CN110847259A - 基于piv和近景摄影技术的抗滑桩-透明土边坡体系试验装置及变形量测方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于PIV和近景摄影技术的抗滑桩‑透明土边坡体系试验装置及变形量测方法，属于岩土工程技术领域。包括光学隔振***、模型***、加载***、传统测量***、PIV测量***、近景摄影测量***。光学隔振***上方布置模型***和加载***；模型***侧面布置PIV测量***，用于测量模型内部位移及变形，模型***上部架设近景摄影测量***，用于进行模型外部坡面三维空间位移以及变形量测。本发明通过对内部任意位置切片位移、变形场，以及外部坡面空间位移场的量测，得到抗滑桩‑边坡体系的三维空间变形以及位移场；可实现所有类型的桩‑土体系的试验研究；量测效果优于传统位移计，同时也可仅采用近景非量测相机搭配刻度尺的组合实现对坡面特征点的位移测量。
Description
技术领域
一种基于PIV和近景摄影技术的抗滑桩-透明土边坡体系试验装置及变形量测方法，主要用于研究在桩体加固边坡过程中，桩-土相互作用机制和抗滑机理的研究问题，并用来指导桩体设计，属于岩土工程领域。
背景技术
由于我国幅员辽阔，地质灾害种类繁多，其中以滑坡灾害最为常见，且广泛分布于我国西南西北地区，每年因滑坡灾害都会造成大量人员伤亡和财产损失，所以关于边坡的稳定性研究及其加固措施一直是岩土工程界的研究重点。
通常加强边坡稳定性的措施分为两类：保护型措施和加强型措施。常规保护型措施包括排水、减压等措施；而加强型措施则主要为采用挡土墙、桩、锚杆等加固措施。其中抗滑桩作为一种最为常用的抗滑措施，被广泛应用在边坡稳定性加强工程中。传统抗滑桩、微桩抗滑桩和微型抗滑桩群是目前应用较为广泛的桩体类型，但是抗滑桩加固边坡的力学机制和计算理论尚不成熟，常规模型试验中土体以及桩体变形与位移难以观测，仅仅只能通过内置式传感器进行点观测，内部相互作用变形情况未知，仍旧是工程实践领先于理论研究的处境，限制了抗滑桩加固边坡以及其他抗滑结构的优化与运用。
因此，探讨能够观测内部土体变形以及桩土作用的可视化试验***显得尤为重要，在本发明专利之前，已经有相关透明土发明发表，但是都是针对竖向沉桩模型试验，配合相机和激光器仅能对模型箱内部进行切片量测。因此基于透明土技术和PIV数字测量等图像技术，开发一种可用于测量抗滑桩-透明土边坡体系相互作用时内部切片、顶部三维变形和状体变形的量测***，成为一项重要的工作。
发明内容
本变形量测***要解决的问题是克服现有模型内部***不可视以及顶部位移监测片面的缺陷，提出一种基于PIV和近景摄影技术的抗滑桩-透明土边坡体系试验装置及变形量测方法，可以较为清晰地观测抗滑桩-边坡体系土体和桩***移变形、位移矢量图和位移等值线图等变形场数据。
本发明采用的技术方案为：
一种基于PIV和近景摄影技术的抗滑桩-透明土边坡体系试验装置，包括光学隔振***、模型***、加载***、传统测量***、PIV测量***、近景摄影测量***。所述光学隔振***上方布置模型***和加载***；模型***侧面布置PIV测量***，用于测量模型内部位移及变形，模型***上部架设近景摄影测量***，用于进行模型外部坡面三维空间位移以及变形量测。通过对内部任意位置切片位移、变形场，以及外部坡面空间位移场的量测，即可得到抗滑桩-边坡体系的三维空间变形以及位移场。
所述的光学隔振***为气浮式光学试验平台1。
所述的模型***包括模型箱2、透明土4、抗滑桩5及其组件，各部件均采用透明有机玻璃制成。所述的透明模型箱2放置于气浮式光学试验平台1上方，透明模型箱2内根据试验方案预先布置抗滑桩5，之后填筑透明土4，模型箱2内部尺寸可以通过架设隔板调整，适用不同尺寸边坡。所述的模型箱2两侧布置PIV测量***，模型箱2上方布置近景摄影测量***。所述的透明土4包含多种组合，可模拟不同类型边坡。
所述的加载***位于气浮式光学试验平台1上部，用于对透明土4边坡施加压力，包括反力架6和万能试验机7。通过反力架6上部支架调整，实现万能试验机7在某个三维空间内施加等值、等速、等位移竖向荷载。所述反力架6可通过螺杆螺母配合进行平面和空间调节，且可增加其它诸如喷头等洒水装置模拟降雨环境。
所述的PIV测量***包括HeNe激光发射器8、线发生器10、PIV用CCD高速工业相机14，能够实现模型内部随意位置切片并监测位移场变化，其中，各元件支架包括激光发射器支架9、线发生器支架11、相机支架15，均通过螺杆固定于气浮式光学试验平台1上部。所述CCD高速工业相机14抗震性好，像素点高，适用于连续高速拍摄；所述HeNe激光发射器8发射稳定红色激光，通过线发生器10形成激光切片13，在透明土4内部形成激光散斑场。。
所述的近景摄影测量***包括多部近景非测量相机17、夹片式相机支架18、电脑16、十字丝19。所述夹片式相机支架18可以夹片固定于模型箱2侧壁上部，且夹片式相机支架18连接杆可进行一定范围内的角度调整。所述近景非量测相机17安装于夹片式相机支架18上方，采用普通非量测相机，小巧质轻，调焦灵活，价格便宜，近景非测量相机17与电脑16连接，通过数据处理，得到模型边坡上部的三维变形图或位移等值线图。所述十字丝19呈网格形粘贴固定于透明土4坡面，并在抗滑桩5附近适当加密网格。
所述的传统测量***包括土压力传感器20、应变片21和数据采集***22。所述的土压力传感器20沿抗滑桩5桩身布置于桩后，各土压力传感器20布置间隔为50mm，用于测量沿桩身方向土压力分布。所述的应变片21黏贴于抗滑桩5桩前桩后2侧，用于测量沿桩身的桩身弯矩分布。土压力传感器20和应变片21均通过数据采集***22与电脑16连接。所述数据采集***22收集电压信号。
一种基于PIV和近景摄影技术的抗滑桩-透明土边坡体系试验装置的变形量测方法，包括以下步骤：
1)将反力架6及万能试验机7组装固定于光学试验平台1上。
2)布设透明的模型箱2，抗滑桩5前后侧沿桩身粘贴应变片21，应变片21沿桩身间隔为20mm；同时在抗滑桩5后粘贴固定土压力传感器20，间隔为50mm。透明土4及抗滑桩5安装完成后，在模型箱2正面外部粘贴10mm×1mm网格形的模型箱监测点3以及在透明土4坡体顶部坡面粘贴十字丝19，组成的网格形监测点。
3)在模型箱2右侧固定HeNe激光发射器8，在二者中间架设线发生器10，通过调整线发生器支架11及HeNe激光发射器支架9，使得HeNe激光束12在透过线发生器10后可形成激光切片13，尺寸能够覆盖模型箱2所需测量部分。
4)在模型箱2顶部3个侧壁上分别固定夹片式相机支架18，固定近景非量测相机17，调整近景非量测相机17角度，使近景非量测相机17对准所需测量区域，保持所测区域存在80％以上面积重合。
5)HeNe激光发射器8开启，功率稳定后，在模型内部形成稳定激光散斑场，开启万能试验机7作用于坡顶，使得坡体受力均匀，通过PIV流场量测记录坡体内部土体变形及状体弯折变形，通过近景摄影测量图片解析得到桩顶及坡面土体相对位移，得到抗滑桩加固边坡时桩土相互作用三维变形量测。
6)记录土压力传感器20读数Pi，通过式(1)换算压力值PMPa，得到抗滑桩(5)后透明土的压力分布；依据公式(2)计算得到抗滑桩(5)身弯矩与抗滑桩(5)身深度变化曲线图，综上完成对边坡-抗滑桩体系模型试验全过程、三维立体变形位移场以及桩土压力的监测。
P＝Pi·k (1)
式(1)中，P为抗滑桩(5)后透明土压力；Pi为数据采集***采集电压值；k为输出电压与压力值率定系数。
M＝EI·(ε1－ε2)/h (2)
式(2)中，M为粘贴应变片测点的桩身弯矩；EI为桩的抗弯刚度；ε1为桩后测点的应变，ε2为桩前测点的应变；h为同一截面处桩后桩前应变测点的间距。
本发明的有益效果为：
(1)模型箱整体及内部桩体部件均采用透明玻璃制成，PIV量测中激光切片可设置于模型任何位置。模型箱内部尺寸可调，适用于各尺寸模型试验，不同透明土材料组合可用于模拟均值边坡或堆积体边坡等多种类型，模型抗滑桩同样采用透明有机玻璃制成，弹性模量2.98×104MPa，接近钢筋混凝土弹性模量，适用于1g模型试验或Ng离心模型试验，该模型***基本可实现所有类型的桩-土体系的试验研究。
(2)近景摄影测量***为非地形测量技术，通过引入摄影测量***，可以通过解析图像，实现对整个加载过程中模型的三维空间变形图像监测，以及位移场变化量测，量测效果大大优于传统位移计只能进行点值测量。同时也可仅采用近景非量测相机搭配刻度尺的组合实现对坡面特征点的位移测量。
(3)PIV测量***可以得到模型内部任意切片流场的变形以及位移场相关输出，近景摄影测量***则可以得到模型全加载过程中外部变形、位移场变化及图像监测，二者相搭配即可实现对模型试验全过程、三维空间变形及位移的量测。
附图说明
图1是量测***示意图。
图2是PIV测量***布置侧视图。
图3是PIV测量***布置俯视图。
图4是近景摄影测量相机布置示意图。
图5是模型坡面监测点布置示意图。
图6是土压力传感器和应变片布置示意图，其中，A为500mm，B为200mm。
附图标记说明：1气浮式光学试验平台；2模型箱；3模型箱监测点；4透明土；5抗滑桩；6反力架；7万能试验机；8HeNe激光发射器；9激光发射器支架；10线发生器；11线发生器支架；12HeNe激光束；13激光切片；14CCD高速工业相机；15相机支架；16电脑；17近景非量测相机；18夹片式相机支架；19十字丝；20土压力传感器；21应变片；22数据采集***。
具体实施方式
以下结合附图和方案进一步说明发明的具体实施方式。下述说明仅用于帮助理解本发明。在不脱离本发明原理的基础上，本领域技术人员可对该发明进行修改或改进，也将落入本发明权利要求的保护范围。
一种基于PIV和近景摄影技术的抗滑桩-透明土边坡体系试验装置，如附图所示，包括光学隔振***、模型***、加载***、传统测量***、PIV测量***、近景摄影测量***。所述光学隔振***上方布置模型***和加载***；模型***侧面布置PIV测量***，用于测量模型内部位移及变形，模型***上部架设近景摄影测量***，用于进行模型外部坡面三维空间位移以及变形量测。通过对内部任意位置切片位移、变形场，以及外部坡面空间位移场的量测，得到抗滑桩-边坡体系的三维空间变形以及位移场。
如图1所示，在气浮式光学试验平台1上架设反力架6，调整万能试验机7到一定高度。如图6所示，首先于抗滑桩5前后侧，沿桩身粘贴应变片21，应变片21为集成式全桥应变片，基底尺寸7mm×8mm，布置间隔为20mm；于抗滑桩5后侧粘贴土压力传感器20，敏感元件区域直径8mm，量程2MPa，布置间隔50mm。透明有机玻璃桩5正对相机侧粘贴通长绿色刻度标记，用于在进行PIV量测时可同时记录桩体弯曲变形。所述的气浮式光学试验平台1包括隔振主体蜂窝芯台面板、隔振支撑***、气动控制***和空气源。气浮式光学试验平台1通过气动控制***控制隔振***，自动进行水平调节。所述蜂窝芯台面板表面设有预留螺孔，可搭配螺杆固定各部件支架。空气源采用小型空气压缩机或氮气瓶供给，适用于在安静场合使用。
根据实验方案，确定抗滑桩5位置，预先固定在模型箱中2，模型箱2的尺寸为长1000mm×宽200mm×高600mm，厚度10mm。制备透明土4采用密度控制法填筑于透明模型箱2中，模型箱2架设相机侧面粘贴1cm×1cm透明塑料网格，置于万能试验机7下方。
如图2所示，在模型箱2右侧600mm处布设HeNe激光发射器8，用螺杆固定发射器支架9于平台上，HeNe激光发射器8与模型箱2中间100mm位置处架设线发生器10，HeNe激光发射器8发射稳定的632.991nm激光束12，透过线发生器10在模型箱内部与透明土颗粒折射形成切片状激光散斑场，变成激光切片13。
如图3所示，模型箱2正面400mm处用固定螺杆将相机支架15固定于试验平台1，固定CCD高速工业相机14，调整相机角度，使其正对激光切片13，调整相机支架15前后距离使得CCD高速工业相机14视角能够完整记录所需记录区域。CCD高速工业相机14连续记录照片或拍摄视频，通过数据传输线连接电脑16或通过存储设备转移数据信息至后处理笔记本16。
如图4所示，在模型箱2顶部三各侧壁固定夹片式支架18，固定小型的近景非量测相机17。调整相机视角，使3台相机角度布置具有80％以上的重叠度及相应交汇角，采用平行摄影的方式进行记录数字图像。连接近景非量测相机17与电脑16。
如图5所示，在坡面网格节点位置布置十字丝19，十字丝19由长10mm，宽1mm的绿色十字交叉纤维制成；十字丝19布置的网格尺寸为20mm×20mm。
一种基于PIV和近景摄影技术的抗滑桩-透明土边坡体系试验装置的变形量测方法，主要包括以下步骤：
1)将反力架6及万能试验机7组装固定于光学试验平台1上。
2)透明土4及抗滑桩5安装完成后，在模型箱2正面外部粘贴10mm×1mm网格形的模型箱监测点3以及在透明土4坡体顶部坡面粘贴十字丝19，组成的网格形监测点。
3)在模型箱2右侧固定HeNe激光发射器8，在二者中间架设线发生器10，通过调整线发生器支架11及HeNe激光发射器支架9，使得HeNe激光束12在透过线发生器10后可形成激光切片13，尺寸能够覆盖模型箱2所需测量部分。
4)在模型箱2顶部3个侧壁上分别固定夹片式相机支架18，固定近景非量测相机17，调整近景非量测相机17角度，使近景非量测相机17对准所需测量区域。
5)开启PIV测量***和近景摄影***相关设备，启动万能试验机进行等位移加载或者等速度加载，收集PIV相机记录变形图像信息、近景摄影图像数据；数据采集器22记录土压力传感器20读数Pi，通过式1计算压力值PMPa；通过记录桩前后测点的应变ε1、ε2，通过式2计算桩身弯矩M。综上，完成对边坡-抗滑桩体系模型试验全过程、三维立体变形位移场测量、桩土压力的监测以及桩身弯矩的测量。
Claims (3)
1.一种基于PIV和近景摄影技术的抗滑桩-透明土边坡体系试验装置，其特征在于，所述的抗滑桩-透明土边坡体系试验装置包括光学隔振***、模型***、加载***、传统测量***、PIV测量***、近景摄影测量***；所述光学隔振***上方布置模型***和加载***；模型***侧面布置PIV测量***，用于测量模型内部位移及变形，模型***上部架设近景摄影测量***，用于进行模型外部坡面三维空间位移以及变形量测；通过对内部任意位置切片位移、变形场，以及外部坡面空间位移场的量测，得到抗滑桩-边坡体系的三维空间变形以及位移场；
所述的光学隔振***为气浮式光学试验平台(1)；
所述的模型***包括模型箱(2)、透明土(4)、抗滑桩(5)，各部件均采用透明有机玻璃制成；所述的透明模型箱(2)置于气浮式光学试验平台(1)上方，透明模型箱(2)内根据试验方案预先布置抗滑桩(5)，之后填筑透明土(4)，模型箱(2)内部尺寸通过架设隔板调整，适用不同尺寸边坡；所述的模型箱(2)两侧布置PIV测量***，模型箱(2)上方布置近景摄影测量***；
所述的加载***位于气浮式光学试验平台(1)上部，用于对透明土(4)边坡施加压力，包括反力架(6)和万能试验机(7)；通过反力架(6)上部支架调整，实现万能试验机(7)在某个三维空间内施加等值、等速、等位移竖向荷载；
所述的PIV测量***包括HeNe激光发射器(8)、线发生器(10)、PIV用CCD高速工业相机(14)、各元件支架，用于实现模型内部随意位置切片并监测位移场变化，其中，各元件支架固定于气浮式光学试验平台(1)上部；所述HeNe激光发射器(8)发射激光通过线发生器(10)形成激光切片(13)，在透明土(4)内部形成激光散斑场；
所述的近景摄影测量***包括多部近景非测量相机(17)、夹片式相机支架(18)、电脑(16)、十字丝(19)；所述夹片式相机支架(18)固定于模型箱(2)侧壁上部，能够进行角度调整；所述近景非量测相机(17)安装于夹片式相机支架(18)上方，与电脑(16)连接，通过数据处理，得到模型边坡上部的三维变形图或位移等值线图；所述十字丝(19)呈网格形粘贴固定于透明土(4)坡面，并在抗滑桩(5)附近加密网格；
所述的传统测量***包括多个土压力传感器(20)、多个应变片(21)和数据采集***(22)；所述的土压力传感器(20)沿抗滑桩(5)桩身布置于桩后，用于测量沿桩身方向土压力分布；所述的应变片(21)黏贴于抗滑桩(5)桩前桩后两侧，用于测量沿桩身的桩身弯矩分布；土压力传感器(20)和应变片(21)均通过数据采集***(22)与电脑(16)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于PIV和近景摄影技术的抗滑桩-透明土边坡体系试验装置，其特征在于，所述的传统测量***中，土压力传感器(20)沿桩身间隔为50mm，应变片(21)沿桩身间隔为20mm。
3.一种权利要求1或2所述的基于PIV和近景摄影技术的抗滑桩-透明土边坡体系试验装置的变形量测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将反力架(6)及万能试验机(7)组装固定于光学试验平台(1)上；
2)布设透明的模型箱(2)、抗滑桩(5)，并于抗滑桩(5)前后侧沿桩身粘贴应变片(21)，同时在抗滑桩(5)后粘贴固定土压力传感器(20)；透明土(4)及抗滑桩(5)安装完成后，在模型箱(2)正面外部粘贴模型箱监测点(3)以及在透明土(4)坡体顶部坡面粘贴十字丝(19)，组成的网格形监测点；
3)在模型箱(2)右侧固定HeNe激光发射器(8)，在二者中间架设线发生器(10)，通过调整线发生器支架(11)及HeNe激光发射器支架(9)，使HeNe激光束(12)在透过线发生器(10)后形成激光切片(13)，尺寸能够覆盖模型箱(2)所需测量部分；
4)在模型箱(2)顶部三个侧壁上固定近景非量测相机(17)，调整近景非量测相机(17)角度，使近景非量测相机(17)对准所需测量区域，保持所测区域存在80％以上面积重合；
5)开启HeNe激光发射器(8)，功率稳定后，在模型内部形成稳定激光散斑场，开启万能试验机(7)作用于坡顶，使坡体受力均匀，通过PIV流场量测记录坡体内部土体变形及状体弯折变形，通过近景摄影测量图片解析得到桩顶及坡面土体相对位移，得到抗滑桩加固边坡时桩土相互作用三维变形量测；
6)记录土压力传感器(20)读数Pi，通过式(1)换算压力值P，得到抗滑桩(5)后透明土的压力分布；依据公式(2)计算得到抗滑桩(5)身弯矩与抗滑桩(5)身深度变化曲线图，完成对边坡-抗滑桩体系模型试验全过程、三维立体变形位移场以及桩土压力的监测；
P＝Pi·k (1)
式(1)中，P为抗滑桩(5)后透明土压力；Pi为数据采集***采集电压值；k为输出电压与压力值率定系数；
M＝EI·(ε1－ε2)/h (2)
式(2)中，M为粘贴应变片测点的桩身弯矩；EI为桩的抗弯刚度；ε1为桩后测点的应变，ε2为桩前测点的应变；h为同一截面处桩后桩前应变测点的间距。
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