长×宽×高为2m×2m×2m，透明试验土41可选粒径取为0.075mm~0.2mm的溴化钙溶液和熔融石英砂合成的透明砂土，其工程性质与砂土相似。
本发明提供的透明砂土的配制方法如下
1）预处理石英砂颗粒后，配制与天然砂土级配一致的石英砂；
2）根据折射率采用折射率-浓度法确定溴化钙溶液的浓度使得溴化钙的折射率与熔融石英砂相同或相近从而提高透明度；
3）得到合适的溴化钙和熔融石英砂后将石英砂散落到溶液中，进行真空排气处理，均匀搅拌遮光静置两小时以上，即可得到透明试验土。
本试验提供的示踪粒子可选荧光砂土或玻璃微珠，这两种粒子的跟随性和反光性较好，而且其比重、密度和化学成分都与透明试验土相近，相比而言，荧光砂土比起玻璃微珠示踪效果更好，取材容易，配制方法简单。
本发明提供的测量试验装置不仅可进行通过改变荷载的频率和幅值，分析桩周土体运动及运动分布情况与桩基所受荷载之间的变化规律；通过ccd数字摄像机的摄像位置和角度并进行三维建模分析，可分析桩周不同区域土体运动受受荷载桩基影响的运动三维分布规律。
更是能分别进行不同尺寸桩基的土体交换运动试验，对比不同比尺、规模基础引起的土体交换运动情况，可以得到基础尺寸和类型对土体运动的影响，研究受载桩基影响周围土体运动的机理。桩基材料均为有机玻璃，用于研究比尺效应对桩周土体交换运动的影响。
进行一种受荷载桩基引起的土体运动分布测量试验装置的试验方法，即可考虑海上风机桩基对基础周围土体运动的影响测量。
本发明的创新点在于，利用试验有机玻璃箱和透明试验土可以直观地测得土体分布且不会产生类似传感器等造成的干扰；通过本测量试验装置及试验方法，可以研究桩基受载特性与桩周土体运动分布的关系，进而深入揭示受荷载桩基与周围土体动力相互作用的机理。通过改变激振器固定架的位置、激振器的角度和荷载的频率和幅值对桩基进行加载，可分析在桩基受到不同幅值、频率和方向荷载时对桩周不同区域土体运动情况及运动分布影响的变化规律；通过不同水平拍摄方向和竖直方向的ccd数字摄像机所拍得结果进行分析，可分析桩周土体运动分布情况在不同方向的变化规律从而推得受载桩基对土体运动情况影响的三维分布；通过改变打光位置可研究土体运动分布在水平向和深度方向的变化规律研究。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。