专利名称：一种离心模型挡土墙试验设备的利记博彩app
技术领域：
本发明是专门用于在离心机上进行土压力离心模型试验，研究土压力问题的试验设备， 主要技术领域是土压力离心模型试验研究技术领域。
背景技术：
挡土类结构物是土木建筑、水利水电、公路、铁道交通等工程建设中广泛应用的一种结 构物，其用途是支撑土体使其保持稳定。土压力的评价是挡土类结构物结构设计和稳定分析 中的一个基本项目，直接相关工程设计的安全可靠及经济合理。土压力理论和应用研究己成 为土力学和岩土工程领域的一个基本课题。土工离心模型试验在縮小土工构筑物的尺寸的同 时，加大了模型的重力加速度，可以保持模型中土的应力状态与实际情况一致，因此在模拟 边坡、土压力问题等方面具有一定优势。土压力离心模型试验是验证土压力计算方法和揭示 土压力形成的物理机制的重要手段之一。离心模型挡土墙试验设备是进行土压力离心模型试 验不可缺少的重要技术手段。
现有的离心模型挡土墙试验设备较少，报道的文献不多。根据《无粘性土中刚性挡土墙 离心模型试验研究》(期刊重庆交通学院学报；作者唐志成，彭胤宗，宋教吾；发表时间
1988(2) :48-58)报道，唐志成等通过离心模型试验研究了刚性挡墙在墙后填土为砂土时的主 动土压力大小及分布，并与库仑理论进行了对比，但其仅测量了主动状态时的土压力分布。 该试验采用的离心模型挡土墙试验设备无法控制挡墙的位移量，因此无法研究不同挡墙位移 量时的土压力大小及分布。根据《压实粘性填土挡土墙土压力离心模型试验》(期刊岩土工 程学报；作者岳祖润，彭胤宗，张师德；发表时间1992， 114 (6): 90-96)报道，岳祖 润等研制了一套自制的位移控制液压装置，针对墙后填土为压实粘性土，刚性挡土墙在组合 位移模式下的情况进行了离心模型试验，分析研究了土压力大小、分布及其与墙体位移的关 系等问题。该设备采用位移控制液压装置来调节挡墙位移的变化。在离心加速度增大到要求 的模型率W后稳定转速，打开一次电磁阀，使油缸排油。油压减小，则填土压力迫使墙体推 着柱塞后移一段微小位移。该方法假定液压油具有不可压縮性，忽略了油的压缩性对于位移 控制的影响，不能在离心加速度增大的过程中控制挡墙保持静止状态，并且不能精确控制挡 墙的位移模式。因此试验中挡墙的位移模式和开始运动的初始状态较为复杂，无法控制。根 据《各向异性粒状材料破坏规律与强度准则及应用》(博士学位论文，张连卫，时间2007) 报道，张连卫等针对由椭圆形金属棒堆积成的二维理想粒状材料，研制了一套主动土压力离 心模型试验设备与相应的测试技术。该设备用气缸活塞控制模型挡墙水平方向的运动，但是 不能在离心加速度增大的过程中控制挡墙保持静止状态，并且不能控制挡墙连续均匀地向主动一侧位移，且仅适用于理想粒状材料，无法进行砂土的试验。
通过对现有设备的调研可知，现有设备多采用气缸或者油缸作为挡墙运动的驱动装置， 忽略了气和油的压縮性对于位移控制的影响。土压力离心模型试验难度较大，主要技术难点 如下随着离心加速度的增大，墙后填土对挡墙的侧压力的增大会导致挡墙向主动侧位移， 不能保持静止状态；挡墙在从静止状态到主动状态的运动过程中较难缓慢均匀连续地运动； 挡墙的运动形式较难控制，很难保持平动。
发明内容
本发明的目的是提供一种离心模型挡土墙试验设备，使其能够控制模型挡墙在离心加速 度增大的过程中保持静止状态，能够控制模型挡墙连续均匀缓慢地向主动一侧位移，能够控 制模型挡墙在运动过程中保持平动的位移模式。
本发明的技术方案如下
一种离心模型挡土墙试验设备，包括驱动系统，模型挡墙结构和测量系统，所述的模型 挡墙结构含有模型挡墙和固定装置；所述的测量系统含有第一位移传感器和土压力盒，所述
的离心模型挡土墙试验设备还包括模型挡墙位移自动控制系统，该系统含有用于监测离心加 速度增大过程中模型挡墙位移的第二位移传感器、单片机、用于记录模型挡墙初始位置和设
定阈值的数码管以及执行机构，所述的执行机构包括三极管和继电器；所述的第二位移传感 器采集的位移信号经放大器放大后进入单片机；所述的数码管通过限流电阻与单片机连接； 所述的单片机通过限流电阻与三极管相连接；单片机发送指令，通过继电器的通、断电来控 制挡墙位移量的变化；所述的第二位移传感器采用量程为毫米量级，精度高于1%。。
上述技术方案中，所述的固定装置包括梯形导向架、导向轴、两个L形支架和底部 钢板；所述的梯形导向架和两个L型支架固定在底部钢板上，所述的导向轴采用四根，且对 称布置，并固定在两个L型支架上；模型挡墙通过固定在该挡墙上的滑套沿导向轴滑动；在 所述模型挡墙的顶端设有T形杆，所述的第二位移传感器设置在T形杆的上部。
本发明的技术特征还在于所述的驱动系统包括电机、减速器以及带动模型挡墙位移的传 动机构，所述传动机构包括传动轴，轴套，齿轮和齿条，所述的齿条穿过梯形导向架通过连 接件固定在模型挡墙上。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果
该设备能够控制模型挡墙在离心加速度增大的过程中保持静止状态；能够控制挡墙均匀 缓慢地向主动一侧运动；能够使挡墙保持平动的位移模式。试验结果表明，设备性能稳定， 运行可靠，易于操作，适用于刚性挡墙静止状态和主动侧土压力的研究。与己有的离心模型 挡土墙试验设备相比，本发明具有以下特点和优势在离心模型试验中采用电机作为挡墙运 动的驱动系统，能够保证挡墙的位移缓慢而且均匀连续，可确保数据采集系统及非接触式位 移测量系统较为完整地记录挡墙运动过程中的土压力及土体位移场变化过程；研制了可控挡墙位移量的自动控制系统，通过控制电机工作可保证在离心加速度增大的过程中挡墙处于静
止状态；设计了合理的模型挡墙机械结构，可控制挡墙的位移模式为平动。
图1是土压力离心模型试验设备原理机构示意图。
图2是模型挡墙结构立面图。
图3是模型挡墙结构俯视图。
图4是土压力盒布置方式示意图。
图5是挡墙位移自动控制系统原理框图。
图中1一电机，2 —蜗轮减速器，3 —斜撑，4一第一位移传感器，5 —齿轮，6 —齿条，7 一梯形导向架，8 —导向轴，9_轴套，IO —传动轴，ll一第二位移传感器，12 —模型挡墙， 13 — 土压力盒，14一位移自动控制系统，15 —模型箱，16 —底部钢板，17 — T形杆，18—L形 支架，19一钢板(用于固定电机)，20 —墙后填土， 21—滑套，22 —连接件(连接挡墙与齿条) 23 —固定螺丝
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的原理、具体结构和工作过程作进一歩的说明。
图1是土压力离心模型试验设备原理机构示意图。本发明主要由四部分组成驱动系统， 模型挡墙结构，测量系统和位移自动控制系统。下面分别加以详细介绍。
驱动系统包括电机、减速器和带动模型挡墙位移的传动机构，传动机构包括传动轴10， 轴套9，齿轮5和齿条6。驱动系统的各个组成部分的连接和组装方式如下如图1所示，将
传动轴10插入蜗轮减速器2中，在调整好传动轴的位置之后，通过顶丝固定传动轴，使其与 电机1及减速器2刚性连接，将轴套9套在传动轴的外侧，用螺丝将法兰及轴套9固定在钢 板19上面，用顶丝将齿轮5固定在传动轴10上。在钢板19上面打孔，用铁皮箍住电机，通 过螺丝将铁皮和电机固定在钢板19上，所述的齿条6穿过梯形导向架7通过连接件22固定 在模型挡墙。传动轴与齿轮刚性连接，通过齿轮与齿条的咬和作用带动挡墙缓慢匀速运动。
本发明采用较大的加速比，可以使得减速后电机的运转速度很慢，而且出力较大，从而 保证电机能够在较大的离心加速度下拖动模型挡墙运动，并且减速后挡墙的运动速度仅为 0.025mm/s，能够确保数据采集系统及摄像系统较为完整地记录挡墙运动过程中的土压力及土 体位移场变化过程。由于传动轴较长，随着离心加速度的增大，在土压力的作用下轴容易发 生弯曲变形。为了限制轴的变形，本发明在传动轴外侧安装轴套和法兰，并且在轴套底部安 装了轴承，如图1所示。通过轴套增加了传动轴的刚度，轴承限制了轴的位置，确保了试验 中轴不会发生弯曲，始终保持直立状态，从而使得齿轮和齿条能够很好地咬和。
图2和图3给出了模型挡墙结构系统的示意图。模型挡墙结构包括模型挡墙12和固定装 置，该固定装置包括梯形导向架7、导向轴8、 L形支架18和底部钢板16。模型挡墙结构的各个组成部分的连接和组装方式如下如图1、图2和图3所示，用螺母将四根导向轴8固定 在两个L型支架18上，对称布置。将两个L型支架18、梯形导向架7和模型挡墙12放置在 底部钢板16上。将齿条穿过梯形导向架，调整两个L型支架18和梯形导向架7的位置，使 得模型挡墙12能够通过滑套21沿导向轴8在底部钢板16上能够顺畅地滑动，然后用螺丝将 L型支架18和梯形导向架7固定在底部钢板16上。用螺丝将T形杆件17固定在模型挡墙12 的顶部。中央的梯形导向架和四周的四根导向轴均限制了齿条的偏转，使模型挡墙只能沿直 线方向运动，保持了模型挡墙的平动模式。L形支架用以固定四根定位轴。模型挡墙上部的T 形杆件与挡墙通过螺丝刚性连接。
本发明的测量元件主要包括土压力盒与第一位移传感器4，分别用于测量挡墙上作用的 土压力大小以及挡墙的位移量。土压力盒在挡墙上的布置方式如图4所示。按照上压力盒的 尺寸在模型挡墙上凿孔，从挡墙顶部到底部沿中线的两侧共布置了 IO个土压力盒。本发明采 用的第一位移传感器4量程为士15nun，精度为1%。，用于测量挡墙向主动侧运动过程中的位 移量。两类位移传感器均采用弹簧式的探头。
测量系统的安装与布置方式如下如图1所示，土压力盒是在模型挡墙上凿相应尺寸的 孔然后嵌入的，土压力盒的信号线和电源线均连接在数据采集卡上。此传感器的信号线和电 源线均焊接在挡墙位移自动控制系统的内部，其信号线和单片机连接。安装第一位移传感器 4需要在模型箱侧壁的铝板上打孔，将位移传感器插入模型箱，其探头与模型挡墙相接触。
离心加速度增大的过程中填土的重力会逐渐增大，因此挡墙上的土压力也随之增大，会 导致挡墙发生微小的位移，少则0.3mm，多则lmm，使其不能保持静止状态。而达到主动状 态所需的位移量很小，根据Terzaghi (1934)的研究结果，其数量级约为1%。H(H为墙高)。 对于240mm的模型挡墙，达到主动状态的位移量约为0.24mm。所以在加速度50g条件下启 动电机控制挡墙运动之前墙后填土会由于离心加速度增大的过程中挡墙的位移量而达到主动 状态或者处于静止状态与主动状态之间，导致试验开始时挡墙的初始状态不能确定。因此， 在离心加速度增大的过程中使挡墙保持静止状态具有十分重要的意义。为了解决这一问题， 本发明研制了可控挡墙位移的自动控制系统14。整个系统的工作原理见图5。
如图5所示，该系统含有用于监测离心加速度增大过程中模型挡墙位移的第二位移传感 器ll、单片机、用于记录模型挡墙初始位置和设定阈值的数码管以及执行机构。所述的第二 位移传感器11是用一个铝制支架固定在模型箱上的，它的探头正好顶在模型挡墙顶部的T形 杆件17上，用以监测挡墙的位移量。为了能更精确地测量模型挡墙的位移量，第二位移传感
器量程X用毫米量级，精度应高于1%。。所述的执行机构包括三极管和继电器。所述的位移 传感器采集的模型挡墙位移信号经放大器放大后进入单片机；所述的数码管记录模型挡墙的
初始位置并设定阈值(一般小于等于0.05mm)后，将信号输入单片机。单片机上面烧写着控 制程序，其主要功能是根据传感器监测的信号得到离心加速度增大的过程中模型挡墙的当前位置，将其与模型挡墙的初始位置加以比较，如果发现模型挡墙偏离初始位置的位移量超过 我们设定的阈值，则向执行机构发出控制指令，启动电机正转或反转，推或拉模型挡墙回到 初始位置。 一直持续这一控制过程，直至模型挡墙偏离初始位置的位移量小于我们设定的阈 值，然后单片机发出指令关闭电机。执行机构的主要元件是三个继电器，分别控制电机正转、 反转和刹车的三路电流。其主要功能是接收单片机发来的指令，导通或者切断任意一路电流。 由于单片机上仅限通过微弱的电流，因此在系统中加入了三极管，作为驱动器，用于放大电
流，驱动继电器工作。
做试验时按照图l、图2和图3组装好整套设备。具体顺序如下组装好模型挡墙结构， 放入模型箱；用螺丝将驱动系统固定在模型箱上，注意保证齿条和齿轮较好得咬和；将斜撑 用螺丝固定在模型箱侧壁；在模型箱的侧壁涂抹硅油，并且在铝制的一侧贴聚四氟乙烯薄膜， 用以减小土体和侧壁的摩擦；模型挡墙的底部需涂抹适量黄油，以减小挡墙运动过程中的摩 擦力；在挡墙与模型箱侧壁的缝隙之间涂适量真空泥，防止试验过程中砂土从缝隙中漏出； 如图l在模型挡墙后部填土制备好试样，然后将模型箱吊入离心机吊蓝屮；将位移自动控制 系统安装在离心机转臂上；离心机滑环上有220V供电电源，将位移自动控制系统的电源线以 及电机的电源线、正转线路、反转线路和刹车线连接在离心机滑环上的电源；在连接好电机 及挡墙位移自动控制系统的供电电路后，可以开启离心机。
试验中离心加速度从lg增大到一定的模型相似率/V，比如50g，稳定大约5分钟，然后 在该离心加速度下关闭位移自动控制系统，启动电机，通过齿轮的转动，带动齿条及模型挡 墙向主动侧缓慢运动。试验过程中通过土压力盒和位移传感器可以实时测量作用在挡墙上的 土压力以及挡墙的位移，并通过离心机数据采集系统记录这些数据。在对数据的分析基础上 可以得到土压力随挡墙位移的变化规律。
权利要求
1.一种离心模型挡土墙试验设备，包括驱动系统，模型挡墙结构和测量系统，所述的模型挡墙结构含有模型挡墙(12)和固定装置；所述的测量系统含有第一位移传感器和土压力盒(13)，其特征在于所述的离心模型挡土墙试验设备还包括模型挡墙位移自动控制系统(14)，该系统含有用于监测离心加速度增大过程中模型挡墙位移的第二位移传感器(11)、单片机、用于记录模型挡墙初始位置和设定阈值的数码管以及执行机构，所述的执行机构包括三极管和继电器；所述的第二位移传感器采集的位移信号经放大器放大后进入单片机；所述的数码管通过限流电阻与单片机连接；所述的单片机通过限流电阻与三极管相连接；单片机发送指令，通过继电器的通、断电来控制挡墙位移量的变化；所述的第二位移传感器采用量程为毫米量级，精度高于1‰。
2. 按照权利要求1所述的离心模型挡十.墙试验设备，其特征在于所述的固定装置包括 梯形导向架(7)、导向轴(8)、两个L形支架(18)和底部钢板(16);所述的梯形导向架(7) 和两个L型支架(18)固定在底部钢板(16)上，所述的导向轴(8)采用四根，且对称布置， 并固定在两个L型支架(18)上；模型挡墙通过固定在该挡墙上的滑套(21)沿导向轴(8) 滑动；在所述模型挡墙的顶端设有T形杆(17)，所述的第二位移传感器(11)设置在T形 杆的上部。
3. 按照权利要求2所述的离心模型挡土墙试验设备，其特征在于所述的驱动系统包括 电机、减速器以及带动模型挡墙位移的传动机构，所述传动机构包括传动轴(10)，轴套(9)， 齿轮(5)和齿条(6)，所述的齿条(6)穿过梯形导向架(7)通过连接件(22)固定在模型挡 墙上。
全文摘要
一种离心模型挡土墙试验设备，属于土压力离心模型试验研究技术领域。该设备包括驱动系统，模型挡墙结构、测量系统以及模型挡墙位移自动控制系统。增加的模型挡墙位移自动控制系统可保证模型挡墙在离心加速度增大的过程中处于静止状态；采用电机作为驱动系统，能够保证模型挡墙的位移缓慢而且均匀连续，可确保数据采集系统完整地记录模型挡墙运动过程中的土压力及土体位移场变化过程；改进的模型挡墙结构使模型挡墙能够保持平动的位移模式。初步试验结果表明，设备性能稳定，运行可靠，易于操作，适用于刚性挡墙静止状态和主动侧土压力的研究。
文档编号G01M99/00GK101526440SQ20091013128
公开日2009年9月9日 申请日期2009年4月13日 优先权日2009年4月13日
发明者超 刘, 飞 宋, 嘎 张, 张建民, 郑瑞华 申请人:清华大学