CN102854073A - 基于位移示踪技术的路堤变形监测模型实验装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于位移示踪技术的路堤变形监测模型实验装置及其方法，涉及一种路堤变形监测模型实验技术。本发明通过读数显微镜，观察埋置在路堤模型中的参照物，观察其位置变化，由读数显微镜上的读数得到参照物的位移，从而得到模型的沉降和形变规律。本装置包括液压系统（10）、模型系统（20）、观察系统（30）、电气系统（40）和支架（50）。本发明加压操作过程简易省时；能够对模型施加持续稳定的压力；易于观察，试验数据精度较高；液压缸面积较大，加压精度得到提高；可用于路堤模型试验和其他室内的模型试验。

Description

基于位移示踪技术的路堤变形监测模型实验装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种路堤变形监测模型实验技术，尤其涉及一种基于位移示踪技术的路堤变形监测模型实验装置及其方法。

背景技术

    路堤、边坡或基坑等的沉降稳定与否，一直是施工质量优劣与否的重要评定标准；因为沉降的快慢直接决定着路堤、边坡或基坑等的稳定性以及投入使用后的安全。因此我国岩土界的相关研究人员对稳定性和沉降快慢也做了大量的研究，得到了一些对工程实践有指导意义数据，但是这些研究中还存在着一定的弊端，需要研究人员不断地完善。

目前国内的路堤变形监测模型试验装置，有如下特征：

一、加载方法

一般有油压千斤顶加载、杠杆加载和堆积加载，均有一定的弊端：

1、油压千斤顶加载 

在加载过程中，压力有一部分损耗，无法达到准确的法向压力。

2、杠杆加载

加载原理简单，但施加的压力大小要受到安全因素的限制，而且加压过程要耗费大量的人力。

3、堆积加载

要求路堤模型的尺寸必须很大，对模型的场地要求比较严格，而且加载所需的人力物力较多。

二、观测方法

主要是使用应变观测法，通过在相应的材料上贴应变片的方式，来监测应变位移情况，在监测钢结构、桥梁结构等中较常见；但是对于检测土体就有一定的弊端。应变片需与土体协调变形，但是目前没有很好的办法保证应变片与土体协调变形，故而试验数据的准确性就有待商榷。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种基于位移示踪技术的路堤变形监测模型实验装置及其方法。

所述的位移示踪技术是：通过读数显微镜，观察埋置在路堤模型中的参照物，观察其位置变化，由读数显微镜上的读数得到参照物的位移，从而得到路堤模型的沉降和形变规律。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的加载为液压系统，主要通过摆线齿轮油泵对油施加压力，推动油缸对路堤模型加压；通过电气系统和液压系统实现对模型系统的施压、保压与补压；路堤模型的变形通过位移观察系统获得。

具体说明：

    一、基于位移示踪技术的路堤变形监测模型实验装置（简称装置）

本装置包括液压系统、模型系统、观察系统、电气系统和支架；

平台和支座上下连接构成支架；

木制模型箱设置在支架的平台上，在木制模型箱内设置有路堤模型，在路堤模型的顶部设置有加载板，在路堤模型中设置有参照物，构成模型系统；

水平滑道设置在支架的支座上，垂直滑道置于水平滑道上，位移读数显微镜置于垂直滑道上，构成观察系统；

在电气柜内，设置有数显压力控制器和延时开关，构成电气系统；

液压系统和支架置于同一平面上，油箱置于液压系统的最下面；油箱、摆线齿轮油泵、第一电磁换向阀和油缸的上入油口通过管线依次连通，油缸的活塞和模型系统的加载板连接，实现对路堤模型的加压；

油缸的下出油口、第一电磁换向阀、溢流阀和油箱通过管线依次连通，实现对路堤模型的减压和保压；

在油缸上设置有压力表，供观测压力用；

在管线上设置有压力继电器，压力继电器、数显压力控制器、第一电磁铁摆线齿轮油泵依次连接，实现加压的控制；

延时开关、第二电磁铁和第一电磁换向阀依次连接，实现回油到油箱；

延时开关、第三电磁铁和第二电磁换向阀依次连接，实现回油到油箱。

其工作原理是：

本装置利用液压系统对路堤模型进行加载，通过数显压力控制器控制电磁铁开启摆线齿轮油泵，摆线齿轮油泵工作后，从油箱内吸油，对油加压变成压力油，压力油通过单向阀进入油缸，推动油缸向下运动对路堤模型加载。当压力值达到设定值时，压力继电器工作，使电磁铁断开，加载停止进入保压阶段，压力值降低后，压力继电器发信号电磁铁得电，继续加压，从而达到“过压断电，失压保压”的功能。在加载过程中，由观察系统的位移读数显微镜观察路堤模型的变形和位移，达到精确监测的目的。

二、基于位移示踪技术的路堤变形监测模型实验方法（简称方法）

本方法包括以下步骤：

①在木制模型箱中，制作好椎体形状的路堤模型，记录加压前埋置在路堤模型中的参照物的初始坐标；

②在电气系统上，从数显式压力控制器设置需要的压力值，从延时开关设置需要施加的稳定压力持续的时间；

③接通电源，开启电气工作，对路堤模型进行加压实验；

④通过显微镜进行观察，并每隔一定的时间记录路堤模型变形情况，待到路堤模型变形稳定后，再增加压力，继续观察记录，循环往复上述操作直到路堤模型破坏；

⑤把前后记录的坐标进行计算处理即可得到路堤模型的变形数据，然后绘制变形曲线图，进行模型稳定性分析。

其工作原理是：

本模型主要针对沉降和稳定性研究设计的，在木制模型箱中按一定缩小比例填筑模型，分层填土，并且分层压实，压实度、坡比按照公路路基设计规范（JTG D302004)的相关规定确定。填料含水率根据试验方案要求确定。在填筑过程中分层布设土压力盒，通过土压力盒监测加载后各层土压力。木制模型箱的观测面是由有机玻璃做成，上面刻有以1毫米为单位的刻度，在路堤模型的顶部、底部及断面分层布设观测标记，通过读取观测标记的原坐标和加压移动后的坐标，来分析模型在上部荷载作用下沉降量和侧向位移对稳定性的影响。分级加载，上部荷载较大时，模型的断面可能产生裂隙，由于观测面透明，从而可以分析裂隙的发展方向。本模型适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时，也可以在加筋材料上帖有应变片，来检测加筋材料的应变，进而分析土工合成材料对路堤的加筋性能。

本发明具有下列优点和积极效果：

1、加压操作过程简易省时；

2、能够对模型施加持续稳定的压力；

3、易于观察，试验数据精度较高；

4、液压缸面积较大，加压精度得到提高；

5、可用于路堤模型试验和其他室内的模型试验。

附图说明

图1是本装置的结构示意图。

图中：

10—液压系统，

11—第一电磁换向阀，12—摆线齿轮油泵，13—油箱，16—溢流阀，

14、15、18—第一、第二、第三电磁铁，17—直通式单向阀

19—第二电磁换向阀，110—压力继电器，111—压力表，

112—上入油口，113—油缸，114—下出油口，115—活塞，G—管线；

20—模型系统，

21—路堤模型，22—木制模型箱，23—加载板，24—参照物；

30—观察系统，

31—位移读数显微镜，32—滑道，33—支撑架；

40—电气系统，

41—电气柜，42—数显压力控制器，43—延时开关，D—导线； 

50—支架

51—平台，52—支座。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、装置的结构

1、总体

如图1，本装置包括液压系统10、模型系统20、观察系统30、电气系统40和支架50；

液压系统10包括第一电磁换向阀11、摆线齿轮油泵12、油箱13、溢流阀16、第一、第二、第三电磁铁14、15、18、直通式单向阀17、第二电磁换向阀19、压力继电器110、压力表111、上入油口112、油缸113、下出油口114和活塞115；

模型系统20包括路堤模型21、木制模型箱22、加载板23和参照物24；

观察系统30包括位移读数显微镜31、滑道32和支撑架33；

电气系统40包括电机气柜41、数显压力控制器42和延时开关43； 

支架50包括平台51和支座52；

其位置、连接关系是：

平台51和支座52上下连接构成支架50；

木制模型箱22设置在支架50的平台51上，在木制模型箱22内设置有路堤模型21，在路堤模型21的顶部设置有加载板23，在路堤模型21中设置有参照物24，构成模型系统20；

水平滑道32设置在支架50的支座52上，垂直滑道33置于水平滑道32上，位移读数显微镜31置于垂直滑道33上，构成观察系统30；

在电气柜41内，设置有数显压力控制器42和延时开关43，构成电气系统40；

液压系统10和支架50置于同一平面上，油箱13置于液压系统10的最下面；油箱13、摆线齿轮油泵12、第一电磁换向阀11和油缸113的上入油口112通过管线G依次连通，油缸113的活塞115和模型系统20的加载板23连接，实现对模型21的加压；

油缸113的下出油口114、第一电磁换向阀11、溢流阀16和油箱13通过管线G依次连通，实现对模型21的减压和保压；

在油缸113上设置有压力表111，供观测压力用；

在管线G上设置有压力继电器110，压力继电器110、数显压力控制器42、第一电磁铁14和摆线齿轮油泵12依次连接，实现加压的控制；

延时开关43、第二电磁铁15和第一电磁换向阀11依次连接，实现回油到油箱13；

延时开关43、第三电磁铁18和第二电磁换向阀19依次连接，实现回油到油箱13。

2、各部件

1）液压系统10

第一电磁换向阀11：型号是34BM-B10H-T，最大压强值34MPa，流量40L/min,电压220V，由上海东方液压件厂生产。

摆线齿轮油泵12：型号PVD1-6-R，是一种容积式内齿合齿轮油泵，该泵结构简单，噪音低，输油平稳，高转速，自吸性能好，其最大油压是21MPa，输油量5.6cm³/Rev，由上海东方液压件厂生产。

油箱13：长60cm、宽60cm、高40Cm的铁制油箱。

第一、第二、第三电磁铁14、15、18：型号MFBI-5.5，电压220V，吸力5.5N，行程4mm，由无锡大力电气厂生产。

溢流阀16：YF-B10H₄-S，最大压强值34MPa，流量40L/min，电压220V，由上海东方液压件厂生产。

直通式单向阀17：型号DIF-L1OH₁，最大压强值34MPa，流量40L/min，电压220V，由上海东方液压件厂生产。

电磁换向阀19：型号是24B1-B6H-T，最大压强值34MPa，流量40L/min，电压220V，由上海东方液压件厂生产。

压力继电器110：JCS-02H，最大压力45MPa，由上海邱源机械有限公司生产。

压力表111：量程0-16MPa，由上海自动化仪表股份有限公司（自动化仪表四厂）生产。

上入油口112，下入油口114：位于油缸上，输入输出液压油。

油缸113：外径130mm的密封钢制容器。

管道115：是外径是19mm的钢管。

液压系统10的工作原理：

首先是制备好椎体形状的路堤模型21，装入木制模型箱22中，记录加压前埋置在路堤模型21中的参照物24的初始坐标，然后接通380V电源；从数显式压力控制器42设置需要的压力值，从延时开关43设置需要施加的稳定压力持续的时间；

设置完毕后，由数显式压力控制器42发信号给第一电磁铁14，第一电磁铁14得电启动摆线齿轮油泵12输出高压油，高压油通过第一电磁换向阀11经过管线G、单向阀17、上入油口112到达油缸113，高压油推动活塞115向下运动施加压力到加载板23和路堤模型21上。

当压力值超过预设的压力值时，高压油从溢流阀16回流到油箱13中从而得到预定的压力值；当压力值达到预定的压力值后，压力继电器110得到信号通过导线D传给数显式压力控制器42，数显式压力控制器42发信给第一电磁铁14，第一电磁铁14断开，摆线齿轮油泵12停止工作而保持所需的压力。

当由于模型21的变形等原因导致压力变小时，压力继电器110得到信号，通过导线G传给数显式压力控制器42，数显式压力控制器42发信给第一电磁铁14，第一电磁铁14得电，摆线齿轮油泵12工作继续施加压力，达到掉压补压的目的。

当加压达到预设稳压时间后，延时开关43给第二电磁铁15、第三电磁铁18发信号，高压油通过第一电磁换向阀11、第二电磁换向阀19回油到油箱13。

观察原理：由读数显微镜31观察埋置在模型21中的参照物24，观察其位置变化，由读数显微镜31上的读数得到参照物24的位移，从而得到路堤模型21的沉降和侧向位移形变规律。

2）模型系统20

路堤模型21：呈椎体形状；

木制模型箱22：是长2000mm、宽800mm、高760mm的木制箱子，边、角用角铁固定，观察面是10mm厚的钢化玻璃；

加载板23：是长800mm、宽300mm、厚40mm的钢板；

参照物24：是从大头针上裁下来的大头针尖，埋入路堤模型中，颜色可与路堤模型区别便于观察。

3）观察系统30

位移读数显微镜31：带有读数的显微镜；

滑道32：由角钢制成，带有滑道，供显微镜31水平移动；

支撑架33：由钢材制成固定在模型支架上。

4）电气系统40

电机柜41：电路系统控制柜，由武汉市毅能锻压机械有限责任公司生产。

数显压力控制器42：型号YL6050，输出4～20mA，工作电源AC220V±10％　2W，测量范围0～40Mpa，外型尺寸97.5×50×88（mm），由武汉市精工电子研究所生产。

延时控制开关43：型号JSS48A，电源50Hz，220V，延时范围0s-99.99s、

0min-99.99min、0h-99.99h，由浙江正泰电气股份有限公司生产。

导线44：是四芯护套电缆线。 

5）支架50

平台51：钢制平台，由武汉毅能锻压机械有限责任公司生产；

支座52：钢制支撑架，由武汉毅能锻压机械有限责任公司生产。

Claims (2)

1.一种基于位移示踪技术的路堤变形监测模型实验装置，其特征在于：

本装置包括液压系统（10）、模型系统（20）、观察系统（30）、电气系统（40）和支架（50）；

平台（51）和支座（52）上下连接构成支架（50）；

木制模型箱（22）设置在支架（50）的平台（51）上，在木制模型箱（22）内设置有路堤模型（21），在路堤模型（21）的顶部设置有加载板（23），在路堤模型（21）中设置有参照物（24），构成模型系统（20）；

水平滑道（32）设置在支架（50）的支座（52）上，垂直滑道（33）置于水平滑道（32）上，位移读数显微镜（31）置于垂直滑道（33）上，构成观察系统（30）；

在电气柜（41）内，设置有数显压力控制器（42）和延时开关（43），构成电气系统（40）；

液压系统（10）和支架（50）置于同一平面上，油箱（13）置于液压系统（10）的最下面；油箱（13）、摆线齿轮油泵（12）、第一电磁换向阀（11）和油缸（113）的上入油口（112）通过管线（G）依次连通，油缸（113）的活塞（115）和模型系统（20）的加载板（23）连接，实现对路堤模型（21）的加压；

油缸（113）的下出油口（114）、第一电磁换向阀（11）、溢流阀（16）和油箱（13）通过管线（G）依次连通，实现对路堤模型（21）的减压和保压；

在油缸（113）上设置有压力表（111），供观测压力用；

在管线（G）上设置有压力继电器（110），压力继电器（110）、数显压力控制器（42）、第一电磁铁（14）和摆线齿轮油泵（12）依次连接，实现加压的控制；

延时开关（43）、第二电磁铁（15）和第一电磁换向阀（11）依次连接，实现回油到油箱（13）；

延时开关（43）、第三电磁铁（18）和第二电磁换向阀（19）依次连接，实现回油到油箱（13）。

2.按权利要求1所述的一种基于位移示踪技术的路堤变形监测模型实验装置的试验方法，其特征在于本方法包括以下步骤：

①在木制模型箱中，制作好椎体形状的路堤模型，记录加压前埋置在路堤模型中的参照物的初始坐标；

②在电气系统上，从数显式压力控制器设置需要的压力值，从延时开关设置需要施加的稳定压力持续的时间；

③接通电源，开启电气工作，对路堤模型进行加压实验；

④通过显微镜进行观察，并每隔一定的时间记录路堤模型变形情况，待到路堤模型变形稳定后，再增加压力，继续观察记录，循环往复上述操作直到路堤模型破坏；

⑤把前后记录的坐标进行计算处理即可得到模型的变形数据，然后绘制变形曲线图，进行模型稳定性分析。

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