本發(fā)明屬于建筑用試驗設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種可視化敞口雙壁模型管樁試驗裝置。

背景技術(shù)：
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管樁作為一種地基處理及樁基礎(chǔ)形式因其承載能力高、穩(wěn)定性好、擠土有限、對周邊影響少、施工速度快等優(yōu)點在道路工程、離岸工程和橋梁工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用，并發(fā)揮著巨大的作用。當(dāng)敞口管樁貫入地基或是海床時，一部分土體擠入樁孔內(nèi)形成土塞。管樁的豎向抗壓承載力不僅包含樁外側(cè)摩阻力和管壁端阻，土塞的承載力亦是重要的組成部分。土塞的形成對樁外壁和樁側(cè)土的荷載傳遞也會產(chǎn)生重要影響。因此，明確土塞的形成和荷載傳遞機理現(xiàn)已成為準(zhǔn)確預(yù)估管樁承載性能的關(guān)鍵。

現(xiàn)有的管樁模型試驗裝置采用的大多為不透明單壁模型樁，不能分離樁壁內(nèi)、外兩側(cè)的摩阻力，無法測得樁內(nèi)側(cè)摩阻力，不能準(zhǔn)確評估土塞對樁體承載性能的影響，無法得知開口管樁真實的荷載傳遞過程，更不能直接觀察沉樁過程中土塞形成的真實情況。土塞與管樁動力相互作用存在較大復(fù)雜性，現(xiàn)有研究大多選擇忽視土塞對管樁承載性能的影響，或是選用尤為簡化的方式來考慮土塞對管樁的作用，如將土塞對管樁的作用考慮為簡單的分布式模型或動摩擦力，不能很好的揭示土塞對管樁承載性能的影響。因此，有必要開發(fā)和研制一種可視化敞口雙壁模型管樁試驗裝置，開展新型室內(nèi)模型試驗研究，更加深入的研究沉樁過程中以及沉樁后土塞對管樁承載特性的影響規(guī)律。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點，提供一種可視化敞口雙壁模型管樁試驗裝置，采用該裝置可直觀觀察沉樁過程中土塞的形成和變化情況，獲取樁側(cè)剪切帶的分布特征，分離出樁壁內(nèi)、外側(cè)的側(cè)摩阻力以及端承阻力，從而深入揭示土塞對管樁承載特性的影響規(guī)律。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)包括外管、內(nèi)管、內(nèi)外管間隙、導(dǎo)線孔、光纖傳感器、微型攝像頭、端頭板、頂板、弧形拐角、激光位移測距傳感器、投光線、電阻式微型土壓力計、滑動墊塊、滑動墊塊底部托板、硅膠和固定支架；外管、內(nèi)管、端頭板、頂板、弧形拐角和硅膠組成透明雙壁管樁樁體，內(nèi)管嵌套在外管內(nèi)，內(nèi)管的下部作為端頭板，內(nèi)管的上部通過弧形拐角與端頭板連接，外管和內(nèi)管之間形成內(nèi)外管間隙，外管和內(nèi)管的頂端通過頂板剛性連接，硅膠填充在外管的底端和內(nèi)管的底端之間留有的5mm空隙內(nèi)，實現(xiàn)外管和內(nèi)管的彈性連接，同時防止試驗過程中飽和砂土中的水進(jìn)入內(nèi)外管間隙中；外管和內(nèi)管的頂部兩側(cè)對稱式預(yù)留直徑30mm的導(dǎo)線孔，導(dǎo)線孔的圓心與頂板的距離為50mm，外管和內(nèi)管之間距離頂板400mm和800mm處沿圓周方向分別等距安裝四個的球形結(jié)構(gòu)的滑動墊塊，滑動墊塊放置在滑動墊塊底部托板上，導(dǎo)線孔的圓心與距其最近的滑動墊塊的球心在同一水平面的投影與管樁軸心在此水平面的投影的連線成45度夾角；激光位移測距傳感器用固定支架粘接在透明雙壁管樁樁體的頂部，激光位移測距傳感器發(fā)出的激光射線與透明雙壁管樁樁體的軸線重合，激光位移測距傳感器的絕緣電纜由透明雙壁管樁樁體上部側(cè)面處預(yù)留的導(dǎo)線孔導(dǎo)出；在“管樁-樁側(cè)土”和“管樁-土塞”界面上的內(nèi)外管間隙中分別安裝有兩個微型攝像頭(其中“管樁-樁側(cè)土”和“管樁-土塞”界面是指管樁與外側(cè)的土和管樁與內(nèi)側(cè)土的接觸面)，管樁-樁側(cè)土”和“管樁-土塞”界面上的微型攝像頭成60°交角，以獲取兩個界面處的三維數(shù)字圖像，“管樁-樁側(cè)土”的微型攝像鏡頭由上到下等距安裝在整個透明雙壁管樁樁體樁長范圍內(nèi)，“管樁-土塞”界面的微型攝像鏡頭等距安裝在透明雙壁管樁樁體下部約2/3處；每個微型攝像頭的導(dǎo)線經(jīng)內(nèi)外管間隙引到透明雙壁管樁樁體的樁頂位置處再經(jīng)導(dǎo)線孔導(dǎo)出；內(nèi)管外壁和外管內(nèi)壁兩側(cè)均對稱安裝有光纖傳感器，用于測量透明雙壁管樁樁體外側(cè)側(cè)摩阻力和內(nèi)側(cè)側(cè)摩阻力；外管內(nèi)壁的光纖傳感器由上到下等距安裝在整個透明雙壁管樁樁體樁長范圍內(nèi)，內(nèi)管外壁的光纖傳感器等距安裝在透明雙壁管樁樁體下部2/3處，每個光纖傳感器的導(dǎo)線經(jīng)內(nèi)外管間隙引到透明雙壁管樁樁體的樁頂位置處再經(jīng)導(dǎo)線孔導(dǎo)出，電阻式微型土壓力計安裝在透明雙壁管樁樁體底部，用以測量沉樁過程中以及沉樁后樁體的端承阻力；光纖傳感器和電阻式微型土壓力計的導(dǎo)線分別與外部的光纖光柵解調(diào)儀和3816采集箱相連后再分別連接電腦，實現(xiàn)試驗過程中數(shù)據(jù)的實時采集；微型攝像頭的導(dǎo)線與外部的另一臺電腦相連，以便實時獲取“管樁-樁側(cè)土”和“管樁-土塞”兩界面的三維數(shù)字圖像。

本發(fā)明所述內(nèi)管、外管、頂板和端頭板采用鋼化玻璃制成，透明雙壁管樁樁體的總樁長為1230mm，外管全長1200mm，橫截面外徑×內(nèi)徑為160mm×146mm的圓環(huán)；內(nèi)管全長1220mm，其上部和下部橫截面為不等圓，上部長度為1205mm，橫截面外徑×內(nèi)徑為128mm×114mm，下部長度為15mm，橫截面外徑×內(nèi)徑為160mm×114mm，頂板為10mm厚的環(huán)形結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點：一是樁體采用耐磨性好的特質(zhì)鋼化玻璃內(nèi)、外雙管套制而成，可實現(xiàn)內(nèi)、外側(cè)摩阻力和樁端阻力的分別測量，更加真實的揭示樁-土界面的荷載傳遞機制；二是采用高精度激光位移測距傳感器，可反應(yīng)土塞高度的實時變化；三是在透明內(nèi)、外雙管的間隙放置微型攝像頭，可直觀的獲取“管樁-樁側(cè)土”和“管樁-土塞”兩個界面處的三維數(shù)字圖像，進(jìn)一步獲得沉樁過程中和樁體貫入后施加不同荷載下，樁孔內(nèi)土塞以及樁側(cè)土土顆粒的位移、旋轉(zhuǎn)、破碎情況和顆粒間的孔隙特征變化情況；四是透明雙壁管樁由內(nèi)管、外管、頂板組裝而成，有利于傳感器的安裝和拆卸，如有個別傳感器的損壞可隨時拆除換新，能避免整根樁的更換，節(jié)省試驗成本；其結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，便于維護(hù)，成本低，試驗結(jié)果直觀精確。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖2為本發(fā)明所述外管(a)、內(nèi)管(b)和頂板連接結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明所述內(nèi)管底部端頭板橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明所述激光位移測距傳感器安裝位置示意圖。

圖5為本發(fā)明所述電阻式微型土壓力計安裝位置示意圖。

圖6為本發(fā)明所述滑動墊塊位置示意圖。

圖7為本發(fā)明所述光纖傳感器安裝位置示意圖。

圖8為本發(fā)明所述微型攝像頭安裝位置示意圖，其中(a)為主視圖，(b)為俯視圖。

具體實施方式：

下面通過實施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

實施例：

本實施例的主體結(jié)構(gòu)包括外管1、內(nèi)管2、內(nèi)外管間隙3、導(dǎo)線孔4、光纖傳感器5、微型攝像頭6、端頭板7、頂板8、弧形拐角9、激光位移測距傳感器10、投光線11、電阻式微型土壓力計12、滑動墊塊13、滑動墊塊底部托板14、硅膠15和固定支架16；外管1、內(nèi)管2、端頭板7、頂板8、弧形拐角9和硅膠15組成透明雙壁管樁樁體，內(nèi)管2嵌套在外管1內(nèi)，內(nèi)管2的下部作為端頭板7，內(nèi)管2的上部通過弧形拐角9與端頭板7連接，外管1和內(nèi)管2的頂端通過頂板8剛性連接，硅膠15填充在外管1的底端和內(nèi)管2的底端之間留有的5mm空隙內(nèi)，實現(xiàn)外管1和內(nèi)管2的彈性連接，同時防止試驗過程中飽和砂土中的水進(jìn)入內(nèi)外管間隙3中；外管1和內(nèi)管2的頂部兩側(cè)對稱式預(yù)留直徑30mm的導(dǎo)線孔4，導(dǎo)線孔4的圓心與頂板8的距離為50mm，外管1和內(nèi)管2之間距離頂板8400mm和800mm處沿圓周方向分別等距安裝四個的球形結(jié)構(gòu)的滑動墊塊13，滑動墊塊13放置在滑動墊塊底部托板14上，導(dǎo)線孔4的圓心與距其最近的滑動墊塊13的球心在同一水平面的投影與管樁軸心在此水平面的投影的連線成45度夾角；激光位移測距傳感器10用固定支架16粘接在透明雙壁管樁樁體的頂部，激光位移測距傳感器10發(fā)出的激光射線與透明雙壁管樁樁體的軸線重合，激光位移測距傳感器10的絕緣電纜由透明雙壁管樁樁體上部側(cè)面處預(yù)留的導(dǎo)線孔4導(dǎo)出；在“管樁-樁側(cè)土”和“管樁-土塞”界面上的內(nèi)外管間隙3中分別安裝有兩個微型攝像頭6(其中“管樁-樁側(cè)土”和“管樁-土塞”界面是指管樁與外側(cè)的土和管樁與內(nèi)側(cè)土的接觸面)，管樁-樁側(cè)土”和“管樁-土塞”界面上的微型攝像頭6成60°交角，以獲取兩個界面處的三維數(shù)字圖像，“管樁-樁側(cè)土”的微型攝像鏡頭6由上到下等距安裝在整個透明雙壁管樁樁體樁長范圍內(nèi)，“管樁-土塞”界面的微型攝像鏡頭6等距安裝在透明雙壁管樁樁體下部約2/3處；每個微型攝像頭6的導(dǎo)線經(jīng)內(nèi)外管間隙3引到透明雙壁管樁樁體的樁頂位置處再經(jīng)導(dǎo)線孔4導(dǎo)出；內(nèi)管2外壁和外管1內(nèi)壁兩側(cè)均對稱安裝有光纖傳感器5，用于測量透明雙壁管樁樁體外側(cè)側(cè)摩阻力和內(nèi)側(cè)側(cè)摩阻力；外管1內(nèi)壁的光纖傳感器5由上到下等距安裝在整個透明雙壁管樁樁體樁長范圍內(nèi)，內(nèi)管2外壁的光纖傳感器5等距安裝在透明雙壁管樁樁體下部2/3處，每個光纖傳感器5的導(dǎo)線經(jīng)內(nèi)外管間隙3引到透明雙壁管樁樁體的樁頂位置處再經(jīng)導(dǎo)線孔4導(dǎo)出，電阻式微型土壓力計12安裝在透明雙壁管樁樁體底部，用以測量沉樁過程中以及沉樁后樁體的端承阻力；光纖傳感器5和電阻式微型土壓力計12的導(dǎo)線分別與外部的光纖光柵解調(diào)儀和3816采集箱相連后再分別連接電腦，以便實現(xiàn)試驗過程中數(shù)據(jù)的實時采集；微型攝像頭6的導(dǎo)線與外部的另一臺電腦相連，以便實時獲取“管樁-樁側(cè)土”和“管樁-土塞”兩界面的三維數(shù)字圖像。

本實施例所述內(nèi)管2、外管1、頂板8和端頭板7采用鋼化玻璃制成，透明雙壁管樁樁體的總樁長為1230mm，外管1全長1200mm，橫截面外徑×內(nèi)徑為160mm×146mm的圓環(huán)；內(nèi)管2全長1220mm，其上部和下部橫截面為不等圓，上部長度為1205mm，橫截面外徑×內(nèi)徑為128mm×114mm，下部長度為15mm，橫截面外徑×內(nèi)徑為160mm×114mm，頂板8為10mm厚的環(huán)形結(jié)構(gòu)。

本實施例所述激光位移測距傳感器10的絕緣電纜、微型攝像頭6的導(dǎo)線、光纖傳感器5的導(dǎo)線和電阻式微型土壓力計12的導(dǎo)線均采用常規(guī)設(shè)計，因此未在圖中標(biāo)出。

本實施例采用敞口可視化雙壁模型管樁試驗裝置進(jìn)行試驗的具體過程包括五個步驟：

(1)雙壁透明模型管樁的制作：按照尺寸要求，在工廠分別制作出透明度高、耐磨性好的鋼化玻璃內(nèi)管2、外管1和環(huán)形頂板8；在實驗室將準(zhǔn)備好的光纖傳感器5、電阻式微型土壓力計12和微型攝像頭6安裝在模型管樁相應(yīng)位置；然后將內(nèi)管2和外管1套在一起，頂部用環(huán)形頂板8剛性連接，底部間隙用彈性優(yōu)良的硅膠15密封；

(2)試驗準(zhǔn)備工作：采用分層法將砂土填入模型槽內(nèi)，按照試驗要求擊實到指定密實度，將模型管樁用導(dǎo)樁孔垂直放置在已裝好試驗砂土的模型槽的指定位置處；將所有光纖傳感器5、電阻式微型土壓力計12和微型攝像頭6與由光纖光柵解調(diào)儀和3816采集箱組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及電腦連接好，完成準(zhǔn)備工作；

(3)沉樁：啟動試驗所需設(shè)備，將模型管樁樁體按照按照試驗要求入到指定深度處，在沉樁過程中實時采集監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)字圖像；

(4)載荷試驗：沉樁結(jié)束后，撤去沉樁設(shè)備，模擬管樁樁體不同工況的真實受荷情況，分別給模型管樁施加水平荷載和豎向荷載，同樣實時采集再和試驗過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)字圖像。