CN102359907A - 土工离心机试验的模型差异沉降控制装置 - Google Patents

土工离心机试验的模型差异沉降控制装置 Download PDF

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Abstract

一种土工离心机试验的模型差异沉降控制装置，其组成为：模型箱箱底的一侧固定有两列支撑墩，两列支撑墩上部支撑有不动板；箱底的另一侧固定有两列升降机，两列升降机上部的法兰盘上固定有升降板；不动板及升降板上填筑路堤模型；升降机通过安装于模型箱箱底的转向箱与步进伺服电机相连，步进伺服电机与土工离心机的外部控制系统电连接。该装置能够在离心机运转状态下实现模型差异沉降的实时精确控制，从而掌握地基不均匀变形在路堤填土中的传递、扩散规律以及对路基面不均匀沉降特性的影响，为完善铁路与公路工程中不同结构物的均匀过渡技术提供可靠的试验依据。

Description

土工离心机试验的模型差异沉降控制装置
技术领域
本发明涉及一种土工离心模型试验装置，尤其涉及一种土工离心模型试验的模型差异沉降控制装置。
背景技术
铁路和公路路基是一种带状结构物，在路堤与桥台交界处、路基与横向结构物连接处、地基土层变化较大部位及地基处理措施变化处，容易产生差异沉降，导致轨面的不平顺和路面的不平整，致使车辆高速通过时引起剧烈振动，影响乘坐的舒适性和行车的平稳性，严重时甚至危及行车安全。这种差异沉降主要是由地基的不均匀变形引起的，通过试验研究地基不均匀变形在路堤填土中的传递规律及引起的路基面不均匀沉降特性，对掌握铁路和公路工程中不同结构物均匀过渡技术具有重要理论意义及工程应用价值。
土工离心模型试验作为一种可再现原型结构特性的试验方法，已在土力学及岩土工程中的各个领域得到了广泛应用。目前，土工离心模型试验中的地基差异沉降常用模拟方法是：首先在模型箱底填筑不同强度的模型地基，然后将模型路堤放置在模型地基上，通过对模型箱内的模型施加离心力，引起不同强度的模型地基产生差异变形，进而引起模型路堤填土的不均匀变形及路基面的不均匀沉降。由于不同强度的模型地基差异变形可控性较差，不能准确地掌握地基差异变形对路堤填土不均匀变形及路基面不均匀沉降的影响规律。
发明内容
本发明的目的是提供一种土工离心机试验的模型差异沉降控制装置，该装置操作简单方便，能够在离心机运转状态下实现模型差异沉降的实时精确控制，从而掌握地基不均匀变形在路堤填土中的传递、扩散规律以及对路基面不均匀沉降特性的影响，为完善铁路与公路工程不同结构物的均匀过渡技术提供可靠的试验依据。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种土工离心机试验的模型差异沉降控制装置，其组成为：模型箱箱底的一侧固定有两列支撑墩，两列支撑墩上部支撑有不动板；箱底的另一侧固定有两列升降机，两列升降机上部的法兰盘上固定有升降板；不动板及升降板上填筑路堤模型；升降机通过安装于模型箱箱底的转向箱与步进伺服电机相连，步进伺服电机与土工离心机的外部控制系统电连接。
本发明的工作过程和原理是：试验前通过步进伺服电机带动升降机升降使升降板和不动板齐平位于同一水平位置；将路堤模型填筑在升降板和不动板上；当土工离心机运转达到试验要求时，在外部控制系统控制下，步进伺服电机带动升降机上的法兰盘升降，使升降板发生精确可控的垂向位移，从而在升降板和不动板之间产生垂向错位，以模拟地基的差异沉降；同时，对路堤模型的纵截面变形及表面位移进行测试，即可得出地基的差异沉降对路堤模型不均匀沉降变形的影响。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、在离心机运转状态下，通过控制步进伺服电机驱动升降机带动升降板产生垂向位移，实现模型差异沉降的实时精确控制，差异沉降的控制精度可达微米级，从而可对地基差异沉降在路堤填土中的传递、扩散特征以及引起的路基面不均匀沉降进行准确模拟，为深入分析铁路与公路工程中不同结构物的均匀过渡特性提供了全面精细的试验数据。
二、在离心机运转状态下，通过外部控制系统对步进伺服电机进行控制，可使沉降板产生分级定量的垂向位移，实现了模型地基差异沉降逐步发展的全过程模拟。试验操作简单方便、用时短、效率高。
三、该模型差异沉降控制装置为机电结构，不包括液压和气压器件，避免了漏油、漏气现象的发生，且具有结构紧凑，占用空间小，可靠性高，使用维护简单方便的特点。
上述的不动板和升降板之间还设有倾斜板，倾斜板的一边搭接在一列支撑墩上，另一边搭接在一列升降机的法兰盘上。
这样，步进伺服电机驱动升降机带动升降板产生垂向位移，倾斜板发生倾斜，从而可以模拟不同地基交界处发生渐变式差异沉降的情形，以分析研究这种地基渐变式差异沉降对路堤不均匀变形及路基面不均匀沉降的影响，使本发明的使用范围更广。
上述的升降机通过转向箱与步进伺服电机相连的具体结构是：步进伺服电机的输出轴与转向箱的输入轴相连，转向箱的输出轴与升降机的输入轴相连。
这样，由步进伺服电机通过转向箱同时驱动多台升降机，可实现各升降机的精确同步沉降，进一步提高了模型差异沉降控制的精确度和可靠性。
上述的升降机为梯形丝杆型蜗轮丝杆升降机。
梯形丝杆型蜗轮丝杆升降机的梯形丝杆具有自锁功能，能更好地保证升降板沉降位置的精确定位。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例一的升降板和不动板齐平时的剖视结构示意图。
图2是图1的A-A剖视图。
图3是本发明实施例一的升降板发生了沉降的剖视结构示意图。
图4本发明实施例二的升降板、倾斜板和不动板齐平时的剖视结构示意图。
图5是图4的B-B剖视图。
图6是本发明实施例二的升降板和倾斜板发生了沉降的剖视结构示意图
具体实施方式
实施例一
图1～3示出，本发明的第一种具体实施方式为，一种土工离心机试验的模型差异沉降控制装置，其组成为：模型箱100箱底的一侧固定有两列支撑墩301、302，两列支撑墩301、302上部支撑有不动板201；箱底的另一侧固定有两列升降机401、402，两列升降机401、402上部的法兰盘上固定有升降板202；不动板201及升降板202上填筑路堤模型700；升降机401、402通过安装于模型箱100箱底的转向箱600与步进伺服电机500相连，步进伺服电机500与土工离心机外部控制系统电连接。
图2及图1、图3示出，本实施例的升降机401、402通过转向箱600与步进伺服电机500相连的具体结构是：步进伺服电机500的输出轴与转向箱600的输入轴相连，转向箱600的输出轴与升降机401、402的输入轴相连。
本实施例的升降机401、402为梯形丝杆型蜗轮丝杆升降机。
本实施例的工作过程和原理是：试验前通过步进伺服电机500带动升降机401、402升降使升降板202和不动板201齐平位于同一水平位置；将路堤模型700填筑在升降板202和不动板201上；当土工离心机运转达到试验要求时，在外部控制系统控制下，步进伺服电机500带动升降机401、402上的法兰盘升降，使升降板201发生精确可控的垂向位移，从而在升降板202和不动板201之间产生了垂向错位，以模拟地基的差异沉降；同时，对路堤模型700的纵截面变形及表面位移进行测试，即可得出地基的差异沉降对路堤模型700不均匀沉降变形的影响。
实施例二
图4～6示出，本发明的第二种具体实施方式为，一种土工离心机试验的模型差异沉降控制装置，其组成为：模型箱100箱底的一侧固定有两列支撑墩301、302，两列支撑墩301、302上部支撑有不动板201；箱底的另一侧固定有两列升降机401、402，两列升降机401、402上部的法兰盘上固定有升降板202；不动板201及升降板202上填筑路堤模型700；升降机401、402通过安装于模型箱100箱底的转向箱600与步进伺服电机500相连，步进伺服电机500与土工离心机外部控制系统电连接。本实施例的不动板201和升降板202之间还设有倾斜板203，倾斜板203的一边搭接在一列支撑墩301上，另一边搭接在一列升降机401的法兰盘上。
图5及图4、图6示出，本实施例的升降机401、402通过转向箱600与步进伺服电机500相连的具体结构是：步进伺服电机500的输出轴与转向箱600的输入轴相连，转向箱600的输出轴与升降机401、402的输入轴相连。
本实施例的升降机401、402为梯形丝杆型蜗轮丝杆升降机。
本实施例的工作过程和原理是：试验前通过步进伺服电机500带动升降机401、402升降使升降板202、倾斜板203及不动板201的上表面齐平位于同一水平位置，将路堤模型700填筑在升降板202、倾斜板203和不动板201上，见图4。当土工离心机运转达到试验要求时，在外部控制装置控制下，步进伺服电机500带动升降机升降，使升降板202发生精确可控的垂向位移，一边搭接在支撑墩301上、另一边搭接在升降机401的法兰盘上的倾斜板203发生倾斜，从而模拟不同地基交界处发生渐变式差异沉降的情形，见图6。同时，对路堤模型700的纵截面变形及表面位移进行测试，即可得出地基的差异沉降对路堤模型700不均匀沉降变形的影响。
本发明在实施时，各升降机401、402通过转向箱600共用一台步进伺服电机500，也可分组使用多台步进伺服电机。升降机及其驱动装置除可以是以上的步进伺服电机驱动的机械式升降机外，还可以是液压驱动的液压式升降机。

Claims (4)

1.一种土工离心机试验的模型差异沉降控制装置，其组成为：模型箱(100)箱底的一侧固定有两列支撑墩(301、302)，两列支撑墩(301、302)上部支撑有不动板(201)；箱底的另一侧固定有两列升降机(401、402)，两列升降机(401、402)上部的法兰盘上固定有升降板(202)；不动板(201)及升降板(202)上填筑路堤模型(700)；升降机(401、402)通过安装于模型箱(100)箱底的转向箱(600)与步进伺服电机(500)相连，步进伺服电机(500)与土工离心机的外部控制系统电连接。
2.根据权利要求1所述一种土工离心机试验的模型差异沉降控制装置，其特征在于：所述的不动板(201)和升降板(202)之间还设有倾斜板(203)，倾斜板(203)的一边搭接在一列支撑墩(301)上；另一边搭接在一列升降机(401)的法兰盘上。
3.根据权利要求1所述一种土工离心机试验的模型差异沉降控制装置，其特征在于，所述的升降机(401、402)通过转向箱(600)与步进伺服电机(500)相连的具体结构是：步进伺服电机(500)的输出轴与转向箱(600)的输入轴相连，转向箱(600)的输出轴与升降机(401、402)的输入轴相连。
4.根据权利要求1所述一种土工离心机试验的模型差异沉降控制装置，其特征在于：所述的升降机(401、402)为梯形丝杆型蜗轮丝杆升降机。
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