[发明专利]一种基于图像捕捉的桩土界面剪切试验装置及试验方法

说明书

本发明公开了一种基于图像捕捉的桩土界面剪切试验装置，包括竖向压力伺服装置、CCD相机、空心钢管桩、扭剪装置和底座。所述竖向压力伺服装置对试验土样加载，所述扭剪装置带动空心钢管桩转动，所述CCD相机拍摄桩土接触界面图像。本发明还公开了一种桩土界面剪切试验方法。本发明通过设置模拟的空心钢管桩，能够有效模拟桩基工程中桩土的摩擦，是模型试验更加符合实际工程，同时利用PIV技术能够微观上较为真实地反映桩土界面剪切特性，避免了环剪仪观察剪切界面时曲率的影响。

技术领域

本发明涉及在完全侧限和不同轴向压力条件下研究桩土界面剪切特性的室内试验装置，具体的涉及一种利用粒子图像测速技术观察桩土界面剪切破坏机制的剪切装置及试验方法。

背景技术

随着我国经济的高速发展，对能源的需求日益增加，加之国防安全的考虑，南海海域地理位置关键且拥有丰富的自然资源，未来一段时间内南海将会兴建一大批重要的现代化工程。南海海域的钙质砂土分布广泛，这类钙质砂土特殊的工程力学性质会对建设工程造成不小的影响。

桩基础是工程建设中常用的基础形式，尤其在钙质砂土这类高压缩性地基中应用尤其广泛。桩基础在桩顶收到竖向荷载时，桩身产生轴向内力及因受到压缩而产生的相对于土的向下位移，同时桩侧表面受到土的向上的摩阻力。桩身荷载通过桩侧摩阻力传到桩周土层中。桩身上部土层的摩阻力先于桩身下部土层发挥，而摩阻力又先于端阻力发挥。由此可见，桩侧摩阻力的发挥对于单桩承载力起着决定性的作用，确定桩土界面的剪切机制是设计桩基的关键问题。

海洋桩基工程中现行的桩土界面剪切强度设计方法一般有两种:(1)根据工程经验与规范进行判断；(2)根据土层地质勘查报告中的土体强度参数进行判断。对于海洋桩基工程而言,分析桩土界面的摩擦特性，从而合理地确定桩土界面的剪切强度尤为重要。界面剪切强度将直接影响桩基承载力的大小,过高或过低地估算桩基承载力都可能会造成严重工程事故。

目前，常采用环剪仪来进行不同材料间的剪切特性试验，用以研究接触面特性并确定有关强度和变形参数，但是当采用粒子图像测速技术(PIV)来观测接触界面土颗粒的二维位移矢量场时，会受到环剪仪曲率的影响，而且环剪仪试验的桩土界面的剪切形式与实际工程中桩土界面的剪切形式差异较大。因此，研制一种能够较为准确地模拟桩土界面剪切形式，同时采用粒子图像测速技术能够较为真实的反映剪切面土颗粒位移的室内剪切装置十分必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种室内试验桩土界面剪切特性的试验装置及试验方法，能够在不同轴向压力条件下，利用粒子图像测速技术得到桩土界面的土颗粒剪应变分量，进而得到最大剪应变场。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于图像捕捉的桩土界面剪切试验装置，包括竖向压力伺服装置、CCD相机、刚性护环、空心钢管桩和扭剪装置。空心钢管桩同轴安装在刚性护环内，所述扭剪装置与空心钢管桩相连，驱动空心钢管桩转动；所述刚性护环与空心钢管桩之间的环状区域内铺填试验土样，竖向压力伺服装置位于试验土样上，给试验土样加载竖直荷载；CCD相机位于试验土样上方，镜头对准拍摄空心钢管桩与试验土样的接触界面处。

进一步地，包括一双层支架，上层开有圆孔，所述空心钢管桩嵌于所述圆孔内，扭剪装置安装在下层，与空心钢管桩下端相连，刚性护环安装在上层。

进一步地，还包括一顶板，顶板通过支撑杆水平安装在双层支架上，所述竖向压力伺服装置通过套筒与顶板相连。

进一步地，试验土样上垫有透明加载板，所述竖向压力伺服装置施加荷载作用于透明加载板上。

一种桩土界面剪切试验方法，该方法基于上述试验装置实现，包括以下步骤：

(1)利用竖向压力伺服装置5加载给试验土样加载荷载，然后启动扭剪装置转动空心钢管桩，与此同时，CCD相机实时拍摄桩土接触界面的图像；