一种桩土界面摩擦可视化试验装置及方法，属于建筑技术领域。所述桩土界面摩擦可视化试验装置，包括模型箱、加载板、反力架、伺服加载电机和千斤顶，模型箱内设置有模型桩和砂土层，砂土层内预埋有若干个土压力传感器，反力架包括刚性螺杆、反力梁和第一电动升降立柱电机，反力梁中部设置有伺服加载电机，伺服加载电机下端固定有压头，用以向模型桩施加压力，模拟模型桩复杂受力情况，伺服加载电机的两侧对称设置有千斤顶，用以向砂土层施加上覆压力。所述桩土界面摩擦可视化试验装置及方法结构合理、操作简单，可用于研究不同桩周及桩端砂土层相对密实度、不同砂土层上覆压力、不同桩表面粗糙度和细长比的桩土接触面摩擦特性及砂土变形规律。
技术要求
1.一种桩土界面摩擦可视化试验装置，其特征在于，包括模型箱、加载板、反力架、伺服
加载电机和千斤顶；
所述模型箱为上下开口的圆筒状结构，其设置在底座上，所述模型箱内设置有模型桩和砂土层，所述砂土层内预埋有若干个土压力传感器；
所述加载板为中心开有通孔的圆形板，其设置在所述砂土层的上方，并且嵌入所述模型箱内；
所述反力架固设在底座上，反力架包括刚性螺杆、反力梁和第一电动升降立柱电机，所述反力梁中部设置有伺服加载电机，用以向模型桩施加压力；所述伺服加载电机的两侧对称设置有千斤顶，用以向砂土层施加上覆压力；
所述伺服加载电机和土压力传感器均通过接收装置与电脑连接。
2.根据权利要求1所述的桩土界面摩擦可视化试验装置，其特征在于，还包括三维扫描识
别装置，所述三维扫描识别装置包括环形架、设置在环形架内侧的金属探测仪和设置在环形架两侧的第二电动升降立柱电机，所述环形架设置在模型箱的外部，所述金属探测仪与电脑连接用于实现砂土变形的可视化，所述第二电动升降立柱电机设置在所述刚性螺杆上，用以驱动环形架上下移动。
3.根据权利要求1或2所述的桩土界面摩擦可视化试验装置，其特征在于，所述砂土层包括
标记砂土层和未标记砂土层，所述标记砂土层内的砂土均匀掺入了金属粉末，其设置在所述模型桩的周围，若干个所述土压力传感器均匀设置在标记砂土层内。
4.根据权利要求1或2所述的桩土界面摩擦可视化试验装置，其特征在于，所述土压力传感
器竖直设置或者水平设置，土压力传感器竖直设置用于测量桩周土压力，土压力传感器水平设置用于测量砂土层的上覆压力以及测量桩土摩擦力。
5.根据权利要求1或2所述的桩土界面摩擦可视化试验装置，其特征在于，所述伺服加载电
机的加载方式为位移控制或者荷载控制，采用荷载控制时，所述伺服加载电机的极限加载值为20kN，行程为50mm；采用位移控制时，所述伺服加载电机的加载速率为0.1-
5mm/min。
6.根据权利要求1所述的桩土界面摩擦可视化试验装置，其特征在于，所述伺服加载电机
下方固设有压头，所述压头的下端面为倾斜面，所述模型桩的上端面为与压头下端面配合的倾斜面，用以使模型桩上端面与压头下端面贴合。
7.根据权利要求1所述的桩土界面摩擦可视化试验装置，其特征在于，还包括若干个竖直
设置的柔链，所述柔链与反力梁固连，所述柔链设置有卡槽，用以固定土压力传感器。
8.根据权利要求1所述的桩土界面摩擦可视化试验装置，其特征在于，所述底座包括底板
和环形支座，所述底板焊接在环形支座的上方，所述底板上表面从内至外依次设置有第一环形凹槽和第二环形凹槽，分别用于放置第一隔板和第二隔板。
9.一种桩土界面摩擦可视化试验方法，采用权利要求1所述的桩土界面摩擦可视化试验装
置，其特征在于，包括如下步骤：
预制设定细长比、粗糙度和加压角度的模型桩；
将第一隔板插入底板上表面的第一环形凹槽内，在位于第一隔板内部的底板上填筑标记砂土层到设定高度，将模型桩放置在已填筑的标记砂土层上；
将第二隔板插入底板上表面的第二环形凹槽内，向第一隔板与第二隔板之间填筑标记砂土层到设定位置后抽离第一隔板，再向第二隔板和模型箱内壁之间填筑未标记砂土层后抽离第二隔板；
将加载板覆盖在填筑完成的砂土层上表面，通过千斤顶对砂土层施加上覆压力，所施加的上覆压力值通过预埋在标记砂土层中水平设置的土压力传感器读数进行调整，使上覆压力达到设定值后，第二电动升降立柱电机驱动环形架及金属探测仪上下移动对标记砂土层进行第一次扫描，通过电脑接收土体变形数据并记录；接下来，通过伺服加载电机对模型桩进行加载，加载到设定值后，停止加载，第二电动升降立柱电机驱动环形架及金属探测仪上下移动对标记砂土层进行第二次扫描，通过电脑接收土体变形数据并记录。
技术说明书
一种桩土界面摩擦可视化试验装置及方法技术领域
本技术涉及建筑技术领域，特别涉及一种桩土界面摩擦可视化试验装置及方法。背景技术
随着我国城市建设的快速发展，出现了很多高层和超高层建筑，对地基承载力要求较高。桩基础作为一种主要的基础形式被广泛应用于基础工程中，随着桩基工程实际工程经验的积累和理论研究的深入，在钻孔灌注桩和预制管桩的基础上出现了许多新型桩基础，如挤扩支盘桩、螺旋桩、竹节桩、钻孔挤土桩等。在深厚软土地区的长桩一般为摩擦桩或端承摩擦桩，桩基承载力主要由侧摩阻力所提供。现有桩基规范中给出的桩侧摩阻力计算公式主要是基于现场试验数据给出的经验公式，在许多实际工程中与实测的桩侧摩阻力值偏差较大。需要结合模型试验对不同类型桩基础的桩土接触面摩擦性能进行研究，为实际工程中桩基设计提供理论依据。大量试验结果表明桩土接触面形式、桩表面粗糙度、桩周土体性质以及桩周土体应力水平会对桩侧摩擦性能产生影响，而且，桩端面所受到压力复杂，单用竖向压力对桩施加压力难以满足具体的受力条件，因此，对不同上覆压力作用下不同类型桩土接触面的摩擦特性及砂土变形进行研究具有十分重要的意义。
目前，对桩土接触面的研究主要基于现场试验和室内剪切试验(直剪试验、环剪试验)。现场试验中桩土接触面摩擦性能的研究中桩侧摩阻力值主要基于桩身钢筋应力计或光纤所测得桩身进行转换，且桩土相对位移为桩身位移，不考虑桩周土体位移，另外，实际工程中土体分布情况较为复杂，因此，无法得到准确的桩侧摩阻力桩土相对位移关系。室内剪切试验主要为桩土接触面直剪试验和环剪试验，室内剪切试验可以测得准确的桩土相对位移，但是，直剪试验和环剪试验不能得到距离桩土界面不同距离处的剪应力及桩土相对位移，同时，由于封闭的实验环境，使得不能对砂土的变形规律得到直观的认识，因此在分析桩土接触面摩擦特性及砂土变形规律时不能得到充分的认识和见解。技术内容
为了解决现有技术中现场试验和室内剪切试验存在的技术问题，本技术提供了一种能够模拟不同桩周及桩端砂土层相对密实度、不同砂土层上覆压力、不同桩表面粗糙度和细长比的桩土界面摩擦可视化试验装置及方法。为了实现上述目的，本技术的技术方案是：
一种桩土界面摩擦可视化试验装置，包括模型箱、加载板、反力架、伺服加载电机和千斤顶；
所述模型箱为上下开口的圆筒状结构，其设置在底座上，所述模型箱内设置有模型桩和砂土层，所述砂土层内预埋有若干个土压力传感器；
所述加载板为中心开有通孔的圆形板，其设置在所述砂土层的上方，并且嵌入所述模型箱内；
所述反力架固设在底座上，反力架包括刚性螺杆、反力梁和第一电动升降立柱电机，所述反力梁中部设置有伺服加载电机，用以向模型桩施加压力；所述伺服加载电机的两侧对称设置有千斤顶，用以向砂土层施加上覆压力；
所述伺服加载电机和土压力传感器均通过接收装置与电脑连接。
所述桩土界面摩擦可视化试验装置还包括三维扫描识别装置，所述三维扫描识别装置包括环形架、设置在环形架内侧的金属探测仪和设置在环形架两侧的第二电动升降立柱电机，所述环形架设置在模型箱的外部，所述金属探测仪与电脑连接用于实现砂土变形的可视化，所述第二电动升降立柱电机设置在所述刚性螺杆上，用以驱动环形架上下移动。
所述砂土层包括标记砂土层和未标记砂土层，所述标记砂土层内的砂土均匀掺入了金属粉末，其设置在所述模型桩的周围，若干个所述土压力传感器均匀设置在标记砂土层内。
所述土压力传感器竖直设置或者水平设置，土压力传感器竖直设置用于测量桩周土压力，土压力传感器水平设置用于测量砂土层的上覆压力以及测量桩土摩擦力。
所述伺服加载电机的加载方式为位移控制或者荷载控制，采用荷载控制时，所述伺服加载电机的极限加载值为20kN，行程为50mm；采用位移控制时，所述伺服加载电机的加载速率为0.1-5mm/min。
所述伺服加载电机下方固设有压头，所述压头的下端面为倾斜面，所述模型桩的上端面为与压头下端面配合的倾斜面，用以使模型桩上端面与压头下端面贴合。
所述桩土界面摩擦可视化试验装置还包括若干个竖直设置的柔链，所述柔链与反力梁固连，所述柔链设置有卡槽，用以固定土压力传感器。
桩土界面摩擦可视化试验设备及方法的制作流程
