[发明专利]离心条件下群桩透明土模型实验装置及其实验方法

说明书

本发明涉及一种离心条件下群桩透明土模型实验装置，包括离心机、吊篮、实验槽和观察及检测装置；所述离心机包括平衡配重、旋转主轴、机座和转臂，所述旋转主轴衔接于机座，平衡配重设置在旋转主轴左侧，转臂设置在旋转主轴右侧；所述吊篮通过关节轴承与转臂相连接；所述实验槽内置于吊篮中。本发明的有益效果是：本发明摒弃透明土实验技术常用的风机式激光器，采用体积更加紧凑的、功率可调的小型固态激光模块，并将激光模块靠近离心机的旋转主轴的方位安装，最大程度地减小离心力对激光模块的影响，确保激光模块正常工作，产生稳定激光束。

技术领域

本发明涉及一种土体内部三维变形可视化领域，特别涉及一种离心条件下群桩透明土模型实验装置及其实验方法。

背景技术

传统的室内模拟实验测量只能获得土体宏观的变形和边界区域的变形。为了能够直观的观测到土体内部变形、渗流等现象，在20世纪90年一种具有与天然土体相似性质的透明土壤被人工合成出来。之后透明土迅速在岩土工程物理模拟实验中得到广泛的应用，使得非侵入连续观测土体内部任意点的变形成为可能，并可以有效避免传统的观测方法对实验结果的干扰。在传统土工离心机透明土非侵入可视化实验中，它是通过观察窗以半空间对称的方式进行土-结构变形观测的，并使用数码相机和数字图像处理技术，测量土体变形。然而，该实验技术仍旧存在一定的局限性，在该实验中激光束由风机式激光器发射出来，但是风机式激光器体积大，容易对离心机造成较大的负担，比如离心机需要采用大功率才能将风机式激光器和群桩实验装置一同旋转起来，在这个过程中对离心机造成较大的负荷，其次在离心机的作用下，风机式激光器无法产生稳定的激光束，这将会导致实验数据产生误差，从而影响实验的进行；另一个方面，在平面应变模型实验技术中产生的激光束覆盖面积太小，无法在透明土上形成理想的散斑面，从而无法获取精确的实验数据；另外传统的土工离心机群桩实验中只能通过数码相机和数字图像处理技术得到土体的二维变形场，但是无法得到群桩的三维变形场。

因此，目前亟需寻求一种体积小且能够产生稳定激光束的激光器、激光束在土体中形成大面积散斑面及采用相应技术获得群桩的三维变形场的群桩透明土模型实验装置显得极为重要。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种离心条件下群桩透明土模型实验装置及其实验方法。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

这种离心条件下群桩透明土模型实验装置，包括离心机、吊篮、实验槽和观察及检测装置；所述离心机包括平衡配重、旋转主轴、机座和转臂，所述旋转主轴衔接于机座，平衡配重设置在旋转主轴左侧，转臂设置在旋转主轴右侧；所述吊篮通过关节轴承与转臂相连接；所述实验槽内置于吊篮中；

所述观察及检测装置包括固态激光模块、光学组件、相机和位移计；所述固态激光模块、光学组件通过光纤连接在一起，固态激光模块内置于转臂左端，所述光学组件设置在实验槽外侧，且每个光学组件都对应一个固态激光模块；

所述实验槽内置透明土和群桩模型，实验槽上部衔接支架、机械手和位移计，实验槽左侧、正侧相应位置设置有观察窗，实验槽右侧相应位置处设置有进光窗；所述观察窗的相应位置处设置有相机；所述群桩模型内置反光镜。

作为优选：所述相机由固定架固定。

这种离心条件下群桩透明土模型实验装置的实验方法：包括以下步骤：

1)配置实验用的透明土；待配置好后，将透明土放置在真空中，去除透明土中的空气；然后采用20～35kPa以上的不排水剪切强度对透明土进行固结；最后在透明土配制过程中撒入2％～3％体积的荧光颗粒；

2)将配置好的饱和透明土均匀地放入实验槽中；

3)制作群桩模型，群桩模型有两组：一组是模拟单排群桩，另一组模拟多排群桩；将群桩模型插入透明土中；

4)将支架放置在实验槽上部，然后放置机械手，机械手上端与支架相连接且位于支架中央，机械手下端与群桩模型的承台相连接；