專利名稱：基于位移示蹤技術的路堤變形監(jiān)測模型實驗裝置及其方法
技術領域：
本發(fā)明涉及ー種路堤變形監(jiān)測模型實驗技木，尤其涉及一種基于位移示蹤技術的路堤變形監(jiān)測模型實驗裝置及其方法。
背景技術：
路堤、邊坡或基坑等的沉降穩(wěn)定與否，一直是施工質量優(yōu)劣與否的重要評定標準；因為沉降的快慢直接決定著路堤、邊坡或基坑等的穩(wěn)定性以及投入使用后的安全。因此我國巖土界的相關研究人員對穩(wěn)定性和沉降快慢也做了大量的研究，得到了ー些對工程實踐有指導意義數據，但是這些研究中還存在著一定的弊端，需要研究人員不斷地完善。目前國內的路堤變形監(jiān)測模型試驗裝置，有如下特征
一、加載方法
一般有油壓千斤頂加載、杠桿加載和堆積加載，均有一定的弊端
I、油壓千斤頂加載
在加載過程中，壓カ有一部分損耗，無法達到準確的法向壓カ。2、杠桿加載
加載原理簡單，但施加的壓カ大小要受到安全因素的限制，而且加壓過程要耗費大量的人力。3、堆積加載
要求路堤模型的尺寸必須很大，對模型的場地要求比較嚴格，而且加載所需的人力物カ較多。ニ、觀測方法
主要是使用應變觀測法，通過在相應的材料上貼應變片的方式，來監(jiān)測應變位移情況，在監(jiān)測鋼結構、橋梁結構等中較常見；但是對于檢測土體就有一定的弊端。應變片需與土體協調變形，但是目前沒有很好的辦法保證應變片與土體協調變形，故而試驗數據的準確性就有待商権。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的就在于克服現有技術存在的缺點和不足，提供一種基于位移示蹤技術的路堤變形監(jiān)測模型實驗裝置及其方法。所述的位移示蹤技術是通過讀數顯微鏡，觀察埋置在路堤模型中的參照物，觀察其位置變化，由讀數顯微鏡上的讀數得到參照物的位移，從而得到路堤模型的沉降和形變規(guī)律。本發(fā)明的目的是這樣實現的
本發(fā)明的加載為液壓系統(tǒng)，主要通過擺線齒輪油泵對油施加壓カ，推動油缸對路堤模型加壓；通過電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)實現對模型系統(tǒng)的施壓、保壓與補壓；路堤模型的變形通過位移觀察系統(tǒng)獲得。
具體說明
一、基于位移示蹤技術的路堤變形監(jiān)測模型實驗裝置(簡稱裝置)
本裝置包括液壓系統(tǒng)、模型系統(tǒng)、觀察系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和支架；
平臺和支座上下連接構成支架；
木制模型箱設置在支架的平臺上，在木制模型箱內設置有路堤模型，在路堤模型的頂部設置有加載板，在路堤模型中設置有參照物，構成模型系統(tǒng)； 水平滑道設置在支架的支座上，垂直滑道置于水平滑道上，位移讀數顯微鏡置于垂直滑道上，構成觀察系統(tǒng)；
在電氣柜內，設置有數顯壓カ控制器和延時開關，構成電氣系統(tǒng)；
液壓系統(tǒng)和支架置于同一平面上，油箱置于液壓系統(tǒng)的最下面；油箱、擺線齒輪油泵、第一電磁換向閥和油缸的上入油ロ通過管線依次連通，油缸的活塞和模型系統(tǒng)的加載板連接，實現對路堤模型的加壓；
油缸的下出油ロ、第一電磁換向閥、溢流閥和油箱通過管線依次連通，實現對路堤模型的減壓和保壓；
在油缸上設置有壓カ表，供觀測壓力用；
在管線上設置有壓カ繼電器，壓カ繼電器、數顯壓カ控制器、第一電磁鐵擺線齒輪油泵依次連接，實現加壓的控制；
延時開關、第二電磁鐵和第一電磁換向閥依次連接，實現回油到油箱；
延時開關、第三電磁鐵和第二電磁換向閥依次連接，實現回油到油箱。其工作原理是
本裝置利用液壓系統(tǒng)對路堤模型進行加載，通過數顯壓カ控制器控制電磁鐵開啟擺線齒輪油泵，擺線齒輪油泵工作后，從油箱內吸油，對油加壓變成壓カ油，壓カ油通過單向閥進入油缸，推動油缸向下運動對路堤模型加載。當壓カ值達到設定值時，壓カ繼電器工作，使電磁鐵斷開，加載停止進入保壓階段，壓カ值降低后，壓カ繼電器發(fā)信號電磁鐵得電，繼續(xù)加壓，從而達到“過壓斷電，失壓保壓”的功能。在加載過程中，由觀察系統(tǒng)的位移讀數顯微鏡觀察路堤模型的變形和位移，達到精確監(jiān)測的目的。ニ、基于位移示蹤技術的路堤變形監(jiān)測模型實驗方法(簡稱方法)
本方法包括以下步驟
①在木制模型箱中，制作好椎體形狀的路堤模型，記錄加壓前埋置在路堤模型中的參照物的初始坐標；
②在電氣系統(tǒng)上，從數顯式壓カ控制器設置需要的壓カ值，從延時開關設置需要施加的穩(wěn)定壓カ持續(xù)的時間；
③接通電源，開啟電氣工作，對路堤模型進行加壓實驗；
④通過顯微鏡進行觀察，并每隔一定的時間記錄路堤模型變形情況，待到路堤模型變形穩(wěn)定后，再增加壓力，繼續(xù)觀察記錄，循環(huán)往復上述操作直到路堤模型破壞；
⑤把前后記錄的坐標進行計算處理即可得到路堤模型的變形數據，然后繪制變形曲線圖，進行模型穩(wěn)定性分析。其工作原理是
本模型主要針對沉降和穩(wěn)定性研究設計的，在木制模型箱中按一定縮小比例填筑模型，分層填土，并且分層壓實，壓實度、坡比按照公路路基設計規(guī)范(JTG D302004)的相關規(guī)定確定。填料含水率根據試驗方案要求確定。在填筑過程中分層布設土壓カ盒，通過土壓力盒監(jiān)測加載后各層土壓力。木制模型箱的觀測面是由有機玻璃做成，上面刻有以I毫米為單位的刻度，在路堤模型的頂部、底部及斷面分層布設觀測標記，通過讀取觀測標記的原坐標和加壓移動后的坐標，來分析模型在上部荷載作用下沉降量和側向位移對穩(wěn)定性的影響。分級加載，上部荷載較大時，模型的斷面可能產生裂隙，由于觀測面透明，從而可以分析裂隙的發(fā)展方向。本模型適用于改性土路堤和加筋土路堤模型等的研究，用土工合成材料加筋路堤時，也可以在加筋材料上帖有應變片，來檢測加筋材料的應變，進而分析土工合成材料對路堤的加筋性能。本發(fā)明具有下列優(yōu)點和積極效果 1、加壓操作過程簡易省吋；
2、能夠對模型施加持續(xù)穩(wěn)定的壓カ；
3、易于觀察，試驗數據精度較高；
4、液壓缸面積較大，加壓精度得到提高；
5、可用于路堤模型試驗和其他室內的模型試驗。


圖I是本裝置的結構示意圖。圖中
10—液壓系統(tǒng)，
11 一第一電磁換向閥，12 一擺線齒輪油泵，13 一油箱，16 一溢流閥，
14、15、18—第一、第二、第二電磁鐵，17 一直通式單向閥 19一第二電磁換向閥，110—壓カ繼電器，111ー壓カ表，
112—上入油ロ，113—油缸，114一下出油ロ，115—活塞，G—管線；
20—模型系統(tǒng)，
21 一路堤模型，22一木制模型箱，23一加載板，24一參照物；
30 一觀察系統(tǒng)，
31一位移讀數顯微鏡，32—滑道,33—支撐架；
40一電氣系統(tǒng)，
41 ー電氣拒，42—數顯壓カ控制器，43—延時開關，D—導線；
50—支架
51—平臺，52—支座。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例詳細說明
一、裝置的結構
I、總體
如圖I，本裝置包括液壓系統(tǒng)10、模型系統(tǒng)20、觀察系統(tǒng)30、電氣系統(tǒng)40和支架50 ；
液壓系統(tǒng)10包括第一電磁換向閥11、擺線齒輪油泵12、油箱13、溢流閥16、第一、第ニ、第三電磁鐵14、15、18、直通式單向閥17、第二電磁換向閥19、壓カ繼電器110、壓カ表111、上入油ロ 112、油缸113、下出油ロ 114和活塞115 ；
模型系統(tǒng)20包括路堤模型21、木制模型箱22、加載板23和參照物24 ；
觀察系統(tǒng)30包括位移讀數顯微鏡31、滑道32和支撐架33 ；
電氣系統(tǒng)40包括電機氣柜41、數顯壓カ控制器42和延時開關43 ；
支架50包括平臺51和支座52 ；
其位置、連接關系是
平臺51和支座52上下連接構成支架50 ；
木制模型箱22設置在支架50的平臺51上，在木制模型箱22內設置有路堤模型21，在路堤模型21的頂部設置有加載板23，在路堤模型21中設置有參照物24，構成模型系統(tǒng)20 ；
水平滑道32設置在支架50的支座52上，垂直滑道33置于水平滑道32上，位移讀數顯微鏡31置于垂直滑道33上，構成觀察系統(tǒng)30 ；
在電氣柜41內，設置有數顯壓カ控制器42和延時開關43,構成電氣系統(tǒng)40 ；
液壓系統(tǒng)10和支架50置于同一平面上，油箱13置于液壓系統(tǒng)10的最下面；油箱13、擺線齒輪油泵12、第一電磁換向閥11和油缸113的上入油ロ 112通過管線G依次連通，油缸113的活塞115和模型系統(tǒng)20的加載板23連接，實現對模型21的加壓；
油缸113的下出油ロ 114、第一電磁換向閥11、溢流閥16和油箱13通過管線G依次連通，實現對模型21的減壓和保壓；
在油缸113上設置有壓カ表111，供觀測壓力用；
在管線G上設置有壓カ繼電器110，壓カ繼電器110、數顯壓カ控制器42、第一電磁鐵14和擺線齒輪油泵12依次連接，實現加壓的控制；
延時開關43、第二電磁鐵15和第一電磁換向閥11依次連接，實現回油到油箱13 ；
延時開關43、第三電磁鐵18和第二電磁換向閥19依次連接，實現回油到油箱13。2、各部件 I)液壓系統(tǒng)10
第一電磁換向閥11 :型號是34BM-B10H-T，最大壓強值34MPa，流量40L/min，電壓220V，由上海東方液壓件廠生產。擺線齒輪油泵12 :型號PVD1-6-R，是ー種容積式內齒合齒輪油泵，該泵結構簡單，噪音低，輸油平穩(wěn)，高轉速，自吸性能好，其最大油壓是21MPa，輸油量5. 6cm3/Rev,由上海東方液壓件廠生產。油箱13 :長60cm、寬60cm、高40Cm的鐵制油箱。第一、第二、第三電磁鐵14、15、18 :型號MFBI-5.5，電壓220V，吸力5· 5N，行程4mm,由無錫大力電氣廠生產。溢流閥16 =YF-BlOH4-S,最大壓強值34MPa，流量40L/min，電壓220V，由上海東方液壓件廠生產。直通式單向閥17 :型號DIF-LlOH1，最大壓強值34MPa，流量40L/min，電壓220V，由上海東方液壓件廠生產。電磁換向閥19 :型號是24B1-B6H-T，最大壓強值34MPa，流量40L/min，電壓220V，由上海東方液壓件廠生產。壓カ繼電器110 JCS-02H，最大壓カ45MPa，由上海邱源機械有限公司生產。壓カ表111 :量程0_16MPa，由上海自動化儀表股份有限公司(自動化儀表四廠)生產。上入油ロ 112，下入油ロ 114 :位于油缸上，輸入輸出液壓油。油缸113 :外徑130mm的密封鋼制容器。管道115 :是外徑是19mm的鋼管。 液壓系統(tǒng)10的工作原理
首先是制備好椎體形狀的路堤模型21，裝入木制模型箱22中，記錄加壓前埋置在路堤模型21中的參照物24的初始坐標，然后接通380V電源；從數顯式壓カ控制器42設置需要的壓カ值，從延時開關43設置需要施加的穩(wěn)定壓カ持續(xù)的時間；
設置完畢后，由數顯式壓力控制器42發(fā)信號給第一電磁鐵14,第一電磁鐵14得電啟動擺線齒輪油泵12輸出高壓油，高壓油通過第一電磁換向閥11經過管線G、單向閥17、上入油ロ 112到達油缸113，高壓油推動活塞115向下運動施加壓カ到加載板23和路堤模型21上。當壓カ值超過預設的壓カ值時，高壓油從溢流閥16回流到油箱13中從而得到預定的壓力值；當壓カ值達到預定的壓カ值后，壓カ繼電器110得到信號通過導線D傳給數顯式壓カ控制器42，數顯式壓力控制器42發(fā)信給第一電磁鐵14，第一電磁鐵14斷開，擺線齒輪油泵12停止工作而保持所需的壓力。當由于模型21的變形等原因導致壓力變小時，壓カ繼電器110得到信號，通過導線G傳給數顯式壓力控制器42，數顯式壓力控制器42發(fā)信給第一電磁鐵14，第一電磁鐵14得電，擺線齒輪油泵12工作繼續(xù)施加壓力，達到掉壓補壓的目的。當加壓達到預設穩(wěn)壓時間后，延時開關43給第二電磁鐵15、第三電磁鐵18發(fā)信號，高壓油通過第一電磁換向閥11、第二電磁換向閥19回油到油箱13。觀察原理由讀數顯微鏡31觀察埋置在模型21中的參照物24，觀察其位置變化，由讀數顯微鏡31上的讀數得到參照物24的位移，從而得到路堤模型21的沉降和側向位移形變規(guī)律。2)模型系統(tǒng)20
路堤模型21 :呈椎體形狀；
木制模型箱22 :是長2000mm、寬800mm、高760mm的木制箱子，邊、角用角鐵固定，觀察面是IOmm厚的鋼化玻璃；
加載板23 :是長800mm、寬300mm、厚40mm的鋼板；
參照物24 :是從大頭針上裁下來的大頭針尖，埋入路堤模型中，顔色可與路堤模型區(qū)別便于觀察。3)觀察系統(tǒng)30
位移讀數顯微鏡31 :帶有讀數的顯微鏡；
滑道32 :由角鋼制成，帶有滑道，供顯微鏡31水平移動；
支撐架33 :由鋼材制成固定在模型支架上。4)電氣系統(tǒng)40電機柜41 :電路系統(tǒng)控制拒，由武漢市毅能鍛壓機械有限責任公司生產。數顯壓カ控制器42 :型號YL6050，輸出4 20mA，工作電源AC220V±10% 2W，測量范圍O 40Mpa，外型尺寸97. 5X50X88 (mm),由武漢市精エ電子研究所生產。延時控制開關43 :型號JSS48A，電源50Hz，220V，延時范圍0s_99. 99s、Omin-99. 99min、0h_99. 99h，由浙江正泰電氣股份有限公司生產。導線44 :是四芯護套電纜線。5)支架 50
平臺51 :鋼制平臺，由武漢毅能鍛壓機械有限責任公司生產；
支座52 :鋼制支撐架，由武漢毅能鍛壓機械有限責任公司生產。
權利要求
1.一種基于位移示蹤技術的路堤變形監(jiān)測模型實驗裝置，其特征在于 本裝置包括液壓系統(tǒng)(10)、模型系統(tǒng)(20)、觀察系統(tǒng)(30)、電氣系統(tǒng)(40)和支架(50); 平臺(51)和支座(52)上下連接構成支架(50)； 木制模型箱(22)設置在支架(50)的平臺(51)上，在木制模型箱(22)內設置有路堤模型(21)，在路堤模型(21)的頂部設置有加載板(23)，在路堤模型(21)中設置有參照物(24)，構成模型系統(tǒng)(20)； 水平滑道(32 )設置在支架(50 )的支座(52 )上，垂直滑道(33 )置于水平滑道(32 )上，位移讀數顯微鏡(31)置于垂直滑道(33)上，構成觀察系統(tǒng)(30)； 在電氣柜(41)內，設置有數顯壓力控制器(42)和延時開關(43)，構成電氣系統(tǒng)(40)； 液壓系統(tǒng)(10)和支架(50)置于同一平面上，油箱(13)置于液壓系統(tǒng)(10)的最下面；油箱(13)、擺線齒輪油泵(12)、第一電磁換向閥(11)和油缸(113)的上入油口(112)通過管線(G)依次連通，油缸(113)的活塞(115)和模型系統(tǒng)(20)的加載板(23)連接，實現對路堤模型(21)的加壓； 油缸(113)的下出油口(114)、第一電磁換向閥(11)、溢流閥(16)和油箱(13)通過管線(G)依次連通，實現對路堤模型(21)的減壓和保壓； 在油缸(113)上設置有壓力表(111)，供觀測壓力用； 在管線(G)上設置有壓力繼電器(110)，壓力繼電器(110)、數顯壓力控制器(42)、第一電磁鐵(14)和擺線齒輪油泵(12)依次連接，實現加壓的控制； 延時開關(43)、第二電磁鐵(15)和第一電磁換向閥(11)依次連接，實現回油到油箱(13)； 延時開關(43)、第三電磁鐵(18)和第二電磁換向閥(19)依次連接，實現回油到油箱(13)。
2.按權利要求I所述的一種基于位移示蹤技術的路堤變形監(jiān)測模型實驗裝置的試驗方法，其特征在于本方法包括以下步驟 ①在木制模型箱中，制作好椎體形狀的路堤模型，記錄加壓前埋置在路堤模型中的參照物的初始坐標； ②在電氣系統(tǒng)上，從數顯式壓力控制器設置需要的壓力值，從延時開關設置需要施加的穩(wěn)定壓力持續(xù)的時間； ③接通電源，開啟電氣工作，對路堤模型進行加壓實驗； ④通過顯微鏡進行觀察，并每隔一定的時間記錄路堤模型變形情況，待到路堤模型變形穩(wěn)定后，再增加壓力，繼續(xù)觀察記錄，循環(huán)往復上述操作直到路堤模型破壞； ⑤把前后記錄的坐標進行計算處理即可得到模型的變形數據，然后繪制變形曲線圖，進行模型穩(wěn)定性分析。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于位移示蹤技術的路堤變形監(jiān)測模型實驗裝置及其方法，涉及一種路堤變形監(jiān)測模型實驗技術。本發(fā)明通過讀數顯微鏡，觀察埋置在路堤模型中的參照物，觀察其位置變化，由讀數顯微鏡上的讀數得到參照物的位移，從而得到模型的沉降和形變規(guī)律。本裝置包括液壓系統(tǒng)(10)、模型系統(tǒng)(20)、觀察系統(tǒng)(30)、電氣系統(tǒng)(40)和支架(50)。本發(fā)明加壓操作過程簡易省時；能夠對模型施加持續(xù)穩(wěn)定的壓力；易于觀察，試驗數據精度較高；液壓缸面積較大，加壓精度得到提高；可用于路堤模型試驗和其他室內的模型試驗。
文檔編號G01N3/36GK102854073SQ20121033326
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月10日 優(yōu)先權日2012年9月10日
發(fā)明者肖衡林, 劉德富, 肖本林, 郭小川, 李麗華, 馬強, 何俊, 萬娟, 陶高梁 申請人:湖北工業(yè)大學