能量桩模型试验中透明黏土的制配方法、应用和试验装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了能量桩模型试验中透明黏土的制配方法、应用和试验装置，利用Carbopol Ultrez 10聚合物和作为透明黏土散斑场的纳米材料制配透明黏土，并与透明砂土分层填筑在透明模型槽内形成试验土层，以透明模型槽为圆心设置若干个CCD相机，CCD相机与计算机相连并将CCD相机拍摄的图像传送至计算机进行图像处理与分析，用于探究能量桩在冷热循环和桩顶荷载作用下土体的扰动、能量桩承载力的变化及桩周土体温度的变化规律。本发明专利技术提供的能量桩模型试验中透明黏土的制配方法、应用和试验装置，有效解决无法可视化研究软黏土中能量桩‑土传热机理及荷载传递机理的问题，操作简单，经济可行，试验效果明显，应用前景广阔。

Method for preparing transparent clay in test of energy pile model, application and test device

The invention discloses a preparation method, application and test device of transparent clay energy piles in model test, using Carbopol Ultrez 10 polymer and nano materials prepared transparent clay as a transparent clay speckle field, and the formation of soil test and transparent sand layer filling in a transparent model slot in a transparent model slot as the center set up a number of CCD camera, CCD camera connected to the computer and the image processing and analysis of CCD camera images transmitted to the computer, to explore energy pile in thermal cycling and loading of pile top soil disturbance, the variation of volume change of pile bearing capacity of the pile and soil temperature. The preparation method, application and test device of transparent clay pile model test of energy provided by the invention, can effectively solve the soil heat transfer mechanism of energy pile in soft clay and the load transfer mechanism of visualization problems, simple, economical and feasible, the test effect is obvious, with broad prospects.

【技术实现步骤摘要】
能量桩模型试验中透明黏土的制配方法、应用和试验装置
本专利技术涉及岩土工程模型试验
，具体涉及能量桩模型试验中透明黏土的制配方法、应用和试验装置。
技术介绍
地源热泵技术是一种有效利用地下可再生能源的新技术，对国家节能减排战略具有重要意义。地热能源作为一种清洁、可持续发展的新能源，具有储量大、无污染和无碳排放的优点，值得大力开发与利用。近年来，工程技术人员创新性地将传统桩基础与地源热泵传热管埋设结合在一起形成能量桩，该新型结构形式兼具支撑上部荷载和浅层地热能传热器双重功能。工程中使用能量桩不仅减少建筑物周围钻孔的数量，节约建筑用地，还可以缩短工期，降低成本，提高施工效率并避免后期扩建工程对地下换热器造成损坏。由于岩土体都是不可见物质，传统的岩土体内部变形和应力等测量方法是在岩土体内部埋设离散的一系列传感器，但是该方法不仅扰动了岩土体本身内部特性且往往由于测试元器件精度问题造成误差，因此，寻求可视化研究岩土体内部变形及渗透等规律与机理的试验方法对岩土工程学科具有重要意义。基于人工合成透明土材料和数字图像处理技术的可视化模型试验技术可以实现土体内部变形的可视化，操作简便，费用低廉，可以广泛应用于堤防和挡土墙、隧道变形、沉桩等岩土工程方面的模型试验中，对于探索岩土工程问题本质具有极其重要的意义。而应用的前提是获得与天然土体性质相似的人工合成透明土，且该透明土应具备相对较高的透明度。在本专利技术之前，文献1《能量桩换热管不同埋设方式储热模拟研究》（赵嵩颖，等.建筑节能，2012，40(11):66-67，74.）、文献2《地源热泵桩基与钻孔埋管换热器换热性能比较》（桂树强，等.土木建筑与环境工程，2013，35(3):151-156.）基于数值模拟软件，分析了能量桩桩-土之间能量传递规律。该方法可以揭示桩基温度变化情况下，桩周土体温度场的变化规律，但是基于数值模拟软件的分析方法往往由于受限于土体参数及材料本构模型的选择、桩-土接触面形式的设置以及数值模型准确性与可靠性验证等因素而无法真实可靠地分析温度变化对桩基承载力的影响规律。中国专利技术专利：“能量桩-土荷载、温度传递机理模型试验装置和试验方法”（专利号：ZL201410177624.0），提出了一种包括透明模型槽、透明砂土、能量桩、光纤光栅、土压力盒、激光源和数码相机的试验装置和试验方法，配制的透明土与天然砂土性质较为相似，用于探索能量桩-土传热机理及荷载传递机理，操作简便，可重复性强。中国专利技术专利申请：“一种人工合成透明土材料的制配方法”（申请号：201410178910.9），提出利用烘烤石英砂颗粒和具有相同折射率的无色孔隙液体（正12烷与15号白油的混合液）制配一种更易于实现且价格低廉、无毒害的人工合成透明砂土，该方法制配的透明砂土有良好的透明效果，可有效地用于模型试验，实现土体内部变形的非嵌入式可视化观测。但以上试验装置或方法均只能模拟能量桩在单层天然砂土中的能量桩-土传热机理及荷载传递机理，而能量桩作为桩基础，常用于加固软土地基，所以无法真实、可靠地分析能量桩-土传热机理及荷载传递机理。因此，寻找能模拟天然黏土基本特性的新型透明黏土具有非常重要的意义，且天然土体通常为多层土体结构，故对多层土体结构的能量桩研究更加符合现实工程土体情况。在部分研究成果中，也提出采用无定形二氧化硅、LAPONITERD以及Gelita材料等制配人工合成透明土，模拟天然黏土的物理力学特性，但是，这些材料的物理力学特性与天然黏土特性差异较大，且制配工艺复杂、成本相对较高。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的无法真实、可靠地分析能量桩-土传热机理及荷载传递机理的问题，本专利技术提供一种能量桩模型试验中透明黏土的制配方法、应用和试验装置。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：能量桩模型试验中透明黏土的制配方法，包括以下步骤：步骤一：确定所需透明黏土的浓度，根据透明黏土的浓度计算CarbopolUltrez10聚合物与NaOH固体的质量、分别用于溶解CarbopolUltrez10聚合物与NaOH固体的蒸馏水质量及纳米材料的质量；步骤二：将按步骤一称量的用于溶解CarbopolUltrez10聚合物的蒸馏水倒入密封桶，并将其加热至50-70℃，恒温静置3-4h；步骤三：将按步骤一称量的CarbopolUltrez10聚合物加入步骤二得到的密封桶内，在常温下密封静置8-10h；步骤四：对步骤三得到的密封桶内的溶液搅拌30-40min，搅拌完成后在常温下密封静置8-10h；步骤五：将按步骤一称量的NaOH固体和用于溶解NaOH固体的蒸馏水制配NaOH溶液并倒入步骤四得到的密封桶内，搅拌10-15min；步骤六：将按步骤一称量的纳米材料加入步骤五得到的密封桶内并对其进行搅拌和去除气泡，制得透明黏土。进一步的，所述纳米材料的粒径为20-30nm，纯度为98%，所述纳米材料为碳纳米管、碳化硅、纳米硅粉、纳米氧化铝、纳米氧化钙中的一种或多种的组合。进一步的，所述密封桶内设有温度传感器和加热器，温度传感器为引线热电阻式传感器，加热器为悬浮加热器，所述步骤二中采用恒温箱进行恒温保温，恒温箱为可程式恒温恒湿试验机，所述步骤四采用功率搅拌器进行搅拌，功率搅拌器为电动机械搅拌机，所述步骤五采用搅拌器，搅拌器为手持式搅拌器，所述步骤六采用螺旋搅拌器搅拌并采用真空泵去除气泡。进一步的，所述制配好的透明黏土与透明砂土分层填筑在预制好的透明模型槽内，透明砂土放置于透明模型槽底部，形成持力层，透明砂土中埋设土压力盒，透明黏土放置于透明砂土上方，形成上部为黏土层、下部为砂土层的试验土层，将预制好的能量桩压入持力层内，能量桩桩底与土压力盒相接，能量桩内插入传热管，传热管与冷热循环机构相连，能量桩桩顶设有加载板，能量桩桩侧埋设光纤光栅，透明模型槽正上方移动式安装激光器，以透明模型槽为圆心设置若干个与计算机相连的CCD相机，每个CCD相机镜头所在平面平行于透明模型槽对应角度的外立面；随后调整若干个CCD相机的视场，使其涵括整个试验画面，根据试验要求分别对能量桩进行冷热循环和桩顶加载，调整激光器的激光入射方向使其打入试验土层，形成散斑场，利用CCD相机进行拍照并将其拍摄的桩周土体散斑场和透明度的变化情况传送至计算机，同时记录光纤光栅的变形读数和温度读数及土压力盒的读数，重复上述过程直至结束，通过计算机进行图像处理与结果分析。进一步的，所述透明砂土为在22-24℃温度下将正十二烷和十五号白油按1：4质量比的混合液与熔融石英砂颗粒混合制得。进一步的，所述透明模型槽为顶部开口、底部封闭的长方体，采用有机玻璃制备而成，所述能量桩为圆柱体、长方体、楔形桩体中的任一种。进一步的，所述冷热循环机构包括冷热循环水槽、恒温水、水泵和温度计，传热管一端伸入能量桩内，传热管另一端通过水泵与冷热循环水槽相连，冷热循环水槽内盛有恒温水，恒温水在传热管与冷热循环水槽之间循环流动。进一步的，以所述透明模型槽为圆心设置三个CCD相机，透明模型槽与每个CCD相机相距200-800mm，相邻的两个CCD相机与圆心连线之间的夹角分别为30°、60°和270°。进一步的，所述透明模型槽通过螺栓固定于光学平台上，所述激光器通过固定支架安装于透明模型槽正上本文档来自技高网...

【技术保护点】
能量桩模型试验中透明黏土的制配方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：确定所需透明黏土（7）的浓度，根据透明黏土（7）的浓度计算Carbopol Ultrez 10 聚合物与NaOH固体的质量、分别用于溶解Carbopol Ultrez 10 聚合物与NaOH固体的蒸馏水质量及纳米材料（8）的质量；步骤二：将按步骤一称量的用于溶解Carbopol Ultrez 10 聚合物的蒸馏水倒入密封桶（1），并将其加热至50‑70℃，恒温静置3‑4 h；步骤三：将按步骤一称量的Carbopol Ultrez 10 聚合物加入步骤二得到的密封桶（1）内，在常温下密封静置8‑10 h；步骤四：对步骤三得到的密封桶（1）内的溶液搅拌30‑40 min，搅拌完成后在常温下密封静置8‑10 h；步骤五：将按步骤一称量的NaOH固体和用于溶解NaOH固体的蒸馏水制配NaOH溶液并倒入步骤四得到的密封桶（1）内，搅拌10‑15 min；步骤六：将按步骤一称量的纳米材料（8）加入步骤五得到的密封桶（1）内并对其进行搅拌和去除气泡，制得透明黏土（7）。

【技术特征摘要】
1.能量桩模型试验中透明黏土的制配方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：确定所需透明黏土（7）的浓度，根据透明黏土（7）的浓度计算CarbopolUltrez10聚合物与NaOH固体的质量、分别用于溶解CarbopolUltrez10聚合物与NaOH固体的蒸馏水质量及纳米材料（8）的质量；步骤二：将按步骤一称量的用于溶解CarbopolUltrez10聚合物的蒸馏水倒入密封桶（1），并将其加热至50-70℃，恒温静置3-4h；步骤三：将按步骤一称量的CarbopolUltrez10聚合物加入步骤二得到的密封桶（1）内，在常温下密封静置8-10h；步骤四：对步骤三得到的密封桶（1）内的溶液搅拌30-40min，搅拌完成后在常温下密封静置8-10h；步骤五：将按步骤一称量的NaOH固体和用于溶解NaOH固体的蒸馏水制配NaOH溶液并倒入步骤四得到的密封桶（1）内，搅拌10-15min；步骤六：将按步骤一称量的纳米材料（8）加入步骤五得到的密封桶（1）内并对其进行搅拌和去除气泡，制得透明黏土（7）。2.根据权利要求1所述的能量桩模型试验中透明黏土的制配方法，其特征在于，所述纳米材料（8）的粒径为20-30nm，纯度为98%，所述纳米材料（8）为碳纳米管、碳化硅、纳米硅粉、纳米氧化铝、纳米氧化钙中的一种或多种的组合。3.根据权利要求1所述的能量桩模型试验中透明黏土的制配方法，其特征在于，所述密封桶（1）内设有温度传感器（2）和加热器（3），温度传感器（2）为引线热电阻式传感器，加热器（3）为悬浮加热器，所述步骤二中采用恒温箱（4）进行恒温保温，恒温箱（4）为可程式恒温恒湿试验机，所述步骤四采用功率搅拌器（5）进行搅拌，功率搅拌器（5）为电动机械搅拌机，所述步骤五采用搅拌器（6），搅拌器（6）为手持式搅拌器，所述步骤六采用螺旋搅拌器（9）搅拌并采用真空泵（12）去除气泡。4.根据权利要求1-3任一所述的方法制备的透明黏土在能量桩模型试验中的应用，其特征在于，所述制配好的透明黏土（7）与透明砂土（10）分层填筑在预制好的透明模型槽（11）内，透明砂土（10）放置于透明模型槽（11）底部，形成持力层，透明砂土（10）中埋设土压力盒（20），透明黏土（7）放置于透明砂土（10）上方，形成上部为黏土层、下部为砂土层的试验土层，将预制好的能量桩（13）压入持力层内，能量桩（13）桩底与土压力盒（20）相接，能量桩（13）内插入传热管（14），传热管（14）与冷热循环机构相连，能量桩（13）桩顶设有加载板（21），能量桩（13）桩侧埋设光纤光栅（19），透明模型槽（11）正上方移动式安装激光器（22），以透明模型槽（11）为圆心设置若干个与计算机（25）相连的CCD相机（24），每个CCD相机（24）镜头所在平面平行于透明模型槽（11）对应角度的外立面；随后调整若干个CCD相机（24）的视场，使其涵括整个试验画面，根据试验要求分别对能量桩（13）...

【专利技术属性】
技术研发人员：王成青，孔纲强，周杨，文磊，张鑫蕊，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32