一种观察和测量非饱和土的桩土相互作用的实验装置

技术领域

本发明属于桩土测试实验技术领域，具体涉及一种观察和测量非饱和土的桩土相互作用的实验装置。

背景技术

预制桩基是通过承台把若干根桩的顶部联结成整体，共同承受动静荷载的一种深基础，而桩是设置于土中的竖直或倾斜的基础构件。预制桩基现今广泛应用于各类建筑地基、桥梁、桩承载道路、码头港口和海洋开发工程等领域。

而非饱和土广泛应用于工程中，预制桩在沉桩和发挥承载力的过程中与非饱和土相互作用的机理十分复杂，其中桩土界面的相互作用机理是关键科学问题。受降水、蒸发、地下水位变动等因素影响，工程中的桩基础和地基的工后沉降和不均匀沉降预测往往与实际有较大差距。从而对于建筑工程的长期安全稳定运行带来不利影响，因而桩与非饱和土的相互作用与研究具有重要的工程意义。

已有的相关研究中并没有能直观的观察对于桩土发生相互作用时土体产生的位移变形和桩土的相互作用的影响。

因此，亟需一种能够观察非饱和土与桩相互作用的装置。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题提供一种用于观察和测量非饱和土内的桩土作用的实验装置，能够观测并记录竖向荷载与循环竖向荷载作用等条件下桩周土的位移形变与桩身的相关各类参数变化情况，利于评估非饱和土桩土作用。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种观察和测量非饱和土的桩土相互作用的实验装置，包括：桩体、加载装置、透明模型箱、用于监测所述桩体受力情况的传感系统和PIV观测系统；

所述透明模型箱内设有非饱和土地基，所述桩体竖直设置，所述桩体的下端插设在所述非饱和土地基中，所述加载装置安装在所述透明模型箱上，所述加载装置的输出端与所述桩体的上端和所述非饱和土地基连接，所述传感系统的输入端设在所述桩体上和所述非饱和土地基中，所述PIV观测系统的拍摄端朝向所述透明模型箱。

本发明的有益效果是：可以实现观测桩体加载过程中，桩体受到循环竖向荷载或桩体与土体承受静荷载时土体变形过程、剪切带形成发展过程以及全部过程中桩体周围土体位移场的变化，同时还可以实现对桩体在加荷过程中、桩体受循环荷载或桩体与土体承受静荷载等各类作用下一系列力学参数，如桩侧阻力、桩端阻力以及距桩不同位置距离的土的压力、孔隙水压力、周围压力等数据的获取与变化探测，对研究桩体与非饱和土的相互作用具有重要的工程意义。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述加载装置包括架体、用于对所述桩体施加荷载的主千斤顶和用于对所述非饱和土地基施加荷载的次千斤顶，所述架体架设在所述透明模型箱上，所述主千斤顶和所述次千斤顶均连接在所述架体上，所述主千斤顶的输出端与所述桩体连接，所述次千斤顶的输出端与所述非饱和土地基连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：利于对桩体和非饱和土地基施加荷载，能够模拟现实环境。

进一步，所述主千斤顶的输出端固定设有加荷传递板，所述桩体的上端与所述加荷传递板固定连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：更好的带动桩体移动，对桩体施加荷载。

进一步，所述透明模型箱内设有用于盖设在所述非饱和土地基上的土体预应力板，所述次千斤顶的输出端伸入所述透明模型箱内，并与所述土体预应力板连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：利于对非饱和土地基施加平衡性的荷载。

进一步，所述架体包括底座、反力架和反力梁，所述透明模型箱连接在所述底座上，所述反力架的底端与所述底座连接，所述反力梁连接在所述反力架的顶端，所述反力梁位于所述透明模型箱的竖直上方，所述主千斤顶和所述次千斤顶均连接在所述反力梁上。

采用上述进一步方案的有益效果是：利于对主千斤顶和次千斤顶支撑固定。

进一步，所述传感系统包括轴力传感器、百分表和多个应变片，所述轴力传感器与所述主千斤顶的顶端连接，通过所述轴力传感器检测所述主千斤顶的施加力，所述百分表的两端分别与所述反力梁和所述加荷传递板连接，通过所述百分表检测所述加荷传递板的位移距离，多个所述应变片沿所述桩体长度方向等间距连接在所述桩体上。

采用上述进一步方案的有益效果是：利于检测桩体的受力情况。

进一步，所述透明模型箱包括透明箱体和钢板，所述透明箱体顶端敞口，所述钢板位于所述透明箱体内，并与一侧内壁固定连接，所述钢板上设有多个土压力盒和多个孔压传感器。

采用上述进一步方案的有益效果是：利于填充非饱和土地基，同时利于CCD相机拍摄。

进一步，所述透明箱体的底端侧壁上设有用于排气的排气管和用于排水的排水管，所述排气管的一端与所述透明箱体内部连通，所述排水管的一端与所述透明箱体的内部连通，所述排气管上设有用于打开或关闭所述排气管的排气阀，所述排水管上设有用于打开或关闭所述排水管的排水阀。

采用上述进一步方案的有益效果是：能够模拟排气排水的过程，从而模拟真实的使用环境。

进一步，所述透明箱体设有所述排水管的一侧内壁设有用于检测所述非饱和土地基周围压力的周围压力传感器；

所述透明模型箱、所述桩体和所述加载装置均设在恒温恒湿箱内。

采用上述进一步方案的有益效果是：以便于对非饱和土地基周围压力变化进行准确测量。

进一步，所述PIV观测系统包括光源和CCD相机，所述光源和所述CCD相机均位于所述透明模型箱的正面，所述光源照射光线至所述透明模型箱上，所述CCD相机拍摄所述透明模型箱的照片。

采用上述进一步方案的有益效果是：利于观察到非饱和土地基的位移变形。

附图说明

图1为本发明实验装置的结构示意图；

图2为本发明透明模型箱的正视图；

图3为本发明透明模型箱的右视图；

图4为本发明透明模型箱的俯视图；

图5为本发明限位板的结构示意图；

图6为本发明排水管的结构示意图；

图7为本发明排气管的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、透明模型箱；2、桩体；3、底座；4、反力梁；5、主千斤顶；6、轴力传感器；7、百分表；8、周围压力传感器；9、应变片；10、土压力盒；11、孔压传感器；12、排水阀；13、排水管；14、排气阀；15、排气管；16、计算机；17、光源；18、CCD相机；19、土体预应力板；20、限位板；21、反力架；23、加荷传递板；24、次千斤顶；26、数据采集盒；27、恒温恒湿箱。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例

如图1-图7所示，本实施例提供一种观察和测量非饱和土的桩土相互作用的实验装置，其特征在于，包括：桩体2、加载装置、透明模型箱1、用于监测桩体2受力情况的传感系统和PIV观测系统。

透明模型箱1内设有非饱和土地基，桩体2竖直设置，桩体2的下端插设在非饱和土地基中，加载装置安装在透明模型箱1上，加载装置的输出端与桩体2的上端连接，传感系统的输入端设在桩体2上和非饱和土地基中，PIV观测系统的拍摄端朝向透明模型箱1。

其中，透明模型箱1为长方形，能够观察到透明模型箱1内部的非饱和土地基的变化情况。非饱和土地基由透明土颗粒与矿物油孔隙流体构成，孔隙流体的折射率与所用透明土颗粒的折射率相通。透明土颗粒由无定型的硅粉或硅胶或熔融石英制成。矿物油孔隙流体为正构烷烃类溶剂与矿物油混合物，或者固体溴化钙溶于水。非饱和土地基将上述透明土颗粒在矿物油孔隙流体内分散，后采用真空泵抽真空并沉淀，直到混合悬浮液透明为止，其后再对其按照试验需求进行固结。透明土颗粒可按照间隔布置的若干层未染色土颗粒层和同级配的透明或彩色土颗粒层进行填筑。

其中，加载装置用于对桩体2和非饱和土地基施加荷载，以模拟自然地层变化情况，从而观察桩体2与非饱和土地基之间的应力变化。其中，传感系统用于将桩体2上的受力情况检测传递出来，以显示微观应力变化，从而有利于观察桩土相互作用的情况。其中，PIV观测系统用于对透明模型箱1进行拍摄，从而能够对拍摄的图片进行分析，以判断非饱和土地基的变形情况。PIV观测系统为粒子图像测速法(Particle Image Velocimetry,简称PIV)。

本实施例的技术方案的有益效果是，可以实现观测桩体2加载过程中，桩体2受到循环竖向荷载或桩体2与土体承受静荷载时土体变形过程、剪切带形成发展过程以及全部过程中桩体2周围土体位移场的变化，同时还可以实现对桩体2在加荷过程中、桩体2受循环荷载或桩体2与土体承受静荷载等各类作用下一系列力学参数，如桩侧阻力、桩端阻力以及距桩不同位置距离的土的压力、孔隙水压力、周围压力等数据的获取与变化探测，对研究桩体2与非饱和土的相互作用具有重要的工程意义。

优选地，本实施例中，加载装置包括架体、用于对桩体2施加荷载的主千斤顶5和用于对非饱和土地基施加荷载的次千斤顶24，架体架设在透明模型箱1上，主千斤顶5和次千斤顶24均连接在架体上，主千斤顶5的输出端与桩体2连接，次千斤顶24的输出端与非饱和土地基连接。

其中，架体用对主千斤顶5和次千斤顶24支撑作用，使得主千斤顶5能够向桩体2施加，次千斤顶24能够向非饱和土地基施加荷载。其中，主千斤顶5和次千斤顶24均竖直设置，二者的输出端均朝向竖直下方，利于施加荷载。其中主千斤顶5和次千斤顶24均由伺服电机驱动。

优选地，本实施例中，主千斤顶5的输出端固定设有加荷传递板23，桩体2的上端与加荷传递板23固定连接。通过设置的加荷传递板23利于与桩体2连接，从而更好的带动桩体2移动，对桩体2施加荷载。其中桩体2可为多个，多个桩体2的上端均与加荷传递板23连接，从而多个桩体2通过一个主千斤顶5驱动，能够观察多个桩体2与非饱和土地基的相互作用。其中，加荷传递板23水平设置。

优选地，本实施例中，透明模型箱1内设有用于盖设在非饱和土地基上的土体预应力板19，次千斤顶24的输出端伸入透明模型箱1内，并与土体预应力板19连接。其中，土体预应力板19水平设置在非饱和土地基的顶端，当次千斤顶24带动土体预应力板19移动时，对非饱和土地基下压，从而实现对非饱和土地基施加荷载。通过设置的土体预应力板19能够均匀的对非饱和土地基施加荷载，效果更好。设置土体预应力板19以便对非饱和土地基进行预加荷，来模拟土体的应力状态，以及控制桩体2加载过程。土体预应力板19开有圆形孔洞以便桩体2通过，圆形孔洞直径与桩体2的尺寸一致。

优选地，本实施例中，架体包括底座3、反力架21和反力梁4，透明模型箱1连接在底座3上，反力架21的底端与底座3连接，反力梁4连接在反力架21的顶端，反力梁4位于透明模型箱1的竖直上方，主千斤顶5和次千斤顶24均连接在反力梁4上。

其中，反力架21包括两个立柱和箱体固定梁，箱体固定梁固定连接在基座上，两个立柱竖直设置，两个立柱的下端与底座3固定连接，立柱的上端设有多个三角布置的圆形开孔，反力梁4通过螺丝与圆形开孔配合连接在立柱上端。其中反力梁4的中部设有用于安装主千斤顶5和次千斤顶24的固定开孔。其中，两个立柱的高度均高于透明模型箱1的高度。

优选地，两个立柱之间还设有用于对桩体2限位的限位板20，限位板20的两端与两个立柱通过螺丝连接，限位板20上设有多个限位孔，多个限位孔与多个桩体2一一对应，多个桩体2的下端穿过对应的限位孔插入到非饱和土地基中。

优选地，本实施例中，传感系统包括轴力传感器6、百分表7和多个应变片9，轴力传感器6与主千斤顶5的顶端连接，通过轴力传感器6检测主千斤顶5的施加力，百分表7的两端分别与反力梁4和加荷传递板23连接，通过百分表7检测加荷传递板23的位移距离，多个应变片9沿桩体2长度方向等间距连接在桩体2上。

其中，轴力传感器6的目的是记录施加力的具体数值，为打入土过程与循环加荷提供过程参考并为后续处理提供方便。循环加载过程指在桩体2基础静载荷稳定后，通过循环过程模拟的动荷载变化。其中，百分表7能够记录加荷传递板23的位移距离，从而带动桩体2打入非饱和土地基的距离。其中，多个应变片9用于检测桩体2在施加荷载的情况下，在非饱和土地基内受到的应力变化。

优选地，本实施例中，透明模型箱1包括透明箱体和钢板，透明箱体顶端敞口，钢板位于透明箱体内，并与一侧内壁固定连接，钢板上设有多个土压力盒10和多个孔压传感器11。透明箱体用于填入非饱和土地基。透明箱体可以观察到内部的非饱和土地基的情况。透明箱体为有机玻璃制成。其中透明箱体的尺寸为800mm×400mm×800mm。其中钢板用于支撑多个土压力盒10和多个孔压传感器11，其中多个土压力盒10和多个孔压传感器11从上至下按照100mm、150mm、150mm和100mm间距分布。多个土压力盒10和多个孔压传感器11交替设置。多个土压力和和多个孔压传感器11横向等间距分布设置。从而能够有效的检测非饱和土地基内部的应力和压力变化。

优选地，本实施例中，透明箱体的底端侧壁上设有用于排气的排气管15和用于排水的排水管13，排气管15的一端与透明箱体内部连通，排水管13的一端与透明箱体的内部连通，排气管15上设有用于打开或关闭排气管15的排气阀14，排水管13上设有用于打开或关闭排水管13的排水阀12。通过设置的排气管15和排水管13能够模拟排气排水的过程，从而模拟真实的使用环境。其中，排水管13为透明带有刻度的有机玻璃管，排气管15为带有密封浮标的有刻度的有机玻璃管。其中，排气阀14和排水阀12为ABS材质的两通电磁阀，能够通过电信号控制，用于模拟不同边界排气排水条件的控制。

其中，排水管13的刻度精度为0.1ml，排气管15的精度为0.1ml。排气阀14和排水阀12的完全开闭响应时间小于0.1s。

优选地，本实施例中，透明箱体设有排水管13的一侧内壁设有用于检测非饱和土地基周围压力的周围压力传感器8。以便于对非饱和土地基周围压力变化进行准确测量。

优选地，本实施例中，透明模型箱1、桩体2和加载装置均设在恒温恒湿箱27内。能够保证恒温恒湿状态下测试。

优选地，本实施例中，PIV观测系统包括光源17和CCD相机18，光源17和CCD相机18均位于透明模型箱1的正面，光源17照射光线至透明模型箱1上，CCD相机18拍摄透明模型箱1的照片。CCD相机18还可以拍摄排水管13和排气管15的刻度。

其中，光源17为50w，CCD相机18的分辨率为2000px*2000px。光源17对透明模型箱1正面进行照射，目的是提高非饱和土地基的清晰度。CCD相机18对透明模型箱1内的非饱和土地基图像进行拍摄采集，透明模型箱1上四周边缘设置有等间隔定位点用于测算非饱和土地基的位移变形参考及相机对焦。其中，光源17为两个，分别设置在CCD相机18的两侧。

优选地，本实施例中，还包括计算机16和数据采集仪，计算机16用于汇总数据，对数据进行分析处理并根据用户设置发布指令，数据采集仪用于收集数据，数据采集仪与计算机16电信号连接，数据采集仪与轴力传感器6、百分表7、周围压力传感器8、应变片9、土压力盒10和孔压传感器11电信号连接，数据收集仪能够收集信息。数据收集仪还与光源17和CCD相机18电信号连接。计算机16与伺服电机、排气阀14和排水阀12，能够控制主千斤顶5和次千斤顶24施加的荷载，以及控制排气和排水。CCD相机18对非饱和土地基的位移变形场做到及时实时监测，并将图像传输到计算机16存储。计算机16对光源17、CCD相机18、与加载装置进行控制，并将时间、液压状态等参数传输反馈到计算机16。

主千斤顶5和次千斤顶24最大负载为10T；伺服电机为2KW，均带有抱闸，可固定主千斤顶5和次千斤顶24状态。轴力传感器6量程为100kN，精度1N。土压力盒10量程为6MPa，灵敏度0.1KPa，精度0.1％FS。孔压传感器11量程为0-35KPa，精度0.1％FS。工作温度为-20至+120℃。光源17是额定功率为50W的交直流LED泛光灯。CCD相机18分辨率为2000px*2000px，采集速率240fps。透明箱体的正面侧边设置有等间距的图像分析参考圆点，进行图像分析参考。圆点直径为5mm，沿高度间距100mm均匀分布于透明箱体的内侧壁，CCD相机18拍照，图像分析参考圆点在图像中作为参考点，方便进行图像分析。

下面以透明土试样为非饱和土地基为例简述采用本发明装置的试验过程：

步骤1：配置透明土试样体系

用正构烷烃类溶剂或矿物油按照所用透明土颗粒的折射率进行调配，得到透明土溶液，然后将透明土溶液按照试验所需非饱和状态分层布置，得到透明土试样体系。

步骤2：设置非饱和透明土模型系统

透明土试样体系测定含水率后，以10cm分层填筑至透明箱体内，安装好各个传感器并连接计算机16。在最顶层铺设黏土试样，按照要求填筑完成后，盖好土体预应力板19，将桩体2竖直插入到土体中，并与加载装置连接，加载装置固定在反力梁4上。

步骤3：安装调试PIV观测系统

设置CCD相机18在透明箱体的前方，CCD相机18的两侧各设置光源17，CCD相机18均与数据采集盒26连接，调试PIV观测系统。

步骤4：安装调试

对透明箱体内的各传感器进行标定，并对数据收集盒进行调试，确保各系统协同工作。

步骤5：对土体施加荷载

同时打开所有仪器电源、光源17、数据收集盒以及计算机16采集记录，通过计算机16控制次千斤顶24对土体预应力板19施加荷载，使土体产生变形，直至施加应力达到试验设计需求并土体变形稳定后，保持次千斤顶24状态不变。

步骤6：对桩体2施加荷载

轻轻的使桩体2与土体接触。开启PIV观测系统与数据收集盒记录初始状态。通过计算机16控制主千斤顶5工作，实现逐级加荷或者在一定加荷背景的基础之上实现再加荷卸荷的循环荷载过程。并通过PIV观测系统对桩体2加荷过程中的桩体2周围土体的位移过程进行实时监测，同时对排水管13和排气管15内读数进行拍摄。各类传感器一并收集数据，例如土壤内孔隙水压力、周边压力，桩体2侧面受压等相关数据变动情况，传输到数据采集盒26，数据采集盒26传输到计算机16汇总，并处理。

本发明的实验装置通过CCD相机18、土压力盒10和孔压传感器11可分别快速连续的观测土体的变形剪切场和测量土体压力与孔压变化情况，同时根据不同饱和度的土体具有不同的图像灰度，来实现对土颗粒的跟踪并揭示土体在与桩体2相互作用过程中土颗粒位移剪切场、渗流场的变化情况，PIV观测系统拍照速度快、照片分辨率高，可通过PIV观测系统实时观测非饱和土三维渗流场的变化规律。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“内”、“外”、“周侧”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。