CN110016940A - 一种基于透明土的土岩混合双排桩边坡破坏可视化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于透明土的土岩混合双排桩边坡破坏可视化装置，包括框架，所述框架的上部安装有升降平台加载仪，升降平台加载仪的一侧连接有高度可调节旋转丝杠，升降平台加载仪的一端连接有刚性连接杆，刚性连接杆的另一端连接有土岩混合双排桩边坡模型，升降平台加载仪上还设有片光发射器，框架的下部安装有光学平台，光学平台上固定设置装有浸泡液体的亚克力模型箱，框架的顶部还设有PIV数字图像采集***，PIV数字图像采集***通过传动杆与高度可调节旋转丝杠连接。本发明操作简便，数据可靠性高，可以保证工程的实际需求，为测量滑坡土体的内部变形提供参考。

Description

一种基于透明土的土岩混合双排桩边坡破坏可视化装置

技术领域

本发明涉及一种土木工程岩土领域模拟试验方法，具体是一种基于透明土的土岩混合双排桩边坡破坏可视化装置。

背景技术

现阶段的岩土工程模拟实验领域中，土岩混合双排桩边坡已经成为工程中较为常见的边坡形式，混合边坡的破坏问题日益突出，现已经成为我国铁路、公路、矿山等领域的热点话题。因此，获取实时可靠的土岩混合双排桩边坡模型的实时内部变形，实现土岩混合双排桩边坡在受到顶部荷载作用下的位移可视化显得尤为重要。

传统的室内模型试验测量只能获得土体宏观的变形和边界区域的变形，想要得到土岩混合双排桩边坡变得十分困难。国内外学者通过试验对土岩混合边坡进行了部分研究，目前可用于研究模型内部滑移的方法包括计算机轴向断层扫描(CAT)，CT扫描技术与核磁共振成像(MRI)和模拟实验。但是前两种方法现阶段存在明显缺陷，模型尺寸及模具材料要求十分苛刻，高昂的实验设备费用限制和阻碍了这些技术在工程实际中的推广，在使用这些技术的过程中直观感不强等问题也较为突出。因此，工程中需要一种基于透明土的土岩混合双排桩边坡破坏可视化装置，用于指导边坡维护，为确保土岩混合双排桩边坡稳定提供参考。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于透明土的土岩混合双排桩边坡破坏可视化装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于透明土的土岩混合双排桩边坡破坏可视化装置，包括框架，所述框架的上部安装有升降平台加载仪，所述升降平台加载仪的一侧连接有用于控制升降平台加载仪升降的高度可调节旋转丝杠，所述升降平台加载仪的一端连接有刚性连接杆，所述刚性连接杆的另一端连接有土岩混合双排桩边坡模型，所述升降平台加载仪上还设有与所述刚性连接杆相连接的片光发射器，所述框架的下部安装有光学平台，光学平台上固定设置装有浸泡液体的亚克力模型箱，在装有浸泡液体的亚克力模型箱中放置所述土岩混合双排桩边坡模型，所述框架的顶部还设有PIV数字图像采集***，所述PIV数字图像采集***通过传动杆与高度可调节旋转丝杠连接。

作为本发明进一步的方案：所述升降平台加载仪和框架之间采用螺栓连接固定，升降平台加载仪和高度可调节旋转丝杠之间焊接固定，升降平台加载仪上还外接用于实时显示压力值的压力传感器。

作为本发明进一步的方案：所述升降平台加载仪的中心部分钻设安装孔，刚性连接杆装入升降平台加载仪的中心孔，且刚性连接杆和升降平台加载仪焊接固定，所述刚性连接杆的另一端的端部外接用于对装有浸泡液体的亚克力模型箱中的土岩混合双排桩边坡模型施加荷载的压力板。

作为本发明进一步的方案：所述升降平台加载仪还连接有用于实现升降平台加载仪平衡的配重块，配重块焊接挂置于升降平台加载仪上，配重块为实验室标准重量铁块。

作为本发明进一步的方案：所述片光发射器的型号为EPS325-3W。

作为本发明进一步的方案：所述光学平台采用阻尼材料制成，光学平台为铁磁不锈钢表面，采用四角支撑结构。

作为本发明进一步的方案：所述装有浸泡液体的亚克力模型箱的四角可拆卸设有活动卡扣，浸泡液体与土岩混合双排桩边坡模型具有相同的折射率，浸泡液体按照15#白油和正十二烷质量比1：4进行混合。

作为本发明进一步的方案：所述框架的底部还安装有底座，底座和框架之间为焊接固定。

作为本发明进一步的方案：还包括有拍摄范围覆盖整个土岩混合双排桩边坡模型的CCD高速工业相机，所述CCD高速工业相机用于拍摄记录由相似材料制成的土岩混合双排桩边坡模型产生的内部毛细裂纹的三维图像。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

高度可调节旋转丝杠控制升降平台加载仪对装有浸泡液体的亚克力模型箱中的土岩混合双排桩边坡模型施加压力，在片光发射器的片光照射下，通过使用CCD高速工业相机对土岩混合双排桩边坡模型进行位移捕捉，然后通过PIV数字图像采集***实时记录土岩混合双排桩边坡模型产生的内部颗粒的位移变化，通过分析PIV数字图像采集***输出的图像和数据，从而实现土岩混合双排桩边坡破坏的可视化，同时本发明提供了不同双排桩形态都可以测得其内部的位移变形。

该装置操作简便，数据可靠性高，可以保证工程的实际需求，为测量滑坡土体的内部变形提供参考。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的使用平面图。

图中：1-高度可调节旋转丝杠，2-升降平台加载仪，3-配重块，4-框架，5-传动杆，6-PIV数字图像采集***，7-片光发射器，8-刚性连接杆，9-土岩混合双排桩边坡模型，10-装有浸泡液体的亚克力模型箱，11-底座，12-可调节角度旋钮，13-CCD高速工业相机，14-光学平台。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～2，本发明实施例中，一种基于透明土的土岩混合双排桩边坡破坏可视化装置，包括框架4，所述框架4的上部安装有升降平台加载仪2，升降平台加载仪2和框架4之间采用螺栓连接固定，所述升降平台加载仪2的一侧连接有高度可调节旋转丝杠1，连接方式采用焊接，用来控制升降平台加载仪2的升降，升降平台加载仪2上外接压力传感器可以实时显示压力值，通过控制升降平台加载仪2从而达到土岩混合双排桩边坡模型9在装有浸泡液体的亚克力模型箱10中边坡位移的变化，通过升降平台加载仪2在刚性连接杆8的作用下，模拟土岩混合双排桩边坡模型9在受到顶部荷载。

所述升降平台加载仪2的一端连接有刚性连接杆8，在所述升降平台加载仪2的中心部分钻孔，将刚性连接杆8***升降平台加载仪2的中心孔后固定，连接方式可以采用焊接，刚性连接杆8的另一端的端部外接压力板，用来对所述装有浸泡液体的亚克力模型箱10中的土岩混合双排桩边坡模型9施加荷载。

所述升降平台加载仪2还连接有配重块3，具体可以通过焊接将配重块3挂在升降平台加载仪2上，当土岩混合双排桩边坡模型9在升降平台加载仪2的外力作用下发生变形时，通过调整配重块3的重量实现升降平台加载仪2的平衡，其中，配重块3可以使用实验室标准重量铁块。

所述刚性连接杆8的另一端连接有土岩混合双排桩边坡模型9，其为可拆卸连接，可以通过更换由不同工况下土岩混合双排桩边坡模型9来模拟实际工程中不同双排桩的排列方式，双排桩的截面形状以及双排桩的前后排间距，从而实现不同排桩情况下的土岩混合双排桩边坡都可以使用本装置来观测边坡位移的内部变化。

所述升降平台加载仪2上还设有与所述刚性连接杆8相连接的片光发射器7，光源采取EPS325-3W型片光发射器，发射的激光可以实现平行均匀进行照射，达到为装有浸泡液体的亚克力模型箱10中的土岩混合双排桩边坡模型9提供片光光源；当相似材料的土岩混合边坡模型发生微小变形滑移时，土岩混合边坡的边界会发生相对错动形成毛细破裂，此时在EPS325-3W型片光发射器7的照射下，会形成不透明的孔斑，紧接着浸泡液体浸入毛细破裂并充满整个孔洞，使得不透明的孔斑消失，这样就很好的避免了由于前期破裂导致对后续边界错动产生的毛细破裂的观测值影响。

所述框架4的下部安装有光学平台14，试验将在光学平台14上进行，光学平台14采用阻尼材料，铁磁不锈钢表面，台面平整度高，采用四支撑，抗振性能好，可减少加载***和外界环境所产生的振动，提高整个模型试验的可靠度，光学平台14上固定设置装有浸泡液体的亚克力模型箱10，在装有浸泡液体的亚克力模型箱10中放置所述土岩混合双排桩边坡模型9，在装有浸泡液体的亚克力模型箱10的四角设有活动卡扣，可以将土岩混合双排桩边坡模型9固定其中，这种活动卡扣是可以拆卸的，可以保证不同试验样品可以随实验不同要求进行更替；选取与亚克力材质的有机玻璃制成的土岩混合边坡具有相同折射率的浸泡液体，浸泡液体按照15#白油和正十二烷质量比1：4进行混合，使用阿贝尔折射率测定浸泡液体的折射率为1.4585，所选择的浸泡液体不会与土岩混合边坡模型发生物理化学反应，也不发生特别明显的力学性能(如集中应力，集中应变)的变化。

所述框架4的顶部还设有PIV数字图像采集***6，所述PIV数字图像采集***6通过传动杆5与高度可调节旋转丝杠1连接，具体连接方式可以使用螺栓连接，可拆卸。

所述框架4的底部还安装有底座11，连接方式为焊接，用于支撑框架4。

如图2所示一种基于透明土的土岩混合双排桩边坡破坏可视化装置的使用平面图，包括：片光发射器7外接电源，调整片光发射器7的工作频率，设定使用波长为532nm，最大适用功率3W，使用时将片光发射器7放置在装有浸泡液体的亚克力模型箱10正前方1.5m处，调整可调节角度旋钮12为装有浸泡液体的亚克力模型箱10中的模型提供预留滑行轨道，CCD高速工业相机13放置在装有浸泡液体的亚克力模型箱10的右侧，距离80cm，拍摄范围要求覆盖整个土岩混合双排桩边坡模型9，这可以通过调节CCD高速工业相机13的焦距来实现，CCD高速工业相机13与电脑相连接，用来控制CCD高速工业相机13的拍摄速率，通过连续的LUMENERA LT425型CCD高速工业相机13拍摄记录由相似材料制成的土岩混合边坡模型产生的内部毛细裂纹的三维图像，所介绍的毛细裂纹连续不断的产生孔斑形成不透明状态，而后消失重新恢复透明状态以便后续的测量。

下面对基于透明土的土岩混合双排桩边坡破坏可视化模拟方法进行说明：试验中所采用的人工合成透明土由两部分组成，包括透明土壤和孔隙液体，基于模型试验相似率及散斑场清晰度等因素考虑，透明土壤选择的材料是熔融石英砂，熔融石英砂经过筛分选用的粒径为0.5～1mm，并确定其最大干密度为1.274克/立方厘米，而最小干密度为0.907克/立方厘米，孔隙液体采用正十二烷和15#白油按质量比1：4的混合液，这种孔隙液体的性质稳定，无腐蚀性，不会与边坡模型材料发生物理化学反应，也不发生明显的力学性能的变化；在配制透明土时，选取上述粒径的熔融石英砂，将它们清洗干净后烘干，这样可以去除材料中的杂质和水分；在室内温度环境下(25℃)，制配孔隙液体，使用2WAJ型阿尔折射仪测量孔隙液体的折射率为1.4585，熔融石英砂缓慢倾倒入浸泡液体中，并用玻璃棒不断搅拌，将土壤样品静置一天直至沉淀完全。

高度可调节旋转丝杠1控制升降平台加载仪2对装有浸泡液体的亚克力模型箱10中的土岩混合双排桩边坡模型9施加压力，在片光发射器7的片光照射下，通过使用CCD高速工业相机13对土岩混合双排桩边坡模型9进行位移捕捉，然后通过PIV数字图像采集***6实时记录土岩混合双排桩边坡模型9产生的内部颗粒的位移变化，通过分析PIV数字图像采集***6输出的图像和数据，从而实现土岩混合双排桩边坡破坏的可视化，同时本发明提供了不同双排桩形态都可以测得其内部的位移变形。

该装置操作简便，数据可靠性高，可以保证工程的实际需求，为测量滑坡土体的内部变形提供参考。

以上的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (9)

1.一种基于透明土的土岩混合双排桩边坡破坏可视化装置，包括框架(4)，其特征在于，所述框架(4)的上部安装有升降平台加载仪(2)，所述升降平台加载仪(2)的一侧连接有用于控制升降平台加载仪(2)升降的高度可调节旋转丝杠(1)，所述升降平台加载仪(2)的一端连接有刚性连接杆(8)，所述刚性连接杆(8)的另一端连接有土岩混合双排桩边坡模型(9)，所述升降平台加载仪(2)上还设有与所述刚性连接杆(8)相连接的片光发射器(7)，所述框架(4)的下部安装有光学平台(14)，光学平台(14)上固定设置装有浸泡液体的亚克力模型箱(10)，在装有浸泡液体的亚克力模型箱(10)中放置所述土岩混合双排桩边坡模型(9)，所述框架(4)的顶部还设有PIV数字图像采集***(6)，所述PIV数字图像采集***(6)通过传动杆(5)与高度可调节旋转丝杠(1)连接。

2.根据权利要求1所述的基于透明土的土岩混合双排桩边坡破坏可视化装置，其特征在于，所述升降平台加载仪(2)和框架(4)之间采用螺栓连接固定，升降平台加载仪(2)和高度可调节旋转丝杠(1)之间焊接固定，升降平台加载仪(2)上还外接用于实时显示压力值的压力传感器。

3.根据权利要求2所述的基于透明土的土岩混合双排桩边坡破坏可视化装置，其特征在于，所述升降平台加载仪(2)的中心部分钻设安装孔，刚性连接杆(8)装入升降平台加载仪(2)的中心孔，且刚性连接杆(8)和升降平台加载仪(2)焊接固定，所述刚性连接杆(8)的另一端的端部外接用于对装有浸泡液体的亚克力模型箱(10)中的土岩混合双排桩边坡模型(9)施加荷载的压力板。

4.根据权利要求3所述的基于透明土的土岩混合双排桩边坡破坏可视化装置，其特征在于，所述升降平台加载仪(2)还连接有用于实现升降平台加载仪(2)平衡的配重块(3)，配重块(3)焊接挂置于升降平台加载仪(2)上，配重块(3)为实验室标准重量铁块。

5.根据权利要求1所述的基于透明土的土岩混合双排桩边坡破坏可视化装置，其特征在于，所述片光发射器(7)的型号为EPS325-3W。

6.根据权利要求1所述的基于透明土的土岩混合双排桩边坡破坏可视化装置，其特征在于，所述光学平台(14)采用阻尼材料制成，光学平台(14)为铁磁不锈钢表面，采用四角支撑结构。

7.根据权利要求1所述的基于透明土的土岩混合双排桩边坡破坏可视化装置，其特征在于，所述装有浸泡液体的亚克力模型箱(10)的四角可拆卸设有活动卡扣，浸泡液体与土岩混合双排桩边坡模型(9)具有相同的折射率，浸泡液体按照15#白油和正十二烷质量比1：4进行混合。

8.根据权利要求1所述的基于透明土的土岩混合双排桩边坡破坏可视化装置，其特征在于，所述框架(4)的底部还安装有底座(11)，底座(11)和框架(4)之间为焊接固定。

9.根据权利要求1-8任一项所述的基于透明土的土岩混合双排桩边坡破坏可视化装置，其特征在于，还包括有拍摄范围覆盖整个土岩混合双排桩边坡模型(9)的CCD高速工业相机(13)，所述CCD高速工业相机(13)用于拍摄记录由相似材料制成的土岩混合双排桩边坡模型(9)产生的内部毛细裂纹的三维图像。