離心模型試驗(yàn)豎向大行程加荷裝置及測試方法
【專利摘要】離心模型試驗(yàn)豎向大行程加荷裝置，由模型箱、步進(jìn)電機(jī)、齒輪、蝸輪蝸桿和荷重傳感器組成，步進(jìn)電機(jī)、齒輪和蝸輪蝸桿設(shè)置在模型箱的頂蓋上表面，所述步進(jìn)電機(jī)水平設(shè)置，渦輪軸采用滾珠絲杠，滾珠絲杠垂直穿過模型箱頂蓋，模型箱頂蓋的下方、渦輪軸的下端設(shè)有荷重傳感器，所述步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸經(jīng)齒輪減速后連接至蝸桿。本發(fā)明能夠進(jìn)行大行程的豎向加荷；能夠施加大幅值豎向拉壓力；采用應(yīng)變式控制，能夠持續(xù)穩(wěn)定地施加側(cè)向荷載，加荷速率可調(diào)；能夠在加載同時(shí)測得豎向荷載-位移曲線；有利于土工離心模型的布置；本發(fā)明的操作十分安全；本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制。
【專利說明】離心模型試驗(yàn)豎向大行程加荷裝置及測試方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于土工離心機(jī)上的輔助裝置，具體涉及一種可用于進(jìn)行豎向大行程加荷工況離心模型試驗(yàn)的裝置，特別適用于在離心模型試驗(yàn)中模擬豎向的長距離運(yùn)動(dòng)過程，如樁基的壓入或拔出、靜力觸探測試、深海海洋平臺(tái)吸力錨施工、箱筒形或桶式基礎(chǔ)防波堤的下沉施工、靜力觸探試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)等等。

【背景技術(shù)】
[0002]巖土工程中有很多結(jié)構(gòu)物的施工或測試主要是豎向的長距離運(yùn)動(dòng)，即豎向打入、壓入以及拔出，最顯著的代表就是各種樁基礎(chǔ)，另外還有用于深海海洋平臺(tái)的吸力式錨樁[張建紅，林小靜深海海洋平臺(tái)基礎(chǔ)簡介[J]，巖土工程界，2004，7(12): 19-22]、張力腿平臺(tái)基礎(chǔ)[張建紅，林小靜，魯曉兵水平荷載作用下張力腿平臺(tái)吸力式基礎(chǔ)的物理模擬[J]巖土工程學(xué)報(bào)，2007，29(1): 77-81]，以及箱筒形基礎(chǔ)防波堤[李偉，別社安.天津港箱筒形基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)工程試驗(yàn)[A]港口工程分會(huì)技術(shù)交流文集[C]中國港口工程建設(shè)新發(fā)展學(xué)術(shù)研討會(huì)2005，中國北京182-191]、桶形基礎(chǔ)[施曉春，龔曉南，俞建霖，陳國祥桶形基礎(chǔ)抗拔力試驗(yàn)研究[J]建筑結(jié)構(gòu)，2003，33(8): 49-56]等。對(duì)于這些結(jié)構(gòu)物，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了大量的理論分析和試驗(yàn)研究，其中離心模型試驗(yàn)是重要的研究手段，研究內(nèi)容主要集中在樁基礎(chǔ)(單樁及群樁)的承載力、變形特性；樁基礎(chǔ)的抗拔特性；海洋平臺(tái)基礎(chǔ)、箱筒形基礎(chǔ)、桶形基礎(chǔ)在荷載作用下的穩(wěn)定性及變形等。目前專門研究這類結(jié)構(gòu)物施工過程的研究尚屬少見，
巖土工程中還有一類重要的測試屬于豎向的長距離運(yùn)動(dòng)，即靜力觸探試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，這些試驗(yàn)多用于現(xiàn)場勘查，試驗(yàn)結(jié)果可用于確定土體密實(shí)度、強(qiáng)度、承載力等，還可用于估算單樁承載力、評(píng)價(jià)地基液化可能性等，應(yīng)用十分廣泛[《工程地質(zhì)手冊(cè)》編委會(huì)工程地質(zhì)手冊(cè)[M]北京，中國建筑工業(yè)出版社，2007]。但這類試驗(yàn)應(yīng)用于離心模型試驗(yàn)中，除了要特別制作小型的觸探錐頭，還必須研制專門的加載裝置[M.Katagiri, M.0kamura,1998.Cone penetrat1n test.Centrifuge 98, Kimura, Kusakabe & Takemura (eds)Balkema, 1059-1065]。
[0003]目前適用于離心模型試驗(yàn)的豎向大行程加荷裝置尚未見報(bào)導(dǎo)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種離心模型試驗(yàn)豎向大行程加荷裝置，旨在解決離心機(jī)高重力加速度場下的以下關(guān)鍵問題:現(xiàn)有技術(shù)不能進(jìn)行豎向大行程加荷。本發(fā)明還將提供這種離心模型試驗(yàn)豎向大行程加荷的測試方法。
[0005]完成上述發(fā)明任務(wù)的技術(shù)方案是:離心模型試驗(yàn)豎向大行程加荷裝置，由模型箱、步進(jìn)電機(jī)、齒輪、蝸輪蝸桿和荷重傳感器組成，步進(jìn)電機(jī)、齒輪和蝸輪蝸桿設(shè)置在模型箱的頂蓋上表面，所述步進(jìn)電機(jī)水平設(shè)置，渦輪軸采用滾珠絲杠，滾珠絲杠垂直穿過模型箱頂蓋，模型箱頂蓋的下方、渦輪軸的下端設(shè)有荷重傳感器，所述步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸經(jīng)齒輪減速后連接至蝸桿。
[0006]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述離心模型試驗(yàn)豎向大行程加荷裝置還設(shè)有導(dǎo)向支座，所述導(dǎo)向支座的兩個(gè)導(dǎo)向軌垂直固定在模型箱頂蓋的上表面，蝸輪軸的上端設(shè)有滑塊，滑塊和導(dǎo)向軌可滑動(dòng)連接。采用導(dǎo)向支架保證渦輪軸只進(jìn)行豎向運(yùn)動(dòng)，渦輪軸貫穿渦輪，實(shí)現(xiàn)最大達(dá)到渦輪軸長度的大行程運(yùn)動(dòng)。
[0007]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述模型箱內(nèi)設(shè)有模型。
[0008]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述離心模型試驗(yàn)豎向大行程加荷裝置還設(shè)有控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括單片機(jī)，用于采集荷重傳感器的數(shù)據(jù)，控制步進(jìn)電機(jī)的加荷速率，以恒定加荷速率(等應(yīng)變速率控制模式)工作，在設(shè)定范圍0.02-8mm/min內(nèi)可調(diào)，無級(jí)變速。
[0009]1.本裝置由3部分組成:驅(qū)動(dòng)部分、傳動(dòng)加荷部分和控制部分；
2.驅(qū)動(dòng)部分包括:步進(jìn)電機(jī)和蝸輪，步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，驅(qū)動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)；
3.傳動(dòng)加荷部分包括:渦輪軸、導(dǎo)向支架和拉壓力傳感器，渦輪軸將渦輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為豎向的直線運(yùn)動(dòng)，且在渦輪軸的高效傳動(dòng)下，豎向最大拉(壓)力可達(dá)10 kN ;采用導(dǎo)向支架保證渦輪軸只進(jìn)行豎向運(yùn)動(dòng)，渦輪軸貫穿渦輪，實(shí)現(xiàn)最大達(dá)到渦輪軸長度的大行程運(yùn)動(dòng)；渦輪軸下端連接拉壓力傳感器，準(zhǔn)確測量所施加的豎向拉壓平力；
4.控制部分包括單片機(jī)，控制裝置的加荷速率，以恒定加荷速率(等應(yīng)變速率控制模式)工作，在設(shè)定范圍0.02-8mm/min內(nèi)可調(diào),無級(jí)變速；
5.裝置采用高強(qiáng)度螺栓與模型箱相連接固定。
[0010]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明另一個(gè)發(fā)明目的的技術(shù)方案是:離心模型試驗(yàn)豎向大行程加荷測試方法，包括以下步驟:
步驟I確定需要模擬的豎向大行程加荷特征值，具體指加荷幅值、加荷速率，按離心模型試驗(yàn)相似率進(jìn)行換算；
步驟2制備模型，安裝各部件，將電源線、傳感器線通過離心機(jī)滑環(huán)連接至控制室內(nèi)； 步驟3啟動(dòng)電機(jī)，調(diào)整好渦輪軸和拉壓力傳感器的位置后關(guān)閉電機(jī)；
步驟4在離心機(jī)高重力場下，設(shè)定好加荷速率，啟動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)渦輪軸和拉壓力傳感器勻速運(yùn)動(dòng)(等應(yīng)變速率控制模式)，帶動(dòng)模型后，荷重傳感器開始記錄施加的豎向拉(壓)荷載，根據(jù)應(yīng)變速率計(jì)算模型在荷載下的位移，得到荷載-位移曲線，直至試驗(yàn)結(jié)束。
[0011]本發(fā)明的裝置與方法具有以下特點(diǎn):
1，能在離心機(jī)高重力場下正常運(yùn)行；有利于土工離心模型的布置；本發(fā)明的操作十分安全；本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制。
[0012]2，能夠進(jìn)行大行程的豎向加荷，行程可達(dá)15 cm。
[0013]3，以應(yīng)變控制方式工作，推動(dòng)速率恒定，能夠持續(xù)穩(wěn)定地對(duì)試驗(yàn)研究目標(biāo)施加豎向荷載，加荷速率在0.02-8mm/min設(shè)定范圍內(nèi)可調(diào)，無級(jí)變速。
[0014]4，能夠提供較大幅值的豎向拉壓力，幅值可達(dá)10 kN。
[0015]5，能夠即時(shí)測得豎向荷載-位移曲線。
[0016]本發(fā)明能夠進(jìn)行大行程的豎向加荷；能夠施加大幅值豎向拉壓力；采用應(yīng)變式控制，能夠持續(xù)穩(wěn)定地施加側(cè)向荷載，加荷速率可調(diào)；能夠在加載同時(shí)測得豎向荷載-位移曲線；有利于土工離心模型的布置；本發(fā)明的操作十分安全；本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0018]實(shí)施例1
請(qǐng)參見附圖1所示，離心模型試驗(yàn)豎向大行程加荷裝置10由模型箱6、步進(jìn)電機(jī)1、齒輪2、蝸輪蝸桿3、荷重傳感器4、導(dǎo)向支座5和控制系統(tǒng)8組成。步進(jìn)電機(jī)1、齒輪2和蝸輪蝸桿3設(shè)置在模型箱頂蓋61的上表面，步進(jìn)電機(jī)I水平設(shè)置，渦輪軸31采用滾珠絲杠，渦輪軸31垂直穿過模型箱頂蓋61，模型箱頂蓋61的下方、渦輪軸31的下端設(shè)有荷重傳感器4，步進(jìn)電機(jī)I轉(zhuǎn)軸經(jīng)齒輪2減速后連接至蝸桿。模型箱6內(nèi)設(shè)有模型7。
[0019]導(dǎo)向支座5的兩個(gè)導(dǎo)向軌51垂直固定在模型箱頂蓋61的上表面,蝸輪軸31的上端設(shè)有滑塊32，滑塊32和導(dǎo)向軌可滑動(dòng)51連接。
[0020]控制系統(tǒng)8，包括單片機(jī)，用于采集荷重傳感器的數(shù)據(jù)，控制步進(jìn)電機(jī)的加荷速率，以恒定加荷速率(等應(yīng)變速率控制模式)工作，在設(shè)定范圍0.02-8mm/min內(nèi)可調(diào)，無級(jí)變速。
[0021]離心模型試驗(yàn)豎向大行程加荷裝置由3部分組成:驅(qū)動(dòng)部分、傳動(dòng)加荷部分和控制部分。驅(qū)動(dòng)部分包括:步進(jìn)電機(jī)I和蝸輪3蝸桿，步進(jìn)電機(jī)I作為驅(qū)動(dòng)源，驅(qū)動(dòng)蝸輪31轉(zhuǎn)動(dòng)；傳動(dòng)加荷部分包括:渦輪軸31、導(dǎo)向支架5和拉壓力傳感器4，渦輪軸31將渦輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為豎向的直線運(yùn)動(dòng)，且在渦輪軸31的高效傳動(dòng)下，豎向最大拉(壓)力可達(dá)10 kN；采用導(dǎo)向支架保證渦輪軸31只進(jìn)行豎向運(yùn)動(dòng)，渦輪軸31貫穿渦輪，實(shí)現(xiàn)最大達(dá)到渦輪軸長度的大行程運(yùn)動(dòng)；渦輪軸31下端連接拉壓力傳感器，準(zhǔn)確測量所施加的豎向拉壓平力；控制部分包括單片機(jī)，控制設(shè)備的加荷速率，以恒定加荷速率(等應(yīng)變速率控制模式)工作，在設(shè)定范圍0.02-8mm/min內(nèi)可調(diào)，無級(jí)變速。設(shè)備采用高強(qiáng)度螺栓與模型箱相連接固定。
[0022]離心模型試驗(yàn)豎向大行程加荷測試方法，包括以下步驟:
步驟I確定需要模擬的豎向大行程加荷特征值，具體指加荷幅值、加荷速率，按離心模型試驗(yàn)相似率進(jìn)行換算；
步驟2制備模型軟土地基、將模型桶形基礎(chǔ)防波堤放置于地基上；安裝本裝置，將電源線、傳感器線通過離心機(jī)滑環(huán)連接至控制室內(nèi)；
步驟3啟動(dòng)電機(jī)，調(diào)整好渦輪軸和拉壓力傳感器的位置后關(guān)閉電機(jī)；
步驟4在離心機(jī)高重力場下，設(shè)定好加荷速率，啟動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)渦輪軸和拉壓力傳感器勻速運(yùn)動(dòng)(等應(yīng)變速率控制模式)，帶動(dòng)模型后，荷重傳感器開始記錄施加的豎向壓荷載，模擬桶形基礎(chǔ)防波堤的沉貫施工過程，通過力傳感器的數(shù)據(jù)變化，判斷桶形基礎(chǔ)防波堤是否沉貫到位(即桶頂板內(nèi)側(cè)是否接觸到地基面)，根據(jù)應(yīng)變速率計(jì)算模型在荷載下的位移，得到荷載-位移曲線，直至試驗(yàn)結(jié)束。
【權(quán)利要求】
1.離心模型試驗(yàn)豎向大行程加荷裝置，由模型箱、步進(jìn)電機(jī)、齒輪、蝸輪蝸桿和荷重傳感器組成，其特征在于，步進(jìn)電機(jī)、齒輪和蝸輪蝸桿設(shè)置在模型箱的頂蓋上表面，所述步進(jìn)電機(jī)水平設(shè)置，渦輪軸采用滾珠絲杠，滾珠絲杠垂直穿過模型箱頂蓋，模型箱頂蓋的下方、渦輪軸的下端設(shè)有荷重傳感器，所述步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸經(jīng)齒輪減速后連接至蝸桿。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述離心模型試驗(yàn)豎向大行程加荷裝置還設(shè)有導(dǎo)向支座，所述導(dǎo)向支座的兩個(gè)導(dǎo)向軌垂直固定在模型箱頂蓋的上表面，蝸輪軸的上端設(shè)有滑塊，滑塊和導(dǎo)向軌可滑動(dòng)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述模型箱內(nèi)設(shè)有模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述離心模型試驗(yàn)豎向大行程加荷裝置還設(shè)有控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括單片機(jī)，用于采集荷重傳感器的數(shù)據(jù)，控制步進(jìn)電機(jī)的加荷速率，以恒定加荷速率工作，在設(shè)定范圍0.02-8mm/min內(nèi)可調(diào)，無級(jí)變速。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置的離心模型試驗(yàn)豎向大行程加荷測試方法，其特征在于，步驟如下: 步驟I確定需要模擬的豎向大行程加荷特征值，具體指加荷幅值、加荷速率，按離心模型試驗(yàn)相似率進(jìn)行換算； 步驟2制備模型，安裝各部件，將電源線、傳感器線通過離心機(jī)滑環(huán)連接至控制室內(nèi)； 步驟3啟動(dòng)電機(jī)，調(diào)整好渦輪軸和拉壓力傳感器的位置后關(guān)閉電機(jī)； 步驟4在離心機(jī)高重力場下，設(shè)定好加荷速率，啟動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)渦輪軸和拉壓力傳感器勻速運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)模型后，荷重傳感器開始記錄施加的豎向拉荷載，根據(jù)應(yīng)變速率計(jì)算模型在荷載下的位移，得到荷載-位移曲線，直至試驗(yàn)結(jié)束。
【文檔編號(hào)】G01M13/00GK104132802SQ201410292489
【公開日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月26日
【發(fā)明者】顧行文, 徐光明, 蔡正銀, 茅加峰, 任國峰, 徐惠, 關(guān)云飛, 黃英豪, 李景林, 曹永勇 申請(qǐng)人:水利部交通運(yùn)輸部國家能源局南京水利科學(xué)研究院