[发明专利]一种管桩沉桩过程中土塞性状变化的可视化装置

说明书

本发明提供了一种管桩沉桩过程中土塞性状变化的可视化装置，包括：激光发射器、试验用透明土、试验箱、试验箱外框架、伺服电动缸、透明管桩、定位孔、模型箱盖板、CCD工业相机、计算机和钢板；试验箱固定于试验箱外框架内；试验箱内填充有试验用透明土；模型箱盖板的中心位置设有固定和定位透明管桩的定位孔；透明管桩的一端插设在试验用透明土中；试验箱外框架上方设有钢板；伺服电动缸固定在钢板的下表面；且伺服电动缸的丝杠的工作点与透明管桩的另一端接触。本发明的有益效果是：本发明所提出的技术方案相比于现有研究的模型装置，可对管桩沉桩过程中土塞、桩端土以及桩侧土的变形特征进行实时的可视化监测，且操作简单，易于控制。

技术领域

本发明涉及管桩沉桩过程可视化领域，尤其涉及一种管桩沉桩过程中土塞性状变化的可视化装置。

背景技术

桩基础是一种承载能力高、适用范围广、历史久远的基础形式。随着生产水平的提高和科学技术的发展，桩基的类型、工艺、设计理论、计算方法和应用范围都有了很大的发展，被广泛应用于高层建筑、港口、桥梁等工程中。管桩由于应用范围广、单桩承载能力高、桩身质量易于控制，在施工过程中方便沉桩、快捷经济且在沉桩完成后易于检测监控等优点被广泛应用于各类工程中。

开口管桩沉桩过程中，部分土体挤入桩管内形成的土柱称为“土塞”。土塞效应是开口管桩区别于闭口管桩或实体桩的主要体现，也是导致前后两者承载力性状差异的主要原因。土塞的性状不仅直接关系到桩端承载力或沉桩阻力的发挥，对桩侧摩阻力亦产生显著影响。土塞效应也是静压开口管桩最为基本的特征。土塞效应的宏观表现为对管桩的承载力的影响和贯入过程难易程度的影响，其细观体现在土塞与管壁的相互作用和土塞效应与挤土效应的相互转变，其微观体现在管桩在贯入和服役期间桩土间应力分布。国外关于土塞的形成和土塞与挤土效应的联系之间研究起步相对较早，但是由于其综合性和复杂性，其理论研究还处在发展中，也是众多专家学者力图攻破的难题。目前对于管桩土塞效应的研究，主要是在管桩成桩之后，对于沉桩过程中土塞的性状研究较少，且现有研究中土体的变形是不可视的。现有的室内模型试验，大部分研究的是实心桩打桩过程中的桩端土体变化，对于管桩沉桩过程中土塞的变化研究较少。因此，本实验提出了一种管桩沉桩过程中土塞性状变化的可视化装置及方法，可以用来研究管桩沉桩过程中土塞和桩端、桩周土的变化情况，得到土体连续的位移场，将土体的位移场可视化，为管桩沉桩过程中土塞及桩端、桩周土的变形模式研究提供一种新的方法。

发明内容

为了解决现有管桩模型试验中不能很好的得到土塞性状的变化情况，且不能直接观测土塞性状的变化情况的问题，本发明提供了一种管桩沉桩过程中土塞性状变化的可视化装置，包括：激光发射器、试验用透明土、试验箱、试验箱外框架、伺服电动缸、透明管桩、定位孔、模型箱盖板、CCD工业相机、计算机和钢板；

试验箱固定于试验箱外框架内，其大小形状恰好安装于试验箱外框架上；试验箱为长方体结构，且四面和底部均封闭，上面设有模型箱盖板；试验箱内填充有试验用透明土；试验用透明土上表面均匀平整；

模型箱盖板的中心位置设有固定和定位透明管桩的定位孔；定位孔的孔径与透明管桩的外径尺寸相同；透明管桩的一端插设在试验用透明土中，另一端穿过所述定位孔伸出模型箱盖板的上表面；且透明管桩可在定位孔内滑动；定位孔的作用是防止在静压过程中透明管桩出现偏转，以保证透明管桩能够垂直压入；

试验箱外框架上方设有钢板；钢板上位于定位孔正上方的位置设有固定螺孔；伺服电动缸通过所述固定螺孔固定在钢板的下表面；且伺服电动缸的丝杠的工作点与透明管桩的位于模型箱盖板的上表面外的一端接触；实验时，伺服电动缸启动，通过伺服电动缸的丝杠的移动，进而伺服电动缸的丝杠的工作点对透明管桩加载载荷，以将透明管桩沿着定位孔垂直压入试验用透明土中；

所述透明管桩是空心的，且位于试验用透明土中的一端开口；当透明管桩沿着定位孔垂直向下压入试验用透明土中时，试验用透明土会从透明管桩的端口涌进透明管桩内部，进而在透明管桩内部形成土塞；