[发明专利]桩土相互作用可视化防扰式实验装置及实验方法

说明书

本发明涉及一种桩土相互作用可视化防扰式实验方法，包括：应变片安装、模型半桩安装、填土和测量步骤；本发明还涉及一种桩土相互作用可视化防扰式实验装置,包括箱体、模型半桩、位移传感器、可视化系统和竖向加载装置，箱体的前侧壁为有机玻璃结构且设有两块内衬层，模型半桩为半圆管结构，模型半桩的周向两端设有外翻边，箱体的前侧壁设有左右两块内衬层，内衬层为刚性透明材料制作而成，两块内衬层一一对应地按压在外翻边上，内衬层同箱体的前侧壁贴合在一起。本发明具有能够防止实验时土进入模型半桩和箱体侧壁之间的优点，解决了现有的半桩方式进行土相互作用实验时土体容易进入模型半桩和侧壁之间影响实验准确性的问题。

技术领域

本发明涉及地铁隧道建筑施工技术领域，尤其涉及一种桩土相互作用可视化防扰式实验装置及实验方法。

背景技术

土木工程地基处理中，常面临着地基的承载力及稳定性不足、压缩及不均匀沉降和液化等问题。桩基作为一种最为常用的处理不良地基的方法,广泛应用于各种工程建设中。然而，桩基在竖向荷载作用下，桩与桩周土颗粒相互作用，共同承受上部结构的荷载，作用规律较为复杂，一直为地基中桩基研究的难点，分析地基的变形与破坏的保守估计常大幅提高了工程造价。

桩-土相互作用规律主要包含桩基与桩周土两方面，桩基的制作材料一般为相对均匀、强度较大的混凝土材料，应力、变形规律多在稳定、易测的线弹性范围；而桩周土的性质复杂、在大位移下，以难以刻画的塑性变形为主，且其性质受加卸载路径影响，造成了研究桩土相互作用的困难，对于预测桩体的变形、位移、破坏等与设计情况相差极大，甚至造成桩基的失效。例如，在南海工程建筑与结构的修建过程中，桩基往往穿过钙质珊瑚砂地基，在桩基贯入下沉的过程中，钙质砂土颗粒牵引下沉、破碎，桩基的承载能力丧失可达一半以上，甚至导致桩基突然下沉数米失效，地基基础工程项目的失败。研究桩土相互作用，评价其对地基强度、变形及稳定性的影响，对工程实践提够设计依据和评价参数的意义重大。

然而，现有技术中对桩土相互作用的研究方法并不完善，较难准确的研究桩-土相互作用的规律。传统的室内桩基模型实验中，在桩顶荷载作用下，桩周土体中应力、变形、位移、土颗粒破碎等信息掩埋在土体内部，往往难以准确测量。基于上述方法的不足，部分工程技术研究人员采用缩尺实验，在几十厘米尺寸级别的模型箱中，用无定型硅或熔融石英砂混合相应的流体制作透明土来模拟桩周饱和土体，实现了桩-土相互作用的可视化研究。然而，模拟的无定型硅或熔融石英砂与实际工程中的土颗粒性质存在较大差异、实际中的土体常处于非饱和状态、透明土实验中模型缩尺过大，等原因极可能导致桩周土位移与工程实际不符。此外，透明土实验中，桩土相互作用下的土颗粒的破碎目前还难以测量，可视化实验中保持贯入桩体的竖直贴壁状态依然困难、实验中桩体形态也过于简单而本身变形仍然难以测量。所以，在工程真实土颗粒下的较大型模型实验中，反映桩土相互作用的实验方法突破十分必要。

为了能够采用自然土地也能够获知实验结果，在中国专利号为CN201910077530.9的专利文件中公开了一种用半桩进行实验的实验装置和方法，即使得模型半桩贴在透明的箱体壁上，此时土受到模型桩的影响而产生的变化在位于透明壁的部分上，实现了观察不需要透过土体既能够观察，从而克服了需通过透明的模拟土才能够进行实验的问题，通过自然土即可进行实验。

该实验装置和方法插在以下不足：实验过程中土移动的压力会导致模型半桩和透明的侧壁之间产生缝隙而进入模型半桩和侧壁之间，模型半桩和侧壁之间进行土后会干扰实验的半桩特性，使得实验结果准确性差；应变片粘结在模型半桩上时，粘附物体（胶水或双面胶等）对模型半桩的弹性模量的干扰大，也导致实验结果准确性差；土以色层的方式铺设虽然能够较为准确和方便的获知土的上下方向的层间位移情况，但是无法准确方便地获知土水平移动的位移。

发明内容

本发明的第一个目的旨在提供一种能够防止实验时土进入模型半桩和箱体侧壁之间的桩土相互作用可视化防扰式实验装置及实验方法，解决了现有的半桩方式进行土相互作用实验时土体容易进入模型半桩和侧壁之间影响实验准确性的问题。