專利名稱：離心機可視化細觀結(jié)構(gòu)動態(tài)測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種在離心機高速旋轉(zhuǎn)模擬土體現(xiàn)場原位應力狀態(tài)土體動力荷載作用時對土體的細觀結(jié)構(gòu)和宏觀特性進行動態(tài)觀測的試驗儀器，特別是對砂土細觀結(jié)構(gòu)進行動態(tài)觀測和記錄的離心機可視化細觀結(jié)構(gòu)動態(tài)測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
土工離心機通過采用高速旋轉(zhuǎn)增加模型重力的方法，使模型土體產(chǎn)生與原型相同的自重應力，模型的變形及破壞機制與原型相似，從而可以直接模擬復雜的巖土工程問題。目前土工離心機的用途已十分廣泛，不僅可以用于解決常規(guī)的土力學問題，如土石壩、邊坡、擋土墻、樁基、深基坑、地下洞室等，而且利用離心機可以模擬原型應力的特點，研究人員將離心機用于凍土力學、環(huán)境土力學、土工抗震研究以及爆破工程研究等領(lǐng)域。離心模型試驗同時為深入認識巖土力學的基本原理，驗證數(shù)值分析成果提供了十分有效的手段。限于離心機設(shè)備的復雜性，以往的離心機試驗都是基于土體的宏觀力學特性進行研究，不能觀測到試驗過程土樣細觀結(jié)構(gòu)的變化，限制了對土體液化過程細觀組構(gòu)演化與細觀力學機理的深入研究。
發(fā)明內(nèi)容為了填補現(xiàn)有動力離心機試驗中不能動態(tài)同步觀測土體細觀結(jié)構(gòu)的空白，本實用新型的目的在于提供一種離心機可視化細觀結(jié)構(gòu)動態(tài)測量系統(tǒng)，在土體受到底部激振力作用時，不僅能測得宏觀應力應變的變化，同時能對土體的細觀結(jié)構(gòu)進行動態(tài)觀測和記錄。為了達到以上目的，本實用新型采用的技術(shù)方案如下一種離心機可視化細觀結(jié)構(gòu)動態(tài)測量系統(tǒng)，包括觀測系統(tǒng)、模型箱、控制裝置和離心機，模型箱內(nèi)設(shè)有地下結(jié)構(gòu)物，并在地下結(jié)構(gòu)物和模型箱之間填充有砂顆粒；地下結(jié)構(gòu)物開有觀測孔，并通過鋼化玻璃密封，觀測系統(tǒng)安裝于地下結(jié)構(gòu)物內(nèi)通過鋼化玻璃對砂顆 粒進行觀測；模型箱置于離心機上通過離心機控制運動；觀測系統(tǒng)包括高速細觀攝像機和LED光源，分別固定于地下結(jié)構(gòu)物內(nèi)；控制裝置包括控制終端、無線中繼和工控機，工控機通過數(shù)據(jù)采集線與高速細觀攝像機相連，控制終端通過無線中繼控制工控機采集高速細觀攝像機的拍攝圖像。所述砂顆粒中還埋有孔壓計和土壓計。所述模型箱外部還安裝有位移傳感器。所述高速細觀攝像機的拍攝幀率為90幀/秒。所述LED光源采用工業(yè)LED環(huán)形光源。所述地下結(jié)構(gòu)物采用整塊高強鋁合金切割為中空結(jié)構(gòu)而成。所述地下結(jié)構(gòu)物還設(shè)有穿線孔，高速細觀攝像機的電源線、數(shù)據(jù)采集線和LED光源的電源線通過穿線孔引出，并采用“O”型圈密封防水。所述鋼化玻璃直徑為130mm，厚度為8mm，采用防水膠和乳膠墊層粘貼在地下結(jié)構(gòu)物的側(cè)壁。所述地下結(jié)構(gòu)物的蓋板通過螺釘、乳膠墊層和彈性防水膠安裝于地下結(jié)構(gòu)物的頂部。由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下有益效果實現(xiàn)了動力離心機試驗中土樣細觀結(jié)構(gòu)變化的同步動態(tài)觀測和記錄，本實用新型的系統(tǒng)可靠、試驗結(jié)果直觀，是研究土體動力問題宏細觀力學機理的有力試驗工具。

圖I為本實用新型的地下結(jié)構(gòu)物平面圖。圖2為本實用新型的地下結(jié)構(gòu)物正視圖。圖3為本實用新型的地下結(jié)構(gòu)物左視圖。圖4為本實用新型的地下結(jié)構(gòu)物的蓋板圖。圖5為本實用新型的遠程控制示意圖。
具體實施方式
本實用新型的離心機可視化細觀結(jié)構(gòu)動態(tài)測量系統(tǒng)，包括高速細觀攝像機I、LED光源2、地下結(jié)構(gòu)物3、模型箱、計算機8、無線路由器9、工控機10和離心機，地下結(jié)構(gòu)物3置于模型箱內(nèi)，并在地下結(jié)構(gòu)物3和模型箱之間填充砂顆粒作為模擬地基；高速細觀攝像機I和LED光源2設(shè)于地下結(jié)構(gòu)物3內(nèi)并固定于其上；優(yōu)選地，本實用新型的高速細觀攝像機I的拍攝幀率為90幀/秒，能夠在短時間內(nèi)拍攝到基本反映砂土顆粒運動特征所需數(shù)量的清晰細觀照片，能夠動態(tài)觀測并定量測試土體細觀結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下的變化特征；LED光源2采用工業(yè)LED環(huán)形光源，高速細觀攝像機I的變焦鏡頭正好穿過圓孔拍攝砂顆粒細觀圖片；地下結(jié)構(gòu)物3采用整塊高強鋁合金切割為中空結(jié)構(gòu)而成，其頂部采用蓋板7密封，且地下結(jié)構(gòu)物3開有觀測孔，觀測孔采用鋼化玻璃4密封，高速細觀攝像機I透過透明的鋼化玻璃4可以觀察地下結(jié)構(gòu)物3周圍砂顆粒細觀結(jié)構(gòu)變化；LED光源2為高速細觀攝像機提供高亮和穩(wěn)定的光源，保證高速細觀攝像機I在短曝光時間內(nèi)拍攝到清晰的圖像；地下結(jié)構(gòu)物3還設(shè)有穿線孔5，高速細觀攝像機I的電源線、數(shù)據(jù)采集線和LED光源的電源線通過穿線孔5引出，并采用“O”型圈密封防水。高速細觀攝像機I的數(shù)據(jù)采集線從地下結(jié)構(gòu)物3、模型箱依次引出后與工控機10相連，計算機8設(shè)置在主控室，無線路由器9和工控機10安裝在離心機旋轉(zhuǎn)軸附近，盡量減小離心力對工控機的影響，工控機10通過數(shù)據(jù)采集線實時的采集存貯攝像機拍攝的大量數(shù)據(jù)。通過無線路由器9實現(xiàn)由主控室計算機8遠程控制旋轉(zhuǎn)室的工控機10，從而根據(jù)需要適時開啟和關(guān)閉攝像機I的采集程序，實時動態(tài)采集砂土顆粒細觀運動圖像，由高速細觀攝像機I全程動態(tài)攝錄細觀結(jié)構(gòu)變化，并自動傳輸并儲存在計算機8中，在攝錄錄像中截取某些特定時刻的數(shù)字圖像照片，導入數(shù)字圖像細觀結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)，在得到土體宏觀動應力應變關(guān)系的同時，得到砂土顆粒細觀組構(gòu)參量的定量演化統(tǒng)計結(jié)果。優(yōu)選地，本實用新型的鋼化玻璃4直徑為130mm，厚度為8mm，采用防水膠和乳膠墊層粘貼在地下結(jié)構(gòu)物3的側(cè)壁；地下結(jié)構(gòu)物3的蓋板7周邊采用24個螺釘6、乳膠墊層和彈性防水膠安裝在地下結(jié)構(gòu)物3的頂部。[0022]下面結(jié)合福建平潭標準砂液化動力離心機試驗的具體試驗內(nèi)容，對本實用新型的具體實施方式
和操作步驟作進一步描述。試驗過程與內(nèi)容如下(I)安裝攝像機和光源在地下結(jié)構(gòu)物3內(nèi)部安裝固定攝像機I和光源2，調(diào)節(jié)攝像機I焦距，使攝像機I拍攝到清晰圖像，固定鏡頭和光源2，蓋上蓋板7，并用乳膠墊層和防水膠對蓋板加強防水； (2)試驗模型箱采用層狀剪切箱，剪切箱內(nèi)部尺寸為500mm(長)X 400mm(寬)X 560mm(高)，可移動框架22層,每層厚24mm,層間最大相對變位5mm ；(3)試樣制備試驗材料(砂顆粒)為福建標準砂，平均粒徑O. 34mm,不均勻系數(shù)I. 542，曲率系數(shù)I. 104，屬級配均勻的中砂。水中落砂法制備試樣，控制相對密度40%，制樣到相應高度時埋設(shè)孔壓計和土壓計，以及埋設(shè)安裝有高速細觀攝像機I的地下結(jié)構(gòu)物3，砂樣高度為450mm,頂層覆蓋一層50mm厚飽和粘土。(4)將制備好的模擬地基的模型箱吊裝到離心機的振動臺上，整個吊裝過程應使用慢車起吊，盡量避免晃動，吊裝到位后，通過高強度螺栓與振動臺固定，每個螺栓的扭力力矩為35kN. m ；(5)根據(jù)模型箱的總質(zhì)量計算離心機所需配重，增減配重塊，保證離心機運行過程中的平衡；(6)安裝模型箱外部的位移傳感器，將各傳感器連接到離心機的各采集端口上，檢查各通道的連接情況，在采集終端計算機8上輸入各傳感器的參數(shù)，逐個檢查所有的傳感器是否正常工作；(7)開啟工控機10和無線路由器9，與主控室的計算機8通過無線局域網(wǎng)建立聯(lián)系，實現(xiàn)遠程控制工控機10，打開細觀圖像采集軟件，檢查圖像是否清晰；(8)離心機主機系統(tǒng)、油源系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)電源接通，處于待命狀態(tài)，并打開視頻監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，做好試驗前的準備；(9)拆除模型箱兩端的固定支架(剛性邊界時不用拆除)，撤出離心機室內(nèi)所有雜物，并打開抽油閥，關(guān)上離心機室門，準備試驗；(10)開始動態(tài)米集，啟動尚心機，將加速度保持在50g左右,然后保持5min后,啟動攝像機拍照，再施加地震驅(qū)動信號，進行激震試驗；(11)待超孔隙水壓力消散完畢后，如果有需要則再進行一次激震試驗。激震結(jié)束后，待超孔壓消散完畢后，停止試驗數(shù)據(jù)采集，保存試驗數(shù)據(jù)，將離心機轉(zhuǎn)速逐漸降低到0，試驗完成；(12)數(shù)字圖像分析從攝錄錄像中截取某些特定時刻的數(shù)字圖像照片(譬如，液化前、液化時、液化后)，將這些照片導入數(shù)字圖像細觀結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)，分析得到細觀組構(gòu)參量的定量演化統(tǒng)計規(guī)律。本實例的技術(shù)參數(shù)如下I、土樣條件可以完成粉土、砂土、含粉粒砂土等均一土樣以及分層土的宏細觀試驗，可以完成原狀試樣和重塑試樣的宏細觀試驗。2、施加激振力底部施加的激振波形可以是正弦波、三角波、方波、斜波、地震波等，激振頻率20 200Hz。3、施加歷史可以模擬各種加載歷史，比如先小震再大震或者先大震再小震；4、土樣的細觀結(jié)構(gòu)觀測通過對離心機現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集方式的改進，開發(fā)遠程控制系統(tǒng)，結(jié)合高速顯微攝錄系統(tǒng)和數(shù)字圖像細觀結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)，可以實時動態(tài)攝錄試驗全過程土樣的細觀結(jié)構(gòu)變化，可以分析得到砂土顆粒各主要細觀組構(gòu)參量的定量演化規(guī)律。以上顯示和描述了本實用新型的基本原理、主要特征和本實用新型的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應該了解，本實用新型不受上述實例的限制，上述實例和說明書中描述的只 是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下，本實用新型還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型范圍內(nèi)。本實用新型要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
權(quán)利要求1.一種離心機可視化細觀結(jié)構(gòu)動態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于包括觀測系統(tǒng)、模型箱、控制裝置和離心機，模型箱內(nèi)設(shè)有地下結(jié)構(gòu)物，并在地下結(jié)構(gòu)物和模型箱之間填充有砂顆粒；地下結(jié)構(gòu)物開有觀測孔，并通過鋼化玻璃密封，觀測系統(tǒng)安裝于地下結(jié)構(gòu)物內(nèi)通過鋼化玻璃對砂顆粒進行觀測；模型箱置于離心機上通過離心機控制運動；觀測系統(tǒng)包括高速細觀攝像機和LED光源，分別固定于地下結(jié)構(gòu)物內(nèi)；控制裝置包括控制終端、無線中繼和工控機，工控機通過數(shù)據(jù)采集線與高速細觀攝像機相連，控制終端通過無線中繼控制工控機采集高速細觀攝像機的拍攝圖像。
2.如權(quán)利要求I所述的離心機可視化細觀結(jié)構(gòu)動態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于所述砂顆粒中還埋有孔壓計和土壓計。
3.如權(quán)利要求I所述的離心機可視化細觀結(jié)構(gòu)動態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于所述砂顆粒中還埋有孔壓計和土壓計。所述模型箱外部還安裝有位移傳感器。
4.如權(quán)利要求I所述的離心機可視化細觀結(jié)構(gòu)動態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于所述砂顆粒中還埋有孔壓計和土壓計。所述高速細觀攝像機的拍攝幀率為90幀/秒。
5.如權(quán)利要求I所述的離心機可視化細觀結(jié)構(gòu)動態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于所述砂顆粒中還埋有孔壓計和土壓計。所述LED光源采用工業(yè)LED環(huán)形光源。
6.如權(quán)利要求I所述的離心機可視化細觀結(jié)構(gòu)動態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于所述砂顆粒中還埋有孔壓計和土壓計。所述地下結(jié)構(gòu)物采用整塊高強鋁合金切割為中空結(jié)構(gòu)而成。
7.如權(quán)利要求I所述的離心機可視化細觀結(jié)構(gòu)動態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于所述砂顆粒中還埋有孔壓計和土壓計。所述地下結(jié)構(gòu)物還設(shè)有穿線孔，高速細觀攝像機的電源線、數(shù)據(jù)采集線和LED光源的電源線通過穿線孔引出，并采用“O”型圈密封防水。
8.如權(quán)利要求I所述的離心機可視化細觀結(jié)構(gòu)動態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于所述砂顆粒中還埋有孔壓計和土壓計。所述鋼化玻璃直徑為130_，厚度為8_，采用防水膠和乳膠墊層粘貼在地下結(jié)構(gòu)物的側(cè)壁。
9.如權(quán)利要求I所述的離心機可視化細觀結(jié)構(gòu)動態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于所述砂顆粒中還埋有孔壓計和土壓計。所述地下結(jié)構(gòu)物的蓋板通過螺釘、乳膠墊層和彈性防水膠安裝于地下結(jié)構(gòu)物的頂部。
專利摘要本實用新型公開了一種離心機可視化細觀結(jié)構(gòu)動態(tài)測量系統(tǒng)，包括觀測系統(tǒng)、模型箱、控制裝置和離心機，模型箱內(nèi)設(shè)有地下結(jié)構(gòu)物，并在地下結(jié)構(gòu)物和模型箱之間填充有砂顆粒；地下結(jié)構(gòu)物開有觀測孔，并通過鋼化玻璃密封，觀測系統(tǒng)安裝于地下結(jié)構(gòu)物內(nèi)通過鋼化玻璃對砂顆粒進行觀測；模型箱置于離心機上通過離心機控制運動；觀測系統(tǒng)包括高速細觀攝像機和LED光源，分別固定于地下結(jié)構(gòu)物內(nèi)；控制裝置包括控制終端、無線中繼和工控機，工控機通過數(shù)據(jù)采集線與高速細觀攝像機相連，控制終端通過無線中繼控制工控機采集高速細觀攝像機的拍攝圖像。本實用新型實現(xiàn)了在動力離心機試驗中同步動態(tài)記錄砂土在高應力狀態(tài)下細觀結(jié)構(gòu)演化特征。
文檔編號G01N21/85GK202393713SQ20112051335
公開日2012年8月22日 申請日期2011年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月9日
發(fā)明者周健, 封淵惟, 賈敏才, 陳小亮 申請人:同濟大學