[发明专利]基于PIV技术的二维桩土相互作用试验系统及试验方法

说明书

本发明涉及一种基于PIV技术的二维桩土相互作用试验系统及试验方法，包括可控制振动力幅值和振动频率的二维振动生成结构，其布设在平面上，还包括运用PIV技术的数据采集处理模块，其通过数据线与二维振动生成结构实现通信连接；本发明能够直接或间接改变振动频率、力幅值、桩基刚度、桩基埋深、土体饱和度和均匀性，并研究上述因素对于土体运动的影响；同时，还能够采取非接触式手段量测土体颗粒运动过程，不破坏原状土。

技术领域

本发明涉及一种基于PIV技术的二维桩土相互作用试验系统及试验方法，属于海上风机桩基结构动力特性室内模型试验设备技术领域。

背景技术

风能蕴量巨大、分布广泛、可再生、污染较小，发展前景广阔。我国的风能总储量约32.26亿kW，其中可开发的风能约10亿kW。从风能来源的角度，可将风能分为陆上风能和海上风能。其中，海上风能相对于陆上风能资源储量大，不占用耕地，噪音污染小。近年来，在推广可持续发展的背景下，我国海上风电项目随着我国外海工程施工能力大幅提升正在稳步推进中。

尽管上海东海大桥海上风电、江苏如东潮间带试验风电等多个项目业已投入生产，但是海上风机所特有的自身振动和复杂海况下的桩土共同作用机理研究却仍在起步阶段。研究表明，当海上风机下部泥面由于桩土作用而被掏空、下降时，振动频率改变可能产生的共振会影响结构的承载力和耐久性，甚至带来毁灭性后果，因此相关研究对于工程设计也具有指导意义。

振动下桩基础与桩周土产生的桩土作用三维性明显，而且影响因素众多，比较复杂。此外，目前对于此类试验观测只能在振动结束后移开桩基，并剖开土层进行，一方面这易对原状土产生扰动，影响试验结果，另一方面，这种方法仅仅能够观测桩基振动前、后土体的两种状态，无法研究振动过程中土体颗粒的运动情况。

因此有必要开发一个针对此课题的试验系统及其操作方法，能够简化桩基础与其周围土互相作用研究难度，并且观测时不能对于土体产生扰动。此外，为深入分析、掌握土体运动机理，还应能够捕捉土体颗粒在桩基运动下的整个运动过程。

针对上述桩土作用三维性明显的问题，根据Zorzi G等人发表的研究成果(ZorziG,Baeβler M,Gabrieli F.Influence of Structural Stiffness on RatchetingConvection Cells of Granular Soil under Cyclic Lateral Loading[J].ProcediaEngineering,2017,175:148-156.)，从土体运动结果来说，将三维桩基础二维化化为长方板之后进行振动试验，二者振动后土体颗粒终态分布具有相似性，推测二者影响因素和运动过程亦均有一定相似性。将桩基二维化后，三维问题将转化为平面问题，一定程度上降低了三维桩土作用研究难度。另外，还可通过二维试验确定对于实际三维桩土作用影响较大的变量，甚至可通过其量化的结果推测实际三维桩土作用的土体颗粒运动速度等物理量的公式结构，为三维桩基桩土作用量化打下基础。

此外，针对三维桩土作用测量困难的问题，若将桩基二维化，则桩土作用体现将在一个平面上，可利用非接触式的量测手段——PIV技术对其进行量测。

PIV(Particle Image Velocimetry，粒子图像测速)技术的原理是通过不同示踪粒子反射产生的光强信号，通过互相关运算追踪粒子，通过两张不同时刻拍摄的照片中粒子的位移确定粒子的运动速度。该方法不破坏原状土，并可追踪桩周土颗粒在整个运动过程中特性，绘制出速度矢量图等直观的信息以供后续研究使用。

发明内容

本发明提供一种基于PIV技术的二维桩土相互作用试验系统及试验方法，能够直接或间接改变振动频率、力幅值、桩基刚度、桩基埋深、土体饱和度和均匀性，并研究上述因素对于土体运动的影响；同时，还能够采取非接触式手段量测土体颗粒运动过程，不破坏原状土。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：