一种桩周土颗粒破碎测量装置及其测量方法制造方法及图纸

发明专利技术提供一种桩周土颗粒破碎测量装置及其测量方法。该装置包括装置由试验箱体、模型桩、千斤顶和高清相机。测量方法包含染色土颗粒层布置、取样设计与方法、颗粒图像处理几部分。在试验箱中，将颗粒颜色依粒径大小而不同的土颗粒分层布设在桩底、桩侧；采用千斤顶使桩下沉、颗粒破碎。设计合理空间取样点位，并取得散体或原状样。采用高清相机对试样进行拍照，并使用图像处理软件分析颗粒破碎信息。该装置突破了较大尺寸桩周土颗粒破碎难以测量的难题，可模拟多种工况，试验操作方便，实现了对不同粒径土颗粒破碎的区分，结合现代图像处理技术信息，为研究桩土相互作用提够了丰富的参数，可供实际工程研究中桩周土颗粒破碎参考。

A Measuring Device for Soil Particle Fragmentation around Piles and Its Measuring Method

The invention provides a measuring device for soil particle breakage around piles and a measuring method thereof. The device comprises a test box, a model pile, a jack and a high-definition camera. The measurement method includes the layout of dyed soil particle layer, sampling design and method, and particle image processing. In the test box, soil particles with different particle sizes are layered at the bottom and side of the pile, and jacks are used to make the pile sink and break up. Reasonable spatial sampling points were designed and bulk or undisturbed samples were obtained. The sample was photographed by high definition camera, and the particle breakage information was analyzed by image processing software. The device breaks through the difficult problem of measuring soil particle breakage around large-sized piles. It can simulate a variety of working conditions and is easy to operate. It can distinguish soil particle breakage with different particle sizes. Combining with the information of modern image processing technology, it provides abundant parameters for the study of pile-soil interaction, which can be used as a reference for the study of soil particle breakage around piles in practical engineering.

【技术实现步骤摘要】
一种桩周土颗粒破碎测量装置及其测量方法
本专利技术涉及地基基础工程
，特别涉及一种桩周土颗粒破碎测试测量装置和方法。
技术介绍
土木工程地基处理中，桩基作为一种最为常用的深基础形式，因其具有承载力高、沉降小且均匀、使用范围广等优点而被广泛地应用于各种工程建设中。然而，桩基在竖向荷载作用下，桩与桩周土颗粒相互作用，共同承受上部结构的荷载，作用规律较为复杂，一直为地基中桩基研究的难点。为了探讨桩基在碎石、砾石、和各类砂土地基中的桩-土相互作用规律(桩周土颗粒的破碎及位移)，室内桩基模型试验是最为可靠的常用方法之一。由于构成地基土的块石、碎石(或砾、卵石)、石屑、石粉、或砂等土颗粒间常为点接触，在桩体传来的上部结构作用力下，即使施加的应力并不十分大，颗粒接触点处的应力集中也较容易导致颗粒破碎。在高应力状态下粗粒料的颗粒破碎现象通常会严重导致桩基承载力的弱化。另外，部分地基土颗粒材料本身就易发生破碎。例如，在南海工程建筑与结构的修建过程中，桩基往往穿过钙质珊瑚砂地基，在桩基传来的应力作用下，钙质砂土颗粒破碎，桩基的承载能力丧失可达一半以上，甚至导致桩基的突然下沉，上部建筑物失稳破坏。研究桩周土颗粒的破碎对评价桩土相互作用，评价对地基强度、变形及稳定性的影响，为工程实践提够设计依据和评价参数的意义重大。然而，在本专利技术之前，对桩周土颗粒破碎的研究方法并不成熟，较难研究桩-土相互作用下土颗粒的破碎规律。传统的方法主要是单纯研究土颗粒的破碎，然后利用土颗粒破碎的结果提炼出颗粒破碎参数，从而对桩基承载特性进行定性与半定量的评价。然而，该方法与实际桩-土相互作用规律差异极大。基于上述方法的不足，部分工程技术研究人员进行了较直观的桩-土颗粒相互作用微模型试验；该试验常缩尺到10-20cm尺寸级别的模型箱中进行，模型桩的尺寸仅有铅笔粗细，而土颗粒均为极细的单一粒径颗粒。微模型试验所得数据为直接的模型桩与土颗粒相互作用下的颗粒破碎结果，然而，微模型试验的尺寸过小，过大的缩尺效应极可能导致试验规律与工程实际不符；此外，采用单一粒径土颗粒与实际混合粒径土颗粒在桩-土相互作用下表现的差异也十分明显。传统的方法无法开展大尺寸桩与混合级配土颗粒相互作用下，测颗粒破碎的模型试验的原因在于：1)实际桩周填土过程中，由于填土的不均匀性，桩周各位置处土颗粒的初始级配往往是不同且未知的，故无法说明桩周颗粒的破碎情况；2)混合粒径土颗粒中，大颗粒破碎成小颗粒导致分析小颗粒的破碎量时，往往偏低；3)即使采用与实际级配不同的单一粒径土颗粒、桩周破碎后的细小颗粒亦会明显向箱底部运移，各处的破碎土颗粒混合在一起，无法识别破碎颗粒的来源粒径。此外，在传统颗粒破碎测量中，也难以取得桩周土颗粒破碎原状样。所以，在真实土颗粒级配下，反映桩周不同粒径土颗粒破碎的测量方法突破十分重要。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种桩周土颗粒破碎测量装置及其测量方法，以解决现有技术中存在的问题。为实现本专利技术目的而采用的技术方案是这样的，一种桩周土颗粒破碎测量装置，包括测试装置和图像采集装置。所述测试装置包括模型试验箱体、载荷板、反力架、若干模型桩和若干千斤顶。所述模型试验箱体布置在反力架的测试中心区。所述模型试验箱体为上端敞口的透明矩形箱体。所述模型试验箱体的内腔中分层分区填筑土体材料。所述土体材料包括混合染色土颗粒和同级配的未染色土颗粒。所述模型桩布设在土体材料中。所述模型桩的桩顶伸出土体的上表面。所述模型桩的桩身上布置有应变片，桩底埋设有土压力盒。所述土体材料的上表面和模型桩的桩顶设置有载荷板。所述模型桩桩顶处的载荷板的边角位置对称布置有两个千分表。所述反力架顶部横梁的下表面设置有千斤顶。所述千斤顶下端与载荷板紧贴。所述图像采集装置包括高清相机、试样碟和微机。所述高清相机与微机相连。试验时，所述千斤顶带动载荷板沿纵向运动进行桩周土颗粒破碎试验。试验完成后，在模型桩的桩周取样，并将土颗粒样品放入试样碟中。采用高清相机对试样碟中的土颗粒样品进行拍照。所述微机对高清相机获得的图像信息进行分析处理。进一步，所述反力架为门型反力架，包括两根立柱以及连接在两根立柱之间的横梁。所述模型试验箱体的上端敞口处具有外卷边。所述两根立柱布置在外卷边上。所述模型试验箱体的外壁上具有刻度。进一步，所述模型桩为方形截面桩、圆截面桩或X截面桩。所述模型桩采用单桩布置、4桩方形布置或5桩梅花形布置形式。进一步，所述模型桩为无缝钢管。所述应变片粘贴在无缝钢管的内壁上。进一步，所述模型桩为钢筋混凝土桩。所述应变片粘贴在钢筋混凝土桩的钢筋笼上。本专利技术还公开一种使用上述测量装置的测量方法，包括以下步骤：1)根据模拟工况，选择土颗粒材料和相应的工业染色剂。2)将土颗粒材料筛分成多个粒径组，不同粒径组的土颗粒材料染为不同颜色进行标定。3)将染色后的土颗粒材料按粒径级配比例均匀混合，制备为混合土颗粒材料。4)结合工况，在模型试验箱体的内腔中分层分区填筑混合染色土颗粒和同级配的未染色土颗粒。其中，模型试验箱体中心位置处的土体材料中布设有模型桩。5)在模型桩顶部及桩侧土体材料上表面布置载荷板。在载荷板的边角位置处对称布置两个千分表。在载荷板与反力梁之间布置千斤顶，并调试千斤顶。6)使用千斤顶分级加荷。模型桩受荷下沉，土颗粒破碎。采集模型桩贯入下沉过程中的应变、土压力和位移数据，直至桩下沉到设计的位移值。7)设计取样点位置，分层开挖土体材料。开挖到染色土颗粒层后，采用卷尺、铅锤测量染色土颗粒层沉降漏斗空间方位和桩壁处破碎土颗粒迁移位置。记录桩壁处迁移染色土颗粒方位，并取破碎迁移细颗粒样。8)采用细线定位方式确定桩四周染色土颗粒层取样点，取样自最上层染色土颗粒开始，直至取完箱底最后一层染色土颗粒。9)取土颗粒样结束后，取出模型试验桩，清理出模型试验箱内所有土颗粒。依次开展其它桩型、填土密实度和荷载值下的桩周土颗粒破碎，直至设计的所有试验结束。10)对取样所得混合染色土颗粒材料重新筛分，得到每一粒径区间颗粒含量。获得破碎后土颗粒级配曲线，得到依据最终颗粒含量分布的颗粒相对破碎率。11)将步骤14)获得的各粒径组颗粒分别置于试样碟中，采用高清相机对颗粒拍照，利用微机上程序拍照获得高清土颗粒照片。12)采用微机上图像处理软件对高清颗粒照片中不同颜色颗粒，分别进行颗粒分割、二值化处理，获取各颜色颗粒在该照片中所占面积。13)依据各颜色颗粒在图片中的面积百分比，计算确定对应颜色颗粒质量百分比，确定破碎后一定粒径区间颗粒的最初来源粒径及各粒径颗粒的相对破碎率，提出并得到综合考虑各粒径颗粒破碎重叠掩盖量的绝对破碎量。14)绘制不同桩型、填土密实度、荷载大小的桩底、桩周土颗粒破碎率的空间分布位置图，分析同一桩周位置处，不同粒径颗粒的破碎形态、破碎模式、破碎量差异等细节信息。进一步，步骤4)具体包括以下步骤：4.1)清理模型试验箱，按设计要求采用木板静压法分层铺设定级配的未染色土颗粒。4.2)间隔铺设同级配定的混合染色土颗粒和未染色土颗粒至设计高度。4.3)安放土压力盒。在土压力盒上安放模型试验桩，并在桩侧回填一定厚度的未染色土颗粒，使模型桩保持直立状态。4.4)间隔布设混合染色土颗粒和未染色土颗粒至至设计桩基埋深。进一步，步骤7)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种桩周土颗粒破碎测量装置，其特征在于：包括测试装置和图像采集装置；所述测试装置包括模型试验箱体(2)、载荷板(3)、反力架(4)、若干模型桩(6)和若干千斤顶(7)；所述模型试验箱体(2)布置在反力架(4)的测试中心区；所述模型试验箱体(2)为上端敞口的透明矩形箱体；所述模型试验箱体(2)的内腔中分层分区填筑土体材料；所述土体材料包括混合染色土颗粒(11)和同级配的未染色土颗粒(12)；所述模型桩(6)布设在土体材料中；所述模型桩(6)的桩顶伸出土体的上表面；所述模型桩(6)的桩身上布置有应变片(13)，桩底埋设有土压力盒(14)；所述土体材料的上表面和模型桩(6)的桩顶设置有载荷板(3)；所述模型桩(6)桩顶处的载荷板(3)的边角位置对称布置有两个千分表(10)；所述反力架(4)顶部横梁的下表面设置有千斤顶(7)；所述千斤顶(7)下端与载荷板(3)紧贴；所述图像采集装置包括高清相机(30)、试样碟(29)和微机(32)；所述高清相机(30)与微机(32)相连；试验时，所述千斤顶(7)带动载荷板(3)沿纵向运动进行桩周土颗粒破碎试验；试验完成后，在模型桩(6)的桩周取样，并将土颗粒样品放入试样碟(29)中；采用高清相机(30)对试样碟(29)中的土颗粒样品进行拍照；所述微机(32)对高清相机(30)获得的图像信息进行分析处理。...

【技术特征摘要】
1.一种桩周土颗粒破碎测量装置，其特征在于：包括测试装置和图像采集装置；所述测试装置包括模型试验箱体(2)、载荷板(3)、反力架(4)、若干模型桩(6)和若干千斤顶(7)；所述模型试验箱体(2)布置在反力架(4)的测试中心区；所述模型试验箱体(2)为上端敞口的透明矩形箱体；所述模型试验箱体(2)的内腔中分层分区填筑土体材料；所述土体材料包括混合染色土颗粒(11)和同级配的未染色土颗粒(12)；所述模型桩(6)布设在土体材料中；所述模型桩(6)的桩顶伸出土体的上表面；所述模型桩(6)的桩身上布置有应变片(13)，桩底埋设有土压力盒(14)；所述土体材料的上表面和模型桩(6)的桩顶设置有载荷板(3)；所述模型桩(6)桩顶处的载荷板(3)的边角位置对称布置有两个千分表(10)；所述反力架(4)顶部横梁的下表面设置有千斤顶(7)；所述千斤顶(7)下端与载荷板(3)紧贴；所述图像采集装置包括高清相机(30)、试样碟(29)和微机(32)；所述高清相机(30)与微机(32)相连；试验时，所述千斤顶(7)带动载荷板(3)沿纵向运动进行桩周土颗粒破碎试验；试验完成后，在模型桩(6)的桩周取样，并将土颗粒样品放入试样碟(29)中；采用高清相机(30)对试样碟(29)中的土颗粒样品进行拍照；所述微机(32)对高清相机(30)获得的图像信息进行分析处理。2.根据权利要求1所述的一种桩周土颗粒破碎测量装置，其特征在于：所述反力架(4)为门型反力架，包括两根立柱(401)以及连接在两根立柱(401)之间的横梁(402)；所述模型试验箱体(2)的上端敞口处具有外卷边(201)；所述两根立柱(401)布置在外卷边(201)上；所述模型试验箱体(2)的外壁上具有刻度。3.根据权利要求1所述的一种桩周土颗粒破碎测量装置，其特征在于：所述模型桩(6)为方形截面桩、圆截面桩或X截面桩；所述模型桩(6)采用单桩布置、4桩方形布置或5桩梅花形布置形式。4.根据权利要求1所述的一种桩周土颗粒破碎测量装置，其特征在于：所述模型桩(6)为无缝钢管；所述应变片(13)粘贴在无缝钢管的内壁上。5.根据权利要求1所述的一种桩周土颗粒破碎测量装置，其特征在于：所述模型桩(6)为钢筋混凝土桩；所述应变片(13)粘贴在钢筋混凝土桩的钢筋笼上。6.一种使用权利要求1所述测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据模拟工况，选择土颗粒材料和相应的工业染色剂；2)将土颗粒材料筛分成多个粒径组，不同粒径组的土颗粒材料染为不同颜色进行标定；3)将染色后的土颗粒材料按粒径级配比例均匀混合，制备为混合土颗粒材料(11)；4)结合工况，在模型试验箱体(2)的内腔中分层分区填筑混合染色土颗粒(11)和同级配的未染色土颗粒(12)；其中，模型试验箱体(2)中心位置处的土体材料中布设有模型桩(6)；5)在模型桩(6)顶部及桩侧土体材料上表面布置载荷板(3)；在载荷板(3)的边角位置处对称布置两个千分表(10)；在载荷板(3)与反力梁之间布置千斤顶(7)，并调试千斤顶(7)；6)使用千斤顶(7)分级加荷；模型桩(6)受荷下沉，土颗粒破碎；采集模型桩(6)贯入下沉过程中的应变、土压力和位移数据，直至桩...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁选明，彭宇，邓鑫，崔春义，邓玮婷，陈信升，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50