CN104075921A - 离心模型地基土层固结仪 - Google Patents

Abstract

离心模型地基土层固结仪，由调平装置、杠杆加载装置、导向传力装置、固结容器和框架组成，调平装置由手轮和蜗轮蜗杆机构组成；杠杆加载装置包括水平杠杆、连接装置和砝码吊盘，连接装置包括横轴和设置在横轴两端的偏心传动轴，偏心传动轴由主体轴和偏心轴组成，主体轴的一端设有偏心孔，另一端设有偏心轴；涡轮轴竖直设置，手轮通过齿轮带动蜗杆，驱动涡轮轴上下运动；连接装置和砝码吊盘分别连接在水平杠杆的两端，横轴水平设置并与水平杠杆垂直固定连接，横轴端部通过偏心孔与偏心传动轴固定连接；涡轮轴的底部和横轴可转动连接，偏心轴通过滚动轴承和加压头连接，加压头底端传力杆顶端相接触，传力杆的下端和固结容器内的加压板固定连接。

Description

离心模型地基土层固结仪

技术领域

本发明涉及一种应用于土工离心模型试验的辅助设备，具体涉及一种可用于开展土体固结的设备，特别适用于离心模型地基土层的制备，能够精确模拟出实际成层地基中各层土体的物理力学特性，为开展离心模型试验奠定最重要的基础。

背景技术

土工离心模型试验技术是一项崭新的土工物理模型技术。通过施加在模型上的离心惯性力使模型的容重变大，从而使模型的应力与原型一致，这样就可以用模型反映、表示原型。离心模型是各类物理模型中相似性最好的模型。我国岩土力学研究的开拓者、两院院士黄文熙先生称“离心模型是土工模型试验技术发展的里程碑”。离心模型方法在国内外受到广泛的重视，模型试验技术也有了飞速的发展与进步，试验的研究内容已涉及了几乎所有的岩土工程研究领域，已成为岩土工程技术研究中的最主要、最有效的研究手段。

土样制备是土工试验中最基础最重要的工作之一，离心模型试验中关于地基土的制备主要有以下方法：1，砂雨法[K.Ueno,1998.Methods for preparation of sand samples.Centrifuge 98,Kimura,Kusakabe & Takemura(eds)Balkema,1047-1055]，此法主要针对无粘性土，通过控制落距、筛孔来控制砂土的干密度，应用较广泛，主要制备中、低密度的砂土地基，但目前国内外尚无统一的标准；2，击实法，此法主要通过夯击来制备密实度较高的地基，可以用于含水率接近最优含水率的非饱和粘性土地基，也可制备砂土地基。以上2种方法中，砂雨法制备的地基对扰动特别敏感，受落距、筛孔大小、筛孔分布型式影响较大，不适合制备多层地基；击实法对模型箱内的土体振动影响很大，击实当前土层极易冲击到下卧土层，也不适合制备多层地基.

压样法是室内土工试验制备土样的常用方法，在环刀内通过活塞用静压力将土样压实到所需密度[南京水利科学研究院土工研究所.土工试验技术手册[M].北京：人民交通出版社,2003]。这种方法无振动，可以应用于离心模型多层地基的制备，但没有相关的设备，本发明受土体固结试验[中华人民共和国国家标准.GB/T 50123-1999土工试验方法标准[S].北京：中国计划出版社,2007]启发，应用常规固结仪的原理，结合土工离心模型的特点，研制适用于离心模型的地基土层固结仪。

参考文献：

发明内容

本发明的目的是提供一种离心模型地基土层固结仪，旨在解决离心模型试验中的以下关键问题：1，现有技术只能制备无粘性土地基和非饱和粘性土地基；2，现有技术难以实现精确控制；3，现有技术难以制备分层土层。

完成上述发明任务的技术方案是：一种离心模型地基土层固结仪，由调平装置、杠杆加载装置、导向传力装置、固结容器和框架组成，所述调平装置由手轮和蜗轮蜗杆机构组成；所述杠杆加载装置包括水平杠杆、连接装置和砝码吊盘，连接装置包括横轴和偏心传动轴，偏心传动轴由主体轴和偏心轴组成，主体轴的一端设有偏心孔，另一端设有所述偏心轴，主体轴、偏心孔和偏心轴的轴线平行；所述导向传力装置包括加压头、传力杆和加压板；

所述涡轮轴竖直设置，手轮通过齿轮带动蜗杆，蜗杆带动涡轮轴上下运动；连接装置和砝码吊盘分别连接在水平杠杆的两端，横轴水平设置并与水平杠杆垂直固定连接，横轴的两端分别设有一个所述偏心传动轴，横轴端部通过偏心孔与偏心传动轴固定连接；所述涡轮轴的底部和横轴可转动连接，所述偏心轴通过滚动轴承和Y型加压头的开口端连接，Y型加压头底端和竖直设置的传力杆顶端相接触，传力杆的下端穿过所述固结容器的顶盖，底端和设置在固结容器内的加压板固定连接。

进行调平操作时转动手轮，带动蜗轮蜗杆机构，通过螺旋升降机构将回转运动转换为直线升降运动，调节杠杆加载装置处于水平的平衡状态；所述杠杆加载装置包括：偏心轴、滚动轴承、微调螺母、加压头、杠杆和吊盘，偏心轴传动轴、第二滚动轴承安装于杠杆的一端，其中偏心传动轴由横轴和连接在横轴两端的偏心轴组成，调平装置与横轴通过第一滚动轴承连接，第二滚动轴承加压头相连，加压头与导向传力装置相接触施加固结荷载，杠杆的另一端连接吊盘，通过调节在吊盘上砝码质量来调节所施加的固结荷载；所述导向传力装置包括：传力杆、加压板、多孔板、防偏部件、固结容器(又称模型箱)，传力杆与加压头接触，将固结荷载经过加压板传递给固结容器内的土体。

作为本发明的进一步改进，所述框架包括工作台板、机架和千斤顶，工作台板用于展示设备信息、对比杠杆的调平状态，机架用于支撑组成部件，千斤顶用于调整砝码、放置或取出固结容器时支撑杠杆。

作为本发明的进一步改进，所述传力装置中还包括防偏部件，防偏部件设置在固结容器顶盖上，传力杆下端预先穿过防偏部件，再进入固结容器内，确保土体固结变形时传力杆只竖向移动而不发生偏斜。

作为本发明的进一步改进，所述加压头底端通过微调螺母和加压头主体连接。

作为本发明的进一步改进，所述水平杠杆的杠杆比为1：36，即横轴轴线到偏心轴轴线之间的距离与横轴轴线到杠杆吊盘端之间的距离之比为1：36。

使用上述离心模型地基土层固结仪的方法，步骤如下：

⑴.采用杠杆式加载方式，设计的杠杆比为1：36，每块砝码的质量为20kg，杠杆的自重为土体的第一级荷载，逐块添加砝码，用标准测力计标定荷载值，定期对设备的各级固结荷载进行标定，精确保证试验的结果；

⑵.本发明设备设计最大固结压力为600kPa，具体进行土体固结时，根据土体所要达到的固结强度、固结容器的加荷面积不同，计算出加压板装置所需承受的荷载；

⑶.杠杆的自重为土体的第一级固结荷载，逐级增加固结荷载，土体在每级固结过程中保持恒定的荷载；

⑷.土体的设计允许最大固结沉降量为240mm，土体发生沉降时必须操作调平装置，防止杠杆因土体沉降而出现较大倾斜，确保土体沉降时荷载精度的要求；

⑸.当前土层的土体固结完成后，取出模型箱，根据试验需要，如不需再制备土层，则固结结束，如需制备新的土层，则重复⑵-⑷的过程。

换言之，本项发明是通过以下关键技术得以实现：

1.本发明由调平装置、杠杆加载装置、导向传力装置和框架装置组成。

2.调平装置由手轮和蜗轮蜗杆机构组成，与杠杆加载装置相连，进行调平操作时转动手轮，带动蜗轮蜗杆机构，通过涡轮将回转运动转换为直线升降运动，调节杠杆加载装置处于水平的平衡状态。

3.杠杆加载装置包括：偏心轴、滚动轴承、微调螺母、加压头、杠杆、吊盘、砝码，偏心轴、滚动轴承安装于杠杆的一端，其中偏心轴与调平装置相连，滚动轴承与微调螺母、加压头相连，加压头与导向传力装置相接触施加固结荷载，杠杆的另一端连接吊盘，通过调节在吊盘上砝码质量来调节所施加的固结荷载；

4.导向传力装置包括：传力杆、加压板、多孔板、防偏部件、固结容器，传力杆与加压头接触，将固结荷载经过加压板、多孔板传递给固结容器内的土体，传力杆预先穿过防偏部件，确保土体固结变形时传力杆只竖向移动而不发生偏斜；

5.框架装置包括：工作台板、机架、千斤顶，工作台板用于展示设备信息、对比杠杆的调平状态，机架是设备的整体框架，千斤顶用于调整砝码、放置或取出固结容器时支撑杠杆；

6.定期对设备的各级固结荷载进行标定；

7.进行土体固结时，根据土体所要达到的固结强度、固结容器的加荷面积不同，计算出加压板装置所需承受的荷载；

8.杠杆的自重为土体的第一级固结荷载，逐级增加固结荷载，土体在每级固结过程中保持恒定的荷载；

9.土体发生沉降时必须操作调平装置，防止杠杆因土体沉降而出现较大倾斜，确保土体沉降时荷载精度的要求；

10.当前土层的土体固结完成后，取出模型箱，根据试验需要，如不需再制备土层，则固结结束，如需制备新的土层，则重复7-9的过程。

本发明的设备与方法具有以下特点：

1.能在土工离心模型中制备大型多层特定物理力学指标的地基土；本发明的操作十分安全；本发明能够实现精确控制。

2.能提供最大600kPa的固结压力。

3.能够固结的最大模型土样尺寸(长×宽×高)：685mm×350mm×350mm。

4.能够允许最大240mm的土体固结沉降。

本发明设备能够在土工离心模型中制备大型多层特定物理力学指标的地基土；能够提供大范围的可调固结压力；能够允许较大的土体固结沉降；本发明的操作十分安全方便；本发明能够实现精确控制。

附图说明

图1为本发明实施例1结构示意图；

图2为本发明实施例1调平装置结构图；

图3为本发明实施例1杠杆加载装置俯视图；

图4为本发明实施例1杠杆加载装置侧视图；

图5为导向传力装置示意图。

图中：1-调平装置；2-杠杆加载装置；3-导向传力装置；4-固结容器；5-框架；11-手轮；12-蜗轮蜗杆机构；13-齿轮；14-蜗杆；15-涡轮轴；17-第一滚动轴承；18-第二滚动轴承；21-杠杆；22-连接装置；23-吊盘；24-横轴；25-偏心传动轴；26-主体轴；27-偏心轴；28-偏心孔；31-加压头；32-传力杆；33-防偏部件；34-加压板；加压头主体-35；36-加压头的底端；37-微调螺母；41-土体；51-工作台板；52-机架；53-千斤顶；100-离心模型地基土层固结仪。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种离心模型地基土层固结仪100，由调平装置1、杠杆加载装置2、导向传力装置3、固结容器4和框架5组成。框架5包括工作台板51、机架52和千斤顶53，工作台51板用于展示设备信息、对比杠杆的调平状态，机架52是设备的整体支架，千斤顶53用于调整砝码、放置或取出固结容器时支撑杠杆21。

如图2所示，调平装置1由手轮11和蜗轮蜗杆机构12组成；涡轮轴14竖直设置，手轮11通过齿轮13带动蜗杆14，蜗杆14带动涡轮轴15上下运动。涡轮轴15的底部和杠杆加载装置2连接。

如图1、3和4所示，杠杆加载装置2包括水平杠杆21、连接装置22和砝码吊盘23。连接装置22和砝码吊盘23分别连接在水平杠杆的两端。连接装置22包括横轴24和偏心传动轴25，偏心传动轴25由主体轴26和偏心轴27组成，主体轴的一端设有偏心孔28，另一端设有偏心轴27，主体轴26、偏心孔28和偏心轴27的轴线平行。横轴24水平设置并与水平杠杆21垂直固定连接，横轴24的两端分别设有一个偏心传动轴25，横轴24两端部通过偏心孔28与主体轴26固定连接。如图4所示，涡轮轴14的底部通过第一滚动轴承17和横轴24可转动连接。偏心轴27通过第二滚动轴承18和Y型加压头的开口端35连接。

如图1和5所示，导向传力装置3包括Y型加压头31、传力杆32、防偏部件33和加压板34。传力杆32的下端穿过防偏部件33、固结容器4的顶盖，传力杆32的底端和设置在固结容器4内的加压板34固定连接。Y型加压头的底端36通过微调螺母37和Y型加压头主体35连接，Y型加压头的底端36和竖直设置的传力杆32顶端相接触。

进行调平操作时转动手轮11，带动蜗轮蜗杆机构12，通过动蜗轮蜗杆机构12将回转运动转换为直线升降运动，调节杠杆加载装置2处于水平的平衡状态，加压头31与导向传力装置3相接触施加固结荷载，杠杆21的另一端连接吊盘23，通过调节在吊盘23上砝码质量来调节所施加的固结荷载；传力杆32与加压头31接触，将固结荷载经过加压板传递给固结容器内的土体41，传力杆32预先穿过防偏部件33，确保土体41固结变形时传力杆32只竖向移动而不发生偏斜。

使用上述离心模型地基土层固结仪的方法，步骤如下：

⑴.采用杠杆式加载方式，设计的杠杆比为1：36，每块砝码的质量为20kg，杠杆的自重为土体的第一级荷载，逐块添加砝码，用标准测力计标定荷载值，定期对设备的各级固结荷载进行标定，精确保证试验的结果；

⑵.本发明设备设计最大固结压力为600kPa，具体进行土体固结时，根据土体所要达到的固结强度、固结容器的加荷面积不同，计算出加压板装置所需承受的荷载；

⑶.杠杆的自重为土体的第一级固结荷载，逐级增加固结荷载，土体在每级固结过程中保持恒定的荷载；

⑷.土体的设计允许最大固结沉降量为240mm，土体发生沉降时必须操作调平装置(请参见附图1、2)，防止杠杆因土体沉降而出现较大倾斜，确保土体沉降时荷载精度的要求；

⑸.当前土层的土体固结完成后，取出模型箱，根据试验需要，如不需再制备土层，则固结结束，如需制备新的土层，则重复⑵-⑷的过程。

Claims (5)

1. 离心模型地基土层固结仪，由调平装置、杠杆加载装置、导向传力装置、固结容器和框架组成，其特征在于，所述调平装置由手轮和蜗轮蜗杆机构组成；所述杠杆加载装置包括水平杠杆、连接装置和砝码吊盘，连接装置包括横轴和偏心传动轴，偏心传动轴由主体轴和偏心轴组成，主体轴的一端设有偏心孔，另一端设有所述偏心轴，主体轴、偏心孔和偏心轴的轴线平行；所述导向传力装置包括加压头、传力杆和加压板；

所述涡轮轴竖直设置，手轮通过齿轮带动蜗杆，蜗杆带动涡轮轴上下运动；连接装置和砝码吊盘分别连接在水平杠杆的两端，横轴水平设置并与水平杠杆垂直固定连接，横轴的两端分别设有一个所述偏心传动轴，横轴端部通过偏心孔与偏心传动轴固定连接；所述涡轮轴的底部和横轴可转动连接，所述偏心轴通过滚动轴承和Y型加压头的开口端连接，Y型加压头底端和竖直设置的传力杆顶端相接触，传力杆的下端穿过所述固结容器的顶盖，底端和设置在固结容器内的加压板固定连接。

2. 根据权利要求1所述的固结仪，其特征是，所述框架包括工作台板、机架和千斤顶，工作台板用于展示设备信息、对比杠杆的调平状态，机架用于支撑组成部件，千斤顶用于调整砝码、放置或取出固结容器时支撑杠杆。

3. 根据权利要求1所述的固结仪，其特征是，所述传力装置中还包括防偏部件，防偏部件设置在固结容器顶盖上，传力杆下端预先穿过防偏部件，再进入固结容器内。

4. 根据权利要求1所述的固结仪，其特征是，所述加压头底端通过微调螺母和加压头主体连接。

5. 根据权利要求1所述的固结仪，其特征是，所述水平杠杆的杠杆比为1：36，即横轴轴线到偏心轴轴线之间的距离与横轴轴线到杠杆吊盘端之间的距离之比为1：36。