桩土共同作用位移应力测量装置及位移应力关系测量系统的制作方法

本实用新型涉及岩土工程模型试验设备技术领域，特别涉及一种不同嵌岩深度下桩土共同作用位移应力测量装置及不同嵌岩深度下桩土共同作用位移应力关系测量系统。

背景技术：

在深海钻井平台、高耸建筑、大型基坑工程、港口码头、抗震工程等基础建设中，桩基主要承受波浪荷载、强风荷载、土压力、水压力等水平循环荷载或水平恒载，其稳定性与桩基的嵌固深度密切相关，因此，对桩土共同作用位移应力的研究具有重要的理论和实践意义。

目前对桩土共同作用位移应力的研究是将模型桩嵌入到土样的不同深度，检测模型桩在受到相应的水平循环荷载或水平恒载时，嵌入土样的不同深度对桩土共同作用的位移应力的影响。但是，在实际构筑中，为提升桩基的稳定性，大都是将桩基嵌固到岩层中，当嵌固深度过小时，构筑物可能产生倾覆性破坏，当嵌固深度过大时，则会导致成本的急剧增加。因此，仅研究模型桩嵌入土样的不同深度对桩土共同作用的位移应力的影响，测得的位移数据与应力数据与实际构筑情况均存在较大的偏差。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：

一种不同嵌岩深度下桩土共同作用位移应力测量装置，包括箱体，内置于所述箱体的土样，嵌入所述土样的模型桩，与所述模型桩相连，提供水平荷载的水平加载设备，还包括：

内置于所述箱体，位于所述土样和所述模型桩底部的底座；其中，所述底座具有横截面与所述模型桩的横截面相同的凹槽；

位于所述凹槽中，与所述底座共同控制所述模型桩嵌入所述凹槽的深度的垫块；其中，所述垫块与所述模型桩位于同一竖直位置，所述垫块与所述模型桩的材质相同，通过调整所述底座与所述垫块的相对高度，改变所述模型桩嵌入所述凹槽的深度；

与所述模型桩的侧壁相贴合，获得所述模型桩在所述水平荷载作用下所受应力对应的应变数据的应变片；

拍摄所述土样在所述水平荷载作用下的位移图片的相机。

在本实用新型的一种具体实施方式中，所述底座包括与所述箱体固定连接的第一底座和嵌入所述第一底座的第二底座；其中，所述第二底座由可拆卸的两部分相配合形成凹槽，通过调整所述第二底座与所述垫块的相对高度，改变所述模型桩嵌入所述凹槽的深度。

在本实用新型的一种具体实施方式中，还包括：

设于所述箱体顶部的顶板，其中，所述顶板为空心顶板，所述顶板面向所述箱体底面的面板设有渗水孔；

通过水管与所述顶板相连的水箱；

通过所述水管与所述顶板和所述水箱分别相连的加压泵。

在本实用新型的一种具体实施方式中，还包括：

设于所述水管的侧壁，控制所述顶板降水量的阀门。

在本实用新型的一种具体实施方式中，还包括：

通过所述水管与所述顶板及所述加压泵分别相连的蓄水腔。

在本实用新型的一种具体实施方式中，还包括：

设于所述箱体放置所述土样的内侧壁，测量所述土样的水力梯度的孔隙压力测量设备；

则相应的，所述土样的相应位置设有与所述孔隙压力测量设备相配合的测压孔。

在本实用新型的一种具体实施方式中，还包括：

下底面与所述第一底座及所述第二底座相贴合，上底面与所述土样的最底层相贴合的滤石；其中，所述滤石包括与所述上底面相贴合的渗水土工布。

在本实用新型的一种具体实施方式中，所述水平加载设备具体由定滑轮、砝码及支撑所述定滑轮和所述砝码的铁架构成。

在本实用新型的一种具体实施方式中，所述水平加载设备具体为步进电机；

则相应的，还包括与所述步进电机和所述模型桩分别相连的荷载传感器。

一种不同嵌岩深度下桩土共同作用位移应力关系测量系统，包括：

如前所述的不同嵌岩深度下桩土共同作用位移应力测量装置、图片分析器、与所述应变片相连的电脑采集器、与所述图片分析器和所述电脑采集器分别相连的数据处理器；

所述电脑采集器，用于对从所述应变片中读取到的所述应变数据进行分析，获得当所述模型桩嵌入所述凹槽的不同深度时，所述模型桩与所述土样共同作用的应力数据；

所述图片分析器，用于对所述位移图片进行处理，获得当所述模型桩嵌入所述凹槽的不同深度时，所述模型桩与所述土样共同作用的位移数据；

所述数据处理器，用于接收所述电脑采集器发送的所述应力数据和所述图片分析器发送的位移数据；接收用户发送的数据分析指令；根据所述数据分析指令对所述应力数据和所述位移数据进行分析，获得所述模型桩嵌入所述凹槽的不同深度下，所述模型桩与所述土样共同作用的位移应力关系。

应用本实用新型实施例所提供的不同嵌岩深度下桩土共同作用位移应力测量装置，该不同嵌岩深度下桩土共同作用位移应力测量装置包括箱体，内置于箱体的土样，嵌入土样的模型桩，与模型桩相连，提供水平荷载的水平加载设备，该桩土共同作用测量装置还包括内置于箱体，位于土样和模型桩底部的底座，底座具有横截面与模型桩的横截面相同的凹槽，位于凹槽中，与底座共同控制模型桩嵌入凹槽的深度的垫块，垫块与模型桩位于同一竖直位置，垫块与模型桩材质相同，通过调整底座与垫块的相对高度，改变模型桩嵌入底座的深度，与模型桩的侧壁相贴合，获得模型桩在水平荷载作用下所受应力对应的应变数据的应变片，拍摄土样在水平荷载作用下的位移图片的相机。通过调整底座与垫块的相对高度，测量模型桩嵌入凹槽的不同深度下，模型桩与土样共同作用的位移应力，模拟桩基嵌入到岩层中的桩土共同作用情况，从而使测得的位移数据与应力数据更加准确，确定了桩基在岩层中适宜的嵌固深度，降低了成本。

本实用新型还公开了一种桩土共同作用位移应力关系测量系统，具有相应技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例中一种桩土共同作用位移应力测量装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中一种第一底座与第二底座的结构示意图；

图3为本实用新型实施例中另一种第一底座与第二底座的结构示意图；

图4为本实用新型实施例中一种第二底座与垫块的结构示意图；

图5为本实用新型实施例中一种顶板的结构示意图；

图6为本实用新型实施例中一种桩土共同作用位移应力关系测量系统的结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1，为本实用新型实施例中一种桩土共同作用位移应力测量装置的结构示意图，该装置可以包括箱体100，内置于箱体100的土样110，嵌入土样110的模型桩111，与模型桩111相连，提供水平荷载的水平加载设备，该桩土共同作用位移应力测量装置还包括：

内置于箱体100，位于土样110和模型桩111底部的底座130；

底座130具有横截面与模型桩111的横截面相同的凹槽；

位于凹槽中，与底座130共同控制模型桩111嵌入凹槽的深度的垫块101；

垫块101与模型桩111位于同一竖直位置，垫块101与模型桩111的材质相同，通过调整底座130与垫块101的相对高度，改变模型桩111嵌入凹槽的深度；

与模型桩111的侧壁相贴合，获得模型桩111在水平荷载作用下的应变数据的应变片102；

拍摄土样110在水平荷载作用下的位移图片的相机200。

本实用新型实施例所提供的桩土共同作用位移应力测量装置，包括箱体 100，该箱体100中内置有土样110，嵌入土样110的模型桩111，采取分层装土的方式，每层装土后可以用方形击实器均匀压实土层直至预定高度，确保整个箱体100中土样110的密实度相同，制备出均匀土样110，避免土样110 硬度的不均匀对测得的模型桩111的应力位移的数据准确度的影响。该装置还包括与模型桩111相连，提供水平荷载的水平加载设备。

该桩土共同作用位移应力测量装置还可以包括内置于箱体100，位于土样 110和模型桩111底部的底座130，底座130具有横截面与模型桩111的横截面相同的凹槽，凹槽具体可以设置在底座130的正中央位置。该装置还包括位于凹槽中，与底座130共同控制模型桩111嵌入凹槽的深度的垫块101，垫块101与模型桩111位于同一竖直位置，垫块101与模型桩111的材质相同，以保证模型桩111的长度不变的情况下，通过调整垫块101与底座130的相对高度，改变模型桩111嵌入凹槽的深度，模拟模型桩111嵌入凹槽的不同深度，保证水平加载设备始终连接在模型桩111上部的相同位置，不需要重复更换不同长度的模型桩111，较大地节省了材料。

该装置还可以包括与模型桩111的侧壁相贴合，获得水平加载设备施加给模型桩111相应的水平荷载时，模型桩111的应变数据的应变片102，应变片102可以均匀对称设置在模型桩111的两侧，并分为高低不同位置设置，用于测量不同深度下土样110的应变数据。该装置还包括拍摄土样110的位移图片的相机200，采用透明材料制作箱体100，相机200可以包括分布在箱体100的正上方、侧上方及正前方的三台高分辨率数字照相机，其中，位于透明箱体100正上方和侧上方的相机200用于拍摄土样110的土体表面变化，位于透明箱体100正前方的相机200用于拍摄土样110的土体剖面变化，且三台相机200同步同帧，获取桩土变形全过程，从而测得模型桩111嵌入凹槽的不同深度下，模型桩111与土样110共同作用的位移变化。

底座130具体的可以采用亚克力板进行制作，亚克力板透明度高，刚度好。

应用本实用新型实施例所提供的不同嵌岩深度下桩土共同作用位移应力测量装置，该桩土共同作用位移应力测量装置包括箱体，内置于箱体的土样，嵌入土样的模型桩，与模型桩相连，提供水平荷载的水平加载设备，该桩土共同作用测量装置还包括内置于箱体，位于土样和模型桩底部的底座，底座具有横截面与模型桩的横截面相同的凹槽，位于凹槽中，与底座共同控制模型桩嵌入凹槽的深度的垫块，垫块与模型桩位于同一竖直位置，垫块与模型桩材质相同，通过调整底座与垫块的相对高度，改变模型桩嵌入底座的深度，与模型桩的侧壁相贴合，获得模型桩在水平荷载作用下所受应力对应的应变数据的应变片，拍摄土样在水平荷载作用下的位移图片的相机。通过调整底座与垫块的相对高度，测量模型桩嵌入凹槽的不同深度下，模型桩与土样共同作用的位移应力，模拟桩基嵌入到岩层中的桩土共同作用情况，从而使测得的位移数据与应力数据更加准确，确定了桩基在岩层中适宜的嵌固深度，降低了成本。

在本实用新型的一种具体实施方式中，如图2、图3及图4所示，底座 130包括与箱体100固定连接的第一底座132和嵌入第一底座132的第二底座 133；

第二底座133由可拆卸的两部分相配合形成凹槽131，通过调整第二底座 133与垫块101的相对高度，改变模型桩111嵌入凹槽131的深度。

底座130具体的可以包括与箱体100固定连接的第一底座132和嵌入第一底座132的第二底座133，第二底座133具体由可拆卸的两部分相配合形成凹槽131，如图2所示，第二底座133的两部分拼接成的凹槽131的横截面为方形。如图3所示，第二底座133的两部分拼接成的凹槽131的横截面为圆形。如图4所示，为本实用新型实施例中一种第二底座与垫块的结构示意图。当需要调整垫块101与第二底座133的相对高度或者需要更换不同形状横截面的模型桩111时，只需要将土样110倒出后，更换第二底座133和垫块101 即可，不需要变动第一底座132，简单易操作。

当箱体100为矩形时，在第一底座132的四角可以设置有四个竖直的立柱，用于支撑土样110和模型桩111。

在本实用新型的一种具体实施方式中，该桩土共同作用位移应力测量装置还可以包括：

设于箱体100顶部的顶板300，

顶板300为空心顶板，顶板300面向箱体100底面的面板设有渗水孔301；

通过水管400与顶板300相连的水箱500；

通过水管400与顶板300和水箱500分别相连的加压泵600。

如图5所示，该桩土共同作用位移应力测量装置还可以包括设于箱体100 顶部的顶板300，该顶板300具体为空心顶板，顶板300面向箱体100底面的面板设有渗水孔301，且与箱体100为可拆卸结构，顶板300的边缘与箱体 100相贴合位置可以设置有与箱体100的上边缘相配合的沟槽302，可以避免顶板300从箱体100的顶部滑落，顶板300与箱体100为可拆卸结构。底座 130可以设置有孔隙，使得底座130具有渗水功能。通过顶板300降水来模拟海上桩基、码头桩基等经常面临较大的水头变化的情况。

该桩土共同作用位移应力测量装置还可以包括通过水管400与顶板300 相连的水箱500，通过水管400与顶板300和水箱500分别相连的加压泵600。在水管400靠近水箱500的位置可以设置有第一气压阀801，在需要使用加压泵600进行加压时，打开第一气压阀801，使用加压泵600加压后，使得水箱 500中的水进入到顶板300中，在不需要降水时，关闭第一气压阀801。

在本实用新型的一种具体实施方式中，该桩土共同作用测量装置还可以包括：

设于水管400的侧壁，控制顶板300降水量的阀门700。

如图1所示，在临近顶板300的水管400的侧壁，可以设置有控制顶板 300降水量的阀门700。根据降水量需求，通过阀门700准确的控制顶板的降水量，达到模拟施工现场不同降雨工况的效果。

在本实用新型的一种具体实施方式中，该桩土共同作用测量装置还可以包括：

通过水管400与顶板300及加压泵600分别相连的蓄水腔800。

如图1所示，该桩土共同作用位移应力测量装置还可以包括通过水管400 与顶板300及加压泵600分别相连的蓄水腔800，从而实现水的循环利用。该蓄水腔800可以具体由第一底座132、第二底座133、箱体100的底部及两底座之间的箱体侧壁构成。在水管400靠近蓄水腔800的位置可以设置有第二气压阀802，在需要使用加压泵600进行加压时，打开第二气压阀802，使用加压泵600加压后，使得蓄水腔800中的水进入到顶板300中，顶板300进行降水，通过施加不同的水力梯度来模拟不同的渗流场，实现降雨效果。顶板300和蓄水腔800通过水管400的连接处可以均设有防漏水橡胶垫圈，保证整个箱体100密封不漏水。

在本实用新型的一种具体实施方式中，该桩土共同作用位移应力测量装置还可以包括：

设于箱体100放置土样110的内侧壁，测量土样110的水力梯度的孔隙压力测量设备103；

则相应的，土样110的相应位置设有与孔隙压力测量设备103相配合的测压孔。

该桩土共同作用测量装置还可以包括设于箱体100放置土样110的内侧壁，测量土样110的水力梯度的孔隙压力测量设备103，土样110的相应位置设有与孔隙压力测量设备103相配合的测压孔，该孔隙压力测量设备103与测压孔为液密封配合，可以用玻璃胶封闭孔隙水压力测量设备103与测压孔之间的缝隙。

孔隙水压力测量设备103具体的可以是孔压传感器，利用孔压传感器可以均匀设置在箱体100放置土样110的内侧壁，实时控制土样110的水力梯度以实现所需不同的渗流场。

在本实用新型的一种具体实施方式中，该桩土共同作用位移应力测量装置还可以包括：

下底面与第一底座132及第二底座133相贴合，上底面与土样110的最底层相贴合的滤石140；

滤石140包括与上底面相贴合的渗水土工布。

如图1所示，该桩土共同作用位移应力测量装置还可以包括减少土样110 流失的滤石140，滤石140的下底面与第一底座132及第二底座133相贴合，滤石140的上底面与土样110的最底层相贴合。滤石140上底面可以设置有渗水土工布，通过设置该渗水土工布进一步的对水进行过滤，进一步对水中含有的土样110中的土颗粒进行过滤，防止土颗粒漏出，造成土样流失或实验失败。

在本实用新型的一种具体实施方式中，水平加载设备具体由滑轮121、砝码122及支撑滑轮121和砝码122的铁架123构成。

如图1所示，水平加载设备具体为由定滑轮121、砝码122及支撑定滑轮 121和砝码122的铁架123构成的恒力多级加载设备，定滑轮121安装在铁架 123上，铁架123靠在箱体100的一侧，采用砝码122对模型桩111进行多级荷载加荷。

在本实用新型的一种具体实施方式中，水平加载设备具体为步进电机 124；

则相应的，还包括与步进电机124和模型桩101分别相连的荷载传感器 104。

水平加载设备具体可以为包括步进电机124和荷载传感器104的循环加载设备。荷载传感器104位于钢丝绳上并紧靠模型桩111的上部。

相应于上面的装置实施例，本实用新型实施例还提供了一种不同嵌岩深度下桩土共同作用位移应力关系测量系统，下文描述的一种不同嵌岩深度下桩土共同作用位移应力关系测量系统与上文描述的一种不同嵌岩深度下桩土共同作用位移应力测量装置可相互对应参照。

如图6所示，该桩土共同作用位移应力关系测量系统可以包括如前所述的不同嵌岩深度下桩土共同作用位移应力测量装置106、图片分析器201、与应变片102相连的电脑采集器105、与图片分析器201和电脑采集器105分别相连的数据处理器900；

电脑采集器105，用于对从应变片102中读取到的应变数据进行分析，获得当模型桩嵌入凹槽的不同深度时，模型桩与土样共同作用的应力数据；

图片分析器201，用于对位移图片进行处理，获得当模型桩嵌入凹槽的不同深度时，模型桩与土样110共同作用的位移数据；

数据处理器900，用于接收电脑采集器105发送的应力数据和图片分析器 201发送的位移数据；接收用户发送的数据分析指令；根据数据分析指令对应力数据和位移数据进行分析，获得模型桩嵌入凹槽的不同深度下，模型桩与土样共同作用的位移应力关系。

本实用新型实施例所提供的不同嵌岩深度下桩土共同作用位移应力关系测量系统可以包括如前所述的不同嵌岩深度下桩土共同作用位移应力测量装置106，还可以包括图片分析器201，在相机200拍摄土样的位移图片后，可以将该位移图片发送给图片分析器201，图分析器201采用粒子图像测速技术 PIV对位移图片进行处理进而获得当模型桩嵌入凹槽的不同深度时，模型桩与土样共同作用时土样的三维位移，提取桩周土体任意时刻点的位移场分布规律，研究桩周土体流动规律。该系统还可以包括电脑采集器105，与应变片 102相连，构成应变量测系统，电脑采集器105获得当模型桩嵌入凹槽的不同深度时，模型桩与土样共同作用的应力数据。图片分析器201和电脑采集器 105分别将位移数据和应力数据发送给数据处理器900，数据处理器900接收该位移数据和应力数据。当用户想要获得应力和位移的关系时，可以向数据处理器900发送数据分析指令，数据处理器900接收到数据分析指令时，对应力数据和位移数据进行分析，将不同嵌固深度、相同荷载加载情况下的位移-应力曲线进行整理，得出不同嵌固深度下桩土作用机理和响应特征规律，从而获得模型桩嵌入凹槽的不同深度下，模型桩与土样共同作用的位移应力关系。也可以将不同横截面形状、相同嵌固深度、相同荷载加载情况下的位移-应力曲线进行整理，得出不同横截面形状的桩土作用机理和响应特征规律。

粒子图像测速技术是一种用多次摄像记录流场中粒子的位置，并分析摄得的图片，从而测出流动速度的方法。其基本原理是在流场中布撒示踪粒子，并用脉冲激光片光源入射到所测流场区域中，通过两次或多次曝光，粒子的图像被记录在底片上或CCD相机上。采用光学杨氏条纹法、自相关或互相关法，逐点处理PIV底片或CC记录的图像，获得流场速度分布。因采用的记录设备不同，又分别称用胶片作记录FPIV和数字式图像测速，用CCD相机作记录DPW。

需要说明的是，图片分析器201、电脑采集器105及数据处理器900运行的对位移数据和应力数据进行处理的计算机程序与现有技术相同，但是，通过在箱体中增加底座和垫块模拟实际构筑中桩基嵌固在岩层中的情况，使得测得的位移数据和应力数据更加准确。

应用本实用新型实施例所提供的不同嵌岩深度下桩土共同作用位移应力关系测量系统，该不同嵌岩深度下桩土共同作用位移应力测量装置包括箱体，内置于箱体的土样，嵌入土样的模型桩，与模型桩相连，提供水平荷载的水平加载设备，该不同嵌岩深度下桩土共同作用测量装置还包括内置于箱体，位于土样和模型桩底部的底座，底座具有横截面与模型桩的横截面相同的凹槽，位于凹槽中，与底座共同控制模型桩嵌入凹槽的深度的垫块，垫块与模型桩位于同一竖直位置，垫块与模型桩材质相同，通过调整底座与垫块的相对高度，改变模型桩嵌入底座的深度，与模型桩的侧壁相贴合，获得模型桩在水平荷载作用下的应变数据的应变片，拍摄土样在水平荷载作用下的位移图片的相机。通过调整底座与垫块的相对高度，测量模型桩嵌入凹槽的不同深度下，模型桩与土样共同作用的位移应力，模拟桩基嵌入到岩层中的桩土共同作用情况，从而使测得的位移数据与应力数据更加准确，确定了桩基在岩层中适宜的嵌固深度，降低了成本。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见装置部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本实用新型的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的技术方案及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。