[发明专利]一种基于CT扫描的单桩承载机理物理模型试验装置

说明书

技术领域

本发明涉及土木工程土工模型试验仪器技术领域，具体的为一种基于CT扫描的单桩承载机理物理模型试验装置。 

  

背景技术

公知，对于单桩承载机理的研究，可分为数值模拟、现场试验和室内模型试验，数值模拟是基于试验基础上的一种扩展与提升，离不开试验手段的支撑，而现场试验的费用高、周期长、难度大，开展现场试验在实际工程中是难以普及的，因此，室内模型试验是研究单桩承载机理的一种非常有意义的、值得推广的经济可行的研究手段。 

桩基室内模型试验一般不能看到桩土相互作用的过程及破坏形态，难以得到真正意义上的单桩承载机理。为了实现室内模型试验的可视化，已有的研究一般是通过采用透明土或半模试验的方式。透明土的方法存在材料相似性问题，一般仅限于砂土的模拟；半模试验是将桩体模型取一半，透过玻璃进行桩土相互作用的观测，但存在一定程度的边界影响，难以得到真实的承载机理。 

室内模型试验一般都经过了原型缩尺，缩尺引起的土层厚度变小，导致模型土的应力场难以反映原位自重应力，现有的模型试验装置要么不反映原位应力场，要么采用气囊、堆载或刚性支架等方式对土体进行加载。气囊加载的压力范围有限，压力超过300kPa时气囊容易应力集中而破损，成功率难以保证；堆载方式需要的试验空间大，操作不方便，压力范围更低；刚性支架加载方式施加的荷载可以较大，但存在加载偏心，土体受力不均匀的问题。此外，现有的模型试验装置均没有针对模型桩加载时的垂直度进行控制，应从模型桩预埋、桩周土填实、加载端接触方式、加载时的导向控制等方面进行改进。 

因此，研制精确、经济、实用的能反映原位自重应力场，实现可视化的单桩承载机理物理模型试验装置显得尤为迫切与重要。 

  

发明内容

本发明为了解决上述的技术问题，提出了一种基于CT扫描的单桩承载机理物理模型试验装置。 

本发明的技术方案是：一种基于CT扫描的单桩承载机理物理模型试验装置，包括：测量单元、模型桩、和依次连接的桩顶荷载加载单元、桩周土加载单元、土料储藏室，所述的测量单元与桩顶荷载加载单元和桩周土加载单元连接，所述的模型桩运动的贯穿于桩周土加载单元，其顶部与桩顶荷载加载单元刚性连接，底端嵌入土料储藏室的土层内。 

所述的桩顶荷载加载单元、桩周土加载单元、土料储藏室由底板和立柱支撑，所述的底板中部开有一放置土料储藏室的底板凹槽，所述的立柱固定在底板上。 

所述桩顶荷载加载单元包括固定在立柱上并依次连接的上反力板、千斤顶、带窝槽顶板和球头套。 

所述桩周土加载单元包括固定在立柱上依次连接的下反力板、空心千斤顶和传压板。 

所述的模型桩为紧固合拢的对开铝管，所述的对开铝管顶部开有内设应变片的U型槽，对开铝管顶部置于球头套中。 

所述的桩顶荷载加载单元、桩周土加载单元内设有百分表，所述的百分表一端固定在百分表支架上，所述的百分表支架平行固定在立柱上，所述桩顶荷载加载单元中的百分表探头端抵在模型桩表架上，所述的模型桩表架平行套在模型桩外；所述桩周土加载单元内的百分表探头端抵在垂直于传压板的传压板表架上。 

所述的下反力板上设有与模型桩匹配的第一滚珠轴承，所述的传压板上设有与模型桩匹配的第二滚珠轴承。 

所述的测量单元包括与应变片连接的采集器、分别与千斤顶和空心千斤顶相连的0.4级精密压力表。 

所述的土料储藏室和立柱之间设有固定土料储藏室的凸字型支撑架。 

所述的土料储藏室为尼龙材料制作而成的桶状结构。 

本发明的有益效果是： 

 1. 本发明可以结合现有的医用CT扫描机，实现对单桩受竖向荷载的变形分布与发展过程及破坏形态的细观可视化研究，揭示单桩承载机理。

2. 本发明可以对桩周土进行加载，模拟土体埋深的自重应力场，在传压板的内、外导向作用下保证了土体为竖向受力，且桩周土可以利用桩周土加载系统静压法制备，模型桩为预埋，保证了桩土接触面状态良好，且制样过程中模型桩保持良好的垂直度；模型桩受滚珠轴承的水平限位，只能发生竖向运动，在无摩擦影响的条件下，使模型桩在竖向荷载作用下始终保持垂直。 

3. 本发明的模型桩应变片及导线埋设在铝管内壁，一方面避免了应变片和导线对应力分布产生影响，另一方面，保护应变片与导线在试验过程中不受破坏，避免外界电磁信号对其干扰，提高了测量的精度与稳定性。