[发明专利]一种基于PIV技术的桩土剪切作用观察和测量的实验装置

说明书

本发明公开了一种基于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、桩体竖向定位系统、桩身传感系统；实验箱用于盛放土样；液压加载系统用于向土体施加应力及控制桩体打入土样中；桩身竖向定位系统用于对桩体竖向定位；PIV系统用于观测桩体打入过程中桩周土颗粒的位移场变化以及桩土界面剪切带的形成，桩身传感系统包括安装在桩上的各式传感器，用于测量各种参数。本装置不仅可以实现桩在打入过程或者受到循环竖向荷载时桩的侧阻力、桩端阻力的测量，而且可以通过PIV技术实时观测桩测土体的变形和剪切带的形成，既可以为工程提供设计参数，也能够结合可视化的土体位移对桩土剪切作用的机理进行研究。

技术领域

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。

发明内容

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。