基于PIV技术实时量测吸力的非饱和土静力触探试验装置

基于piv技术实时量测吸力的非饱和土静力触探试验装置
技术领域
1.本发明属于岩土力学与工程试验装置技术领域，具体涉及基于piv技术实时量测吸力的非饱和土静力触探试验装置。


背景技术：

2.静力触探是一种重要的原位测试技术，其主要是获得锥尖阻力、侧摩阻力及摩阻比等参数，来实现划分土层、提供地基承载力、选择桩端持力层和预估单桩承载力等作用，适用于铁路、高速公路、地铁等大范围工程的勘察设计。但由于现场试验成本较高，且对于埋藏较深的土层贯入试验难度较大，故我们着手研究开发室内静力触探试验装置。其优点是可以通过贯入阻力来衡量土体的强度指标，能获得沿深度方向的一条线的数据，这相比于常规直剪、三轴和无侧限抗压试验等单元体试验获得数据更加丰富。且受降雨和蒸发的影响，工程中的土体绝大部分都是非饱和土，水分含量沿深度方向是变化的，使用该装置能够模拟土体的天然状态和干湿循环过程，使其更符合工程实际。
3.为了定量描述贯入过程中土体中水量变化，国内外许多学者开始了研究测量土体含水量的装置，如研发了能够测量电阻率的探头和能测量土壤含水量的光纤等等，却很少有考虑其土体吸力值的装置。吸力作为土体内部的应力状态量，是非饱和土中水-土耦合的重要力学参数，能够更加真实的反应土体强度的变化过程，对土体强度的预测也更为可靠，研究吸力对土体贯入阻力的影响，具有一定的理论指导意义和工程实践意义。
4.目前可以通过轴平移控制技术、蒸汽平衡法、湿度计法、滤纸法、张力计法来测量吸力，但针对于直接量测贯入过程中的吸力，张力计有很好的适用性。张力计体形小、易携带、灵敏度高、可直接测量吸力值，但普通张力计的腔体内水体在高张拉力作用下容易发生气蚀，导致其不能测量高吸力，其量程范围仅为0-90kpa。为了防止气蚀，本装置在原有张力计的基础上加装了一个小体积的储水器，使其测量的吸力值可达2.6mpa。
5.对此，本发明介绍了基于piv技术能够实时量测吸力的非饱和土静力触探试验装置。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供基于piv技术实时量测吸力的非饱和土静力触探试验装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
7.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：基于piv技术实时量测吸力的非饱和土静力触探试验装置，包括固定在基面上的框架，所述框架中间活动连接有加载移动梁，所述加载移动梁底侧连接有传感器和贯入机构，所述传感器和贯入机构分别与数据采集器信号连接；
8.所述基面上在贯入机构下方设置有透明模型箱，所述透明模型箱前方两侧设置有泛光灯，且在所述透明模型箱前方设置有一个第一ccd高速相机，在所述透明模型箱上方交错的设置有两个第二ccd高速相机，所述基面上在透明模型箱一侧还设置有davis图像采集
处理器，所述davis图像采集处理器用于捕捉裂缝的位移，所述davis图像采集处理器和数据采集器还分别信号连接有计算机。
9.进一步的，所述透明模型箱具体为透明的上方设置有开口的箱体，且在所述透明模型箱内放置有试验土体，所述透明模型箱的一侧等间距的设置有延伸至透明模型箱内的张力计，所述透明模型箱的另一侧等间距的设置有延伸至透明模型箱内的光纤，所述光纤信号连接有光纤调解器，所述光纤调解器与计算机之间信号连接。
10.进一步的，所述透明模型箱一侧开始有多组小孔，所述张力计通过透明模型箱一侧的小孔延伸至试验土体内，所述光纤布设在透明模型箱的内壁设有的刻槽中。
11.进一步的，所述张力计包括张力计主体与张力计帽，所述张力计主体内靠近透明模型箱的一侧安装有多孔陶土板，所述张力计主体内靠近多孔陶土板的一侧设置有储水器，所述张力计主体中间设置有隔膜，所述隔膜的另一侧设置有应变片，所述张力计帽套接在张力计主体的另一侧。
12.进一步的，所述贯入机构包括探头、探杆、套筒、孔压传感器、力传感器、应变计和信号装置，所述探头为圆锥体且其固定在探杆底端，所述探杆外设置有套筒，所述孔压传感器设在探头的内侧，所述套筒内表面附有对称布置的力传感器和应变计，所述孔压传感器、力传感器、应变计通过信号装置与数据采集器之间信号连接。
13.进一步的，所述探头具体圆锥体，所述探杆为圆柱状。
14.进一步的，两个所述第二ccd高速相机在透明模型箱两侧呈中心对称布设。
15.进一步的，所述第一ccd高速相机和第二ccd高速相机具体为分辨率为1626pixel
×
1236pixel，像素尺寸为4.4μm
×
4.4μm，曝光时间为100μs
×
80ms，采集速率可达200fps的高速相机。
16.进一步的，所述第一ccd高速相机和第二ccd高速相机上还分别设置有camlink专用接口。
17.本发明与现有技术相比具有以下优点：
18.1、本发明发明结构简单，操作方便，通过设置加载移动梁，贯入机构、数据采集器和透明模型箱，不仅可以模拟贯入过程，也可以模拟压桩过程，精度高、调速范围宽、结构紧凑、操作方便、性能稳定，能够严格控制贯入速率；本发明可以量测加载系统端的总阻力，可以通过总阻力的值来核对和修正端阻力、侧阻力。
19.2、发明不仅可以测量贯入过程中的探头处的端阻力，还能测量探杆处的侧阻力和孔隙水压力，可以通过davis图像采集处理器对ccd高速相机拍摄贯入过程图片进行处理，并得到土体表面的位移场、应变场和剪切场，同时可以实时观测土体表面的位移、应变和裂缝的产生和发展过程，对研究土体裂缝的产生和发展有着重要意义。
20.3、本发明可以通过一组张力计沿深度方向埋设来实现实时量测贯入过程中的土的吸力值，简单高效，可以通过透明模型箱内壁的设有的光纤来对土体含水量进行实时量测，便捷实用。
附图说明
21.图1是本发明整体结构示意图。
22.图2是本发明透明模型箱结构示意。
23.图3是本发明贯入机构结构示意图。
24.图4是本发明张力计结构示意图。
25.图5是本发明第二ccd高速相机布设位置俯视图。
26.1-框架；2-加载移动梁；3-传感器；4-数据采集器；5-贯入机构；6-泛光灯；7-第一ccd高速相机；8-第二ccd高速相机；9-davis图像采集处理器；10-计算机；11-张力计；12-光纤13-光纤调解器；14-透明模型箱；15-探头；16-探杆；17-套筒；18-孔压传感器；19-力传感器；20-应变计；21-信号装置；22-张力计主体；23-多孔陶土板；24-隔膜；25-储水器；26-应变片；27-张力计帽；28-试验土体。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
28.如图1-5所示，本发明提供一种技术方案：基于piv技术实时量测吸力的非饱和土静力触探试验装置，包括固定在基面上的框架1，所述框架1中间活动连接有加载移动梁2，所述加载移动梁2底侧连接有传感器3和贯入机构5，所述传感器3和贯入机构5分别与数据采集器4信号连接；
29.所述贯入机构包括探头15、探杆16、套筒17、孔压传感器18、力传感器19、应变计20和信号装置21，所述探头15具体圆锥体，所述探杆16为圆柱状，所述探头15为圆锥体且其固定在探杆16底端，所述探杆16外设置有套筒17，所述孔压传感器18设在探头15的内侧，所述套筒17内表面附有对称布置的力传感器19和应变计20，所述孔压传感器18、力传感器19、应变计20通过信号装置与数据采集器4之间信号连接。
30.所述基面上在贯入机构5下方设置有透明模型箱14，所述透明模型箱14一侧开始有多组小孔，所述张力计11通过透明模型箱14一侧的小孔延伸至试验土体28内，所述光纤12布设在透明模型箱14的内壁设有的刻槽中。
31.所述透明模型箱14具体为透明的上方设置有开口的箱体，且在所述透明模型箱14内放置有试验土体28，所述透明模型箱14的一侧等间距的设置有延伸至透明模型箱14内的张力计11，所述透明模型箱14的另一侧等间距的设置有延伸至透明模型箱14内的光纤12，所述光纤12信号连接有光纤调解器13，所述光纤调解器13与计算机10之间信号连接。
32.所述张力计11包括张力计主体22与张力计帽27，所述张力计主体22内靠近透明模型箱14的一侧安装有多孔陶土板23，所述张力计主体22内靠近多孔陶土板23的一侧设置有储水器25，所述张力计主体22中间设置有隔膜24，所述隔膜24的另一侧设置有应变片27，所述张力计帽27套接在张力计主体22的另一侧。
33.所述透明模型箱14前方两侧设置有泛光灯6，且在所述透明模型箱14前方设置有一个第一ccd高速相机7，在所述透明模型箱14上方交错的设置有两个第二ccd高速相机8，两个所述第二ccd高速相机8在透明模型箱14两侧呈中心对称布设。
34.所述第一ccd高速相机7和第二ccd高速相机8具体为分辨率为1626pixel
×
1236pixel，像素尺寸为4.4μm
×
4.4μm，曝光时间为100μs
×
80ms，采集速率可达200fps的高
速相机。
35.所述第一ccd高速相机7和第二ccd高速相机8上还分别设置有camlink专用接口
36.所述基面上在透明模型箱14一侧还设置有davis图像采集处理器9，所述davis图像采集处理器9用于捕捉裂缝的位移，所述davis图像采集处理器9和数据采集器4还分别信号连接有计算机10。
37.使用时，将试验土体28放置在透明模型箱14内，通过计算机10控制加载移动梁2的竖向位移来对贯入机构5施加一个恒定的贯入速率，其施加的总阻力和位移通过设在传感器3内的力传感器和位移传感器通过数据采集器4传递给计算机10。
38.贯入机构5受到力的作用后，开始向下移动，当探头15接触到试验土体28之后，受外界力的作用，圆锥体底部的孔压传感器18能够测量静力触探过程中的锥尖的孔隙水压力，套筒内壁的力传感器19能够测量静力触探过程中的锥尖端阻力，应变计20能够测量静力触探过程中套筒侧壁的侧阻力。
39.与此同时，在泛光灯6的照射下位于透明模型箱14正前方的第一ccd高速相机7和上方的第二ccd高速相机8能够清晰拍摄土体表面在贯入过程中的微观变化，再通过计算机10利用davis图像采集处理器9分析在贯入过程中所拍摄的图片，可以得到土体表面的位移、应变和裂缝的产生和发展的变化过程。
40.并且在贯入过程中，位于透明模型箱14不同高度的光纤12、张力计11来量测土体各层的含水率、吸力。
41.本发明是通过以下方式来实现实时量测贯入过程中土体含水率、吸力值变化的，首先我们在透明模型箱14内左侧刻槽内布设一组光纤12，然后分层填筑试验土体28时，在每层土体沿深度方向埋设一组张力计11，假设埋设吸力计11的那层土体的含水率和吸力值是一致的，可以通过在贯入过程中探头15锥尖所在的土层的光纤12和张力计11读数来衡量锥尖处土体的含水率和吸力，并将光纤12和张力计11所测量的含水率和吸力值传递给调节器并反馈给计算机10，通过计算机10内预设的软件得出贯入过程中探头15锥尖处土体的吸力值变化。
42.实验例1，研究干密度对土体强度的影响
43.a.将透明模型箱14放置在贯入机构5的下方，在透明模型箱14一侧内壁刻槽布设光纤12，分3层击实试验土体28，每层厚20cm，使其干密度在1.4g/cm3，并在两层接触面进行刨毛处理，并且通过透明模型箱14侧边的小孔插入张力计11，注意张力计11不应插入太长，避免被探头15贯穿，张力计11在使用之前，应施加至少1.5mpa的预压力进行24h的真空饱和，并且土体吸力不能太大，以免超过其量程。
44.b.调整泛光灯6和第一ccd高速相机7和第二ccd高速相机8的角度，使在计算机10中展示的所摄区域清晰明亮。并且将第一ccd高速相机7和第二ccd高速相机8与davis图像采集处理器9相连，并在计算机10中调试和设拍照频率和像素等参数。
45.c.将贯入机构5安置在加载移动梁2下的圆盘上，并通过计算机11控制加载移动梁2的向下移动的速率以控制贯入速率，检查传感器3的线路连接，并使贯入机构5的锥尖缓慢下移使其恰好与透明模型箱14中的试验土体28表面接触，此时在计算机中对各项数值清零，试验准备结束，准备开始试验。
46.d.试验开始前一分钟，打开piv测试系统开始拍照，使其能够捕获到土体贯入前的
状态。计算机10通过daxis图像采集处理器9将第一ccd高速相机7和第二ccd高速相机8所拍摄的图片进行处理方便试验过后的结果分析。
47.加载移动梁2匀速下降使贯入机构5以恒定的速率贯入土中，其贯入机构5中的信号装置21将所测的探头15锥尖端阻力、孔隙水压力和套筒17侧壁侧阻力传递给数据采集器4，并且位于加载移动梁2下的传感器3将位移和总阻力也传递给数据采集器4，数据采集器4再将数据反馈给计算机10，当其贯入到试验所设定的贯入深度时，保存数据，关闭万能试验机加载系统，piv测速系统。
48.e.将土体干密度分层填筑成1.5g/cm3,重复上述步骤。
49.f.将土体干密度分层填筑成1.6g/cm3,重复上述步骤。
50.实验例2，模拟自然条件下的蒸发对土体强度的影响
51.本实例与实验例1的不同之处在于：当在透明模型箱14内分层填筑试验土体28之后，为模拟自然条件下的蒸发对土体强度的影响，使其自然放置所设定的时间，然后由于土体在水分蒸发之后，其吸力值会变大，当土体吸力大于其量程时，应及时将张力计11拔出，并用玻璃塞堵住透明模型箱14侧面的小孔。
52.实验例2，研究干湿循环对土体强度的影响
53.本实例与实验例1的不同之处在于：当在透明模型箱14内分层填筑试验土体28之后，为达到其自然条件下的干湿循环工况，采用自然蒸发使其干燥，并在试验土体28表面均匀喷洒蒸馏水使其湿润，重复上述操作试验土体到达目标干湿循环次数，然后在开始试验，注意的是，在干湿循环过程中不应插入张力计11，只需在透明模型箱15左侧布设光纤12来监测其土体含水量变化。
54.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
55.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。