[发明专利]一种基于透明土的桥梁桩基冲刷模型试验装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于透明土的桥梁桩基冲刷模型试验装置及方法，包括循环水槽系统、透明土模拟系统和成像装置。循环水槽系统的水槽两端出入口之间通过连接管道将相互间隔的造流泵、调节阀、电磁流量计连通，造流泵由变频调速器驱动。透明土模拟系统包括基于相似准则配制的循环流体和透明土。循环流体、透明土和模型桩基按设计布设于水槽中。试验时，两台激光发射器在循环流体和透明土内部形成两个散斑切面，驱动造流泵让循环流体流动，两台工业相机记录散斑场的变化。该装置的试验方法包括制模、配制透明材料和流体冲刷等步骤。该装置实现桩基冲刷过程中冲刷坑动态演化、位移场和流场的可视化测量，操作方便，数据全面。

技术领域

本发明涉及土木水利工程可视化模型试验技术领域，特别涉及一种基于透明土的桥梁桩基冲刷模型试验装置及方法。

背景技术

冲刷是造成桥梁桩基破坏的重要因素之一。桥梁桩基一般处于非常复杂的水环境中，冲刷作用导致桥梁桩基周围土体损失形成冲刷坑，严重威胁到桥梁服役安全。其中，冲刷坑形成过程中常会引起桩基-土体相互作用变化以及桩基周围土体产生变形，直接关乎桥梁桩基承载力，具有十分重要的现实意义。

目前针对桥梁桩基冲刷的研究主要包括理论分析、现场观测、数值模拟和模型试验。模型试验作为土木水利工程中重要研究手段，其中冲刷研究以水槽装置开展试验居首。传统的水槽装置主要针对河床面以上范围的测量，包括流速测量、水位测量、地形测量等，不能用于测量河床内部的变形特征。

然而，桩基周围土体作为冲刷作用的主要对象，很难实现在其中埋入传感器，且很可能干扰桩基周围的绕流流场。因此，亟需开发一种桥梁桩基冲刷过程桩基周围土体位移发展变化进行非插入式测量的试验装置及方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于透明土的桥梁桩基冲刷模型试验装置及方法。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于透明土的桥梁桩基冲刷模型试验装置，包括循环水槽系统、透明土模拟系统和成像装置。

所述循环水槽系统包括水槽支撑框架、水槽、连接管道、造流泵和变频调速器，水槽支撑框架为上端敞口且内部中空的矩形箱体，水槽支撑框架的上端安装有水槽，水槽支撑框架的内部设置有连接管道。

所述连接管道包括主管道和旁路管道，主管道呈U形，主管道包括水平管段和两个竖直管段，水平管段安装到水槽支撑框架的底部，两个竖直管段分别靠近水槽支撑框架不相邻的两个侧壁。

所述主管道的水平管段上设置有相互间隔的调节阀Ⅰ、电磁流量计Ⅰ和造流泵，造流泵连接有变频调速器。

所述旁路管道连接到主管道上，旁路管道的两端均与主管道连通，调节阀Ⅰ和电磁流量计Ⅰ均位于旁路管道两端之间。所述旁路管道上设置有相互间隔的调节阀Ⅱ和电磁流量计Ⅱ。

所述水槽的底部设置有试验段凹槽和两个出入口，试验段凹槽位于两个出入口之间。两个所述出入口分别与主管道的两个竖直管段连通，每个出入口设置有蜂窝箱和导流板。

所述透明土模拟系统包括示踪染色剂、示踪粒子、循环流体和透明土，混合有示踪染色剂的透明土填入试验段凹槽内，混合有示踪粒子的循环流体注入连接管道和水槽内。所述试验段凹槽内预埋有模型桩基。

所述成像装置包括布置在水槽外部的两台激光发射器和两台工业相机。

试验时，所述变频调速器驱动造流泵，造流泵带动循环流体在连接管道和水槽内流动，每台激光发射器在循环流体和透明土内部形成散斑切面，两台激光发射器形成两个相互垂直的散斑切面，两台工业相机分别拍摄两台激光发射器形成的散斑切面，利用数字图像处理技术分析切面图片。

进一步，所述水槽由有机玻璃制成。

进一步，所述模型桩基由有机玻璃制成，模型桩基的类型为单桩、群桩、群桩-承台结构或大型沉井基础。