本發(fā)明涉及一種土木工程土工模型試驗裝置，特別是一種可研究螺旋錨在側(cè)向作用力下所受荷載及位移變化規(guī)律的模型試驗裝置，應用于巖土工程的土工試驗。

背景技術(shù)：

螺旋錨由于其經(jīng)濟實用被廣泛的應用到輸電線塔，擋土墻以及海洋懸浮平臺，特別是對于海洋懸浮平臺必須采用能夠提供抗傾力的錨固基礎，以抵御風浪作用對懸浮式結(jié)構(gòu)造成的影響，螺旋錨由于兼具定位準確、施工時間短、對環(huán)境破壞小及經(jīng)濟性好等優(yōu)點，成為一種新的系泊深海浮式結(jié)構(gòu)的基礎形式，目前已引起國內(nèi)外海洋工程界的關(guān)注。目前多數(shù)學者對螺旋錨垂直上拔破壞進行了廣泛的研究，但是現(xiàn)實工程實踐中螺旋錨主要承受風以及波浪等側(cè)向荷載，目前對螺旋錨側(cè)向荷載研究鮮有報道。

對螺旋錨板周土體變形測量技術(shù)通常分為兩類：一類是埋設位移傳感器的接觸式測量技術(shù)；另一類是采用光學技術(shù)實現(xiàn)整個研究區(qū)域變形場的非接觸式測量技術(shù)。傳統(tǒng)機械接觸式測量技術(shù)一般使用電阻應變片作為傳感器，測點有限，難以獲取整個位移場的數(shù)據(jù)。數(shù)字圖像相關(guān)測量技術(shù)是通過ccd相機采集圖像，根據(jù)圖像變形前后的相關(guān)性來確定位移和變形的非接觸式全場光學測量技術(shù)。數(shù)字圖像技術(shù)變形量測方法一般采用標點法。標點法是在試驗模型觀測表面布置標志點或者在模型表面繪制規(guī)則網(wǎng)格，將網(wǎng)格節(jié)點作為量測點，通過計算質(zhì)心坐標來測量位移。標點法尤其是嵌入式標點法，對模型肯定存在影響，特別是對小尺寸模型影響很大，同時由于標點法在整個應用中受測點數(shù)有限影響，其測量結(jié)果準確性有待提高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就在于為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種無干擾可實時量測螺旋錨在側(cè)向作用力下所受荷載及位移的模型試驗裝置。在實現(xiàn)螺旋錨在側(cè)向荷載作用下發(fā)生抗拉破壞時、可精確地量測不同側(cè)向位移下對應的承載力、位移以及板周土體位移場變化。

本發(fā)明的目的是以下述技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種實時量測側(cè)向荷載下螺旋錨所受荷載位移的模型試驗裝置，包括透明模型箱體及支架，模型箱體內(nèi)設螺旋錨；支架上設高度可調(diào)節(jié)的升降器，升降器徑向設置供蝸桿穿過的孔，蝸桿在蝸輪的作用下可左右移動，蝸輪連接驅(qū)動裝置；蝸桿一端設拉力傳感器，拉力傳感器通過繩索與螺旋錨頂端連接，蝸桿另一端設位移傳感器；位移傳感器、拉力傳感器與測試分析系統(tǒng)連接；模型試驗裝置還包括piv測試系統(tǒng)。

所述螺旋錨包括錨片與螺旋錨桿，錨片與螺旋錨桿的設置為單節(jié)單錨、單節(jié)群錨、多節(jié)單錨或多節(jié)群錨。

升降器高度調(diào)節(jié)機構(gòu)為絲杠螺母式，進一步，升降器連接絲杠，絲杠上設置與支架固定連接的螺母。

所述蝸桿另一端設位移傳感器擋板，支架上設與位移傳感器連接的微調(diào)磁力表座。

所述蝸輪通過轉(zhuǎn)動軸與手輪或電機連接，電機與控制器連接。

所述piv測量系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩個部分，其中硬件系統(tǒng)主要由泛光燈光源、ccd高速相機、圖像采集及后處理設備組成，軟件系統(tǒng)采用德國lavision公司davis8.0系列軟件及pivview2c軟件。

所述螺旋錨桿上部設空心凹槽，繩索穿過凹槽然后通過螺母扣與拉力傳感器連接。

如上所述的模型試驗裝置的試驗方法，包括以下步驟：

（1）安裝模型箱、支架、升降器、蝸輪蝸桿系統(tǒng)；

（2）填砂，埋置螺旋錨至預定深度；

（3）通過調(diào)節(jié)升降器的高度調(diào)整蝸桿的位置，使其與螺旋錨頂端處于同一水平位置；

（4）安裝繩索、拉力傳感器、位移傳感器、測試分析系統(tǒng)及piv測試系統(tǒng)；

（5）通過驅(qū)動蝸輪，使蝸桿向右運動，對螺旋錨施加側(cè)向作用力，通過拉力傳感器、位移傳感器及piv測試系統(tǒng)，可實時量測螺旋錨抗拉破壞過程中承載力以及位移，直到預定的目標位移結(jié)束試驗；

（6）重復上述步驟1～5的試驗過程，不同的是上述步驟2土體的密實度dr、螺旋錨埋置深度h不同。

步驟（2）中采用砂雨法填砂。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的模型試驗裝置可實時量測螺旋錨抗拉破壞時對應的承載力、位移以及板周土體變形，具體優(yōu)點如下：

1.本發(fā)明試驗裝置可以很好地模擬螺旋錨在側(cè)向荷載下抗拉破壞過程，并且能很好地模擬在不同砂土密實度、螺旋錨埋深、錨板和錨片數(shù)量等工況下的受力以及位移狀態(tài)。

2.本發(fā)明試驗裝置安裝了高精度的拉力傳感器、位移傳感器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能實時精確地量測螺旋錨抗拉破壞過程所受位移和荷載的變化情況。

3.本發(fā)明試驗裝置采用無標點圖像分析法，無需在模型表面設置標識點，而是通過標準砂固有的自然紋理特征，然后利用圖像相關(guān)分析，在圖像序列間追蹤匹配網(wǎng)格坐標，從而實現(xiàn)位移場的測量，具有更高的測量精度。

4.本發(fā)明試驗裝置在模型箱正前方設置高精度的攝像機，實現(xiàn)了無干擾式測量，同時利用piv技術(shù)可以實時量測螺旋錨抗拉破壞全過程中板周土體位移圖像，實現(xiàn)了力、位移和圖像相結(jié)合的分析手段。

5.本發(fā)明模型試驗裝置操作方便，涉及的儀器構(gòu)造簡單，易于掌握。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是蝸輪蝸桿系統(tǒng)示意圖；

圖4是螺旋錨連接的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是piv測試系統(tǒng)示意圖；

圖6是單節(jié)群錨的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是多節(jié)單錨結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8是多節(jié)群錨結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

實施例一

本實施例提供的可實時量測螺旋錨在側(cè)向作用力下所受荷載及位移的模型試驗裝置，如圖1-4所示，包括螺旋錨模型箱系統(tǒng)、側(cè)向荷載加載系統(tǒng)、力和位移采集系統(tǒng)和piv測試系統(tǒng)。螺旋錨模型箱系統(tǒng)可以模擬不同工況下側(cè)向荷載螺旋錨抗拉破壞；側(cè)向荷載加載系統(tǒng)可以實現(xiàn)不同工況下螺旋錨側(cè)向受力；力和位移采集系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時采集螺旋錨側(cè)向荷載下對應的承載力和位移；piv測試系統(tǒng)可實時量測板周土體變形場的變化。

螺旋錨模型箱系統(tǒng)具體包括透明有機玻璃箱體2及支架1，箱體2內(nèi)設試驗土層，試驗土層內(nèi)設螺旋錨，螺旋錨包括錨片3及螺旋錨桿4。本實施例中玻璃箱尺寸為70cm（長）×50cm（寬）×70cm（高），箱的厚度為8mm，錨片3直徑b為50mm，錨片圓孔直徑為8mm。本實施例試驗為有側(cè)限條件的半模試驗，因此錨片3設為半個，試驗時錨片緊貼透明有機玻璃箱體2側(cè)壁，中間不能留有縫隙。本實施例中錨片與螺旋錨桿設置為單節(jié)單錨。用以測量單節(jié)單錨下螺旋錨的受力狀態(tài)，除了單節(jié)單錨，本發(fā)明提供的模型箱還可設置單節(jié)群錨、多節(jié)單錨，多節(jié)群錨。螺旋錨桿4長度為65cm，分為兩部分，頂部為長5cm空心橢圓形凹槽鋼管，下部為長60cm螺紋桿，直徑為8mm，錨片3安裝后通過螺絲與螺旋錨桿4固定。

側(cè)向荷載加載系統(tǒng)包括設置在支架1上高度可調(diào)節(jié)的升降器11，本實施例中高度可調(diào)節(jié)為絲杠螺母式調(diào)節(jié)機構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)為：升降器11連接絲杠8，絲杠上設置與支架固定連接的螺母7，通過轉(zhuǎn)動絲杠8，帶動升降器11上下移動，達到調(diào)節(jié)高度的目的；升降器11徑向設置供蝸桿10穿過的孔；蝸桿10連接蝸輪12，蝸輪12連接驅(qū)動裝置，蝸桿10在蝸輪12的作用下可左右移動，蝸桿10一端設拉力傳感器16，拉力傳感器16通過鋼絲繩6與螺旋錨桿4頂端凹槽連接，由螺母扣5進行固定，蝸桿10另一端設位移傳感器17。本實施例中，蝸桿10另一端還設位移傳感器擋板18，支架1上設與位移傳感器連接的萬向微調(diào)磁力表座20，萬向微調(diào)磁力表座20可方便靈活的調(diào)整位移傳感器角度和位置，位移傳感器擋板18在未施加荷載時與位移傳感器相接觸，此時位移為0，當有作用力時，位移傳感器擋板18可直接頂向位移傳感器17，位移傳感器17可及時同步的獲取準確數(shù)值。

蝸輪12的驅(qū)動裝置可為電力或由人力驅(qū)動，本實施例中蝸輪通過轉(zhuǎn)動軸13、聯(lián)軸器、減速機、同步帶與變速電機14連接，變速電機連接控制器，組成sdj-1型三速電動應變控制剪切儀，剪切速度分別為：1.2、2.4、3.6(mm/min)，最大剪切力為10kn。蝸輪12還可通過轉(zhuǎn)動軸與手輪連接，通過人力轉(zhuǎn)動手輪形成剪切力。

位移傳感器17、拉力傳感器16與dh3821靜態(tài)應變測試分析系統(tǒng)連接。位移傳感器17的量程為0～10cm，精度為0.1mm；拉力傳感器16的量程為0～100㎏，精度為0.05%，靈敏度為2.0mv/v。dh3821靜態(tài)應變測試分析系統(tǒng)采樣速率（連續(xù)采樣）為2hz/通道；適應應變計電阻值：半橋、全橋電阻范圍：60ω～20000ω，任意設定；應變計靈敏度系數(shù)：1.0～3.0自動修正；滿度值：±2000με；分辨率：1με；系統(tǒng)示值誤差：不大于0.5％±3με。

模型試驗裝置還包括piv測試系統(tǒng)22，如圖5所示，piv測試系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩個部分，其中硬件系統(tǒng)主要由泛光燈光源23、ccd高速相機24、圖像采集及后處理設備25等組成，ccd高速相機對準模型箱螺旋錨。軟件系統(tǒng)采用德國lavision公司davis8.0系列軟件及pivview2c軟件完成所采螺旋錨側(cè)向抗拉破壞全過程土體位移圖像的分析與展示工作。

交直流led泛光燈的額定功率30w，它既方便、實用，又能滿足實驗室條件下對光源亮度和穩(wěn)定性的要求。

ccd高速相機為德國lavision開發(fā)，它采用sony科研級芯片，分辨率為1626pixel×1236pixel，像素尺寸為4.4μm×4.4μm，曝光時間為100μs×80ms，采集速率可達200fps，同時提供了camlink專用接口，滿足了模型試驗對測量精度的要求。

上述模型試驗裝置的試驗方法，包括以下步驟：

（1）安裝模型箱、支架、升降器、蝸輪蝸桿系統(tǒng)；

（2）先在模型箱底部攤鋪5cm厚的砂土做墊層，一個實驗人員手用力拿著錨片頂著玻璃箱側(cè)壁使其緊貼，然后另外一個實驗人員采用砂雨法分層均勻攤鋪砂土（砂雨法：利用漏斗分層均勻攤鋪砂土，控制砂土的攤鋪厚度、攤鋪時的速度以及攤鋪時漏斗距底層的高度），對于松砂，填砂時控制一定的落高，并分層抹平，對于密實砂土，間隔3cm壓實一次，埋置螺旋錨至預定深度；其中松砂和密砂的相對密實度dr可分別為：24%～30%和69%～72%，同時螺旋錨的埋置深度h可為：50mm、100mm、150mm、200mm、250mm以及300mm（對應的埋深率h/b為1～6）；

（3）通過調(diào)節(jié)升降器的高度調(diào)整蝸桿的位置，使其與螺旋錨桿頂端處于同一水平位置；

（4）安裝拉力傳感器，鋼絲繩、位移傳感器、位移傳感器擋板、萬向微調(diào)磁力表座、應變測試分析系統(tǒng)；通過調(diào)整萬向微調(diào)磁力表座的方向，使位移傳感器與位移傳感器擋板相接觸；并進行拉力傳感器和位移傳感器的標定；

（5）安裝piv測試系統(tǒng)，在箱體前面對稱設置交直流led泛光燈23，并使相機對準螺旋錨；然后進行piv系統(tǒng)的標定工作；

（6）通過設定剪切力，驅(qū)動蝸輪，使蝸桿向右運動，對螺旋錨施加側(cè)向作用力，同時拉力傳感器、位移傳感器也向右運動，并將測得的拉力信息及位移信息傳遞至應變測試分析系統(tǒng)，應變測試分析系統(tǒng)可實時量測螺旋錨抗拉破壞過程中單節(jié)單錨承載力以及位移，直到預定的目標結(jié)束試驗；

（7）重復上述步驟1～6的試驗過程，不同的是上述步驟2土體的密實度dr、螺旋錨埋置深度h不同；通過設置不同砂土密實度、螺旋錨埋深下得到螺旋錨發(fā)生抗拉破壞時承載力、位移以及板周土體變形，可研究螺旋錨在側(cè)向荷載作用下發(fā)生破壞時砂土密實度、埋深率對其承載力及板周土體變形的影響。

在本實施例中，蝸桿、拉力傳感器、位移傳感器向右平動、dh3821靜態(tài)應變測試分析系統(tǒng)和piv系統(tǒng)測量同時進行，可以很好地實時量測螺旋錨承載力、位移及其板周土體的變形。dh3821靜態(tài)應變測試分析系統(tǒng)精度高，piv系統(tǒng)測量拍照速度高、照片分辨率高等有點，實現(xiàn)了力、位移和圖像的同步采集。在本實施例模型試驗裝置使用方法操作方便，易于掌握，適用于砂土、粉土及其含少量黏粒的土體模型試驗的測量。

實施例二

本實施例與實施例一基本相同，特別之處在于：

在本實施例中，如圖6所示，安裝兩個單節(jié)單錨，組成一個單節(jié)群錨，可改變兩個單節(jié)錨板間距s：0mm、50mm、100mm、150mm、200mm?？捎脕硌芯繂喂?jié)群錨發(fā)生抗拉破壞時錨板間距s對群錨承載力、位移及板周土體變形的影響。

實施例三

本實施例與前述實施例一基本相同，特別之處在于：

在本實施例中，如圖7所示，在同一錨桿上安裝兩個錨片，組成一個多節(jié)單錨，可改變兩個錨片間距h：0mm、50mm、100mm、150mm、200mm，可用來研究多節(jié)單錨在抗拉破壞時錨片間距對其承載力位移及其板周土體變形場的影響規(guī)律。

實施例四

本實施例與前述實施例三基本相同，特別之處在于：

在本實施例中，如圖8所示，安裝兩組多節(jié)單錨，組成一個多節(jié)群錨，可改變?nèi)哄^間距s：0mm、50mm、100mm、150mm、200mm，可用來研究多節(jié)群錨在抗拉破壞時群錨間距s對承載力、位移以及板周土體變形的影響。

本發(fā)明提供的采用piv測試系統(tǒng)即數(shù)字圖像關(guān)聯(lián)技術(shù)與傳統(tǒng)的模型試驗裝置相結(jié)合對單節(jié)單錨、單節(jié)群錨、多節(jié)單錨，多節(jié)群錨在不同砂土密實度以及錨板埋深率下對螺旋錨抗拉破壞過程中承載力及周圍土體的變形場進行了量化分析，通過對螺旋錨抗拉破壞過程中力和位移關(guān)系曲線以及變形場的研究確定了板周土體破壞形狀的控制因素，得出了螺旋錨抗拉破壞機理。因此，進行不同工況下螺旋錨抗拉破壞承載力以及變形場的研究對巖土工程具有重要意義。

上面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例進行了說明，但本發(fā)明不限于上述實施例，還可以根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明創(chuàng)造的目的做出多種變化，凡依據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案的精神實質(zhì)和原理下做的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，只要符合本發(fā)明的發(fā)明目的，只要不背離本發(fā)明可實時量測螺旋錨在側(cè)向作用力下所受荷載及位移的模型試驗裝置的技術(shù)原理和發(fā)明構(gòu)思，都屬于本發(fā)明的保護范圍。