[发明专利]一种沉桩过程中土体位移场可视化试验装置及使用方法

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程可视化试验技术领域，尤其涉及一种沉桩过程中土体位移场可视化试验装置及使用方法。

背景技术

岩土工程涉及建筑、交通、水利、能源等众多行业，与人们的日常生活息息相关。岩土工程试验一直以来都是研究岩土力学特性，检验岩土材料本构模型的必要手段，同时也为地基处理、隧道开挖、基坑支护、边坡稳定和道路施工等具体工程的设计施工提供重要的参考依据，科学地评价工程的可靠性、稳定性，从而保证工程的顺利进行，达到技术上安全，经济上合理。测量土体在各种应力状态下的变形，尤其是沉桩过程中土体内部的连续变形和位移场，一直是试验工作者长期面临的问题。传统方法是在桩身周围的土体中预埋一些离散的传感器，但土体中的传感器不能提供土体内部的连续变形特征，而且易受到周围环境的影响，结果往往不准确。随着科技的发展，越来越多的方法可以用来测量土体中的连续变形。例如X射线、磁共振成像技术（MRI）以及计算机三维层析成像（CAT扫描）已经应用于岩土工程模型试验用来研究土体的连续变形及流动。但是高昂的试验设备费用和技术上的难点大大限制了这些技术的广泛应用。因此，探讨从既经济又技术可行的沉桩过程中土体位移场测量可视化试验的技术方案显得尤为迫切。随着计算机数字图像技术的发展，一些更为简单的空间测量技术在岩土工程模型试验中得到迅速的发展，数字图像技术越来越多地被用来研究岩土问题。

在本发明专利前，中国申请发明专利“一种模拟静压桩沉桩过程的模型试验装置”（申请号：201110221445.9），公布了一种由手动链条式静力触探仪、模型箱、山形板、垫压板、铁棒、压力传感器、模型桩、定位导向组件等组成的静压桩沉桩过程模型试验装置。该技术方案具有可连续贯入土体，沉桩速率可控等技术优点；但是，桩身周围的土体变形及位移场只能通过预埋一些离散的传感器来进行测量，测量元器件容易受到周围环境的影响，导致测量结果不够精确。

相关学者利用数字图像技术进行了一系列的岩土工程模型试验研究，主要集中在砂土模型表面变形场的测量，但是如何利用数字图像技术来获得土体内部连续变形特征的问题目前尚未有学者提出较好的解决办法。因此，基于数字图像技术和透明土材料，开发一种可以测量沉桩过程中土体内部变形和位移场的试验装置及其使用方法成为一个刻不容缓的工作。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足和缺陷，解决沉桩过程中土体内部变形和位移场测量不连续和不可见问题，提出一种沉桩过程中土体位移场可视化试验装置及使用方法，以达到可视化沉桩过程模型试验的目的。

一种沉桩过程中土体位移场可视化试验装置，包括人工合成透明土，光学平台，透明模型槽，激光发生器，CCD相机，沉桩加载仪，压力传感器，位移传感器，试验模型桩，其特征在于：沉桩加载仪固定在光学平台上，人工合成透明土填筑在透明模型槽内，装有透明土的透明模型槽放置在沉桩加载仪下方用螺丝固定在光学平台上；透明模型槽的左侧面或者右侧面设置激光器并固定在光学平台上；透明模型槽的正前方或者正后方设置CCD相机并固定在光学平台上；透明模型桩安装在沉桩加载仪下方，并利用沉桩加载仪将其静压入透明土中。

本发明采用的技术方案为：利用正十二烷、十五号白油的混合液与烘烤石英砂颗粒合成透明土，正十二烷、十五号白油的混合液的折射率与烘烤石英砂颗粒折射率一致，沉桩模型试验过程中，通过激光面切割桩周土体，形成一个明亮的土体内部颗粒切面，利用CCD相机连续拍摄，获得该切面的一系列图像，结合粒子图像处理技术分析土体内部的连续变形特征，从而实现了对沉桩过程中引起的周围土体连续变形的可视化测量。

所述的透明土，由正十二烷与十五号白油在一定温度下按质量比组成混合液与烘烤石英砂颗粒混合搅拌直至均匀透明所制成。

所述的光学平台，采用阻尼材料，铁磁不锈钢表面，蜂窝状支撑内芯结构，台面平整度高。台面布置阵列的标准孔距（25 mm×25 mm）的螺纹孔（M 6），可方便固定加载系统和图像摄录系统。

所述的透明模型槽，由树脂玻璃制作，形状为上部开口的长方体，长、宽100 mm-130 mm，高度为300 mm- 400 mm，壁厚5 mm-10 mm，底部对称突出，尺寸为170 mm × 170 mm，预留M 6螺孔，用于将其固定在光学平台；其中一侧面由精密机床标有一系列参考点，并漆成红色，用于测量系统的标定和校正，同时可进行像素坐标与物理坐标之间的转化。

所述的激光器，采用内腔式氦氖激光器，功率为50 mW-500 mW，并配有线性转换器，用于将点光源转化为线性光源。