CN106596231A - 一种用于制备土工离心模型试验的砂雨装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种用于制备土工离心模型试验的砂雨装置及其制备方法属于岩土工程物理模拟技术领域，是一种用于制备土工离心模型试验的砂雨装置和方法。包括悬挂式电子秤、制动滑轮、砂箱和模型箱，所述悬挂式电子秤、制动滑轮和砂箱之间通过吊绳依次连接；砂箱顶部内嵌有圆水准器；砂箱底部设有出砂口和激光测距仪；所述出砂口均匀分布并贯通于砂箱底部，出砂口为上大下小的漏斗形，在出砂口的两端开口处分别设有筛网，出砂口内设有电动球阀；电动球阀由电动执行机构和球阀组成；在砂箱的侧壁外部上设有控制面板；控制面板上设有控制旋钮和电子屏幕，控制旋钮与所述电动球阀的电动执行机构的输入控制端通过导线相连；电子屏幕通过单片机与激光测距仪相连。
Description
技术领域
本发明一种用于制备土工离心模型试验的砂雨装置及其制备方法属于岩土工程物理模拟技术领域，是一种用于制备土工离心模型试验的砂雨装置和方法。
背景技术
砂雨法是将砂土颗粒的重力势能转化为动能，利用砂土颗粒之间的冲击和碰撞使砂粒重新排列，从而获得一定的密度。因其制样过程与水流沉积、风积砂土层的天然形成过程很接近，是目前无黏性土常用的四种制样方法之一，也被广泛应用于土工离心模型试验。砂雨法主要通过控制相对密度获得均质的砂土试样，但利用该方法影响砂土试样质量的影响很多，包括落距、出砂口尺寸、出砂口总流量、出砂口移动路径和平均移动速度等。
现有的砂雨装置大多在采用调整落距作为主要控制因素的基础上进行改进。例如，中国专利（ZL201310506570.3）公开了一种自动控制落距的砂雨装置，通过自动升降台座实现模型箱的移动，从而保证落距不变；李浩等人（岩土工程学报，2014,36（10）：1872-1878）公开了一种设有路径导引装置的砂雨装置，可以实现出砂口沿预定路径移动；赵维和李志阳（人民长江，2015,46（13）：73-77）公开了一种自动撒砂装置，可以控制出砂口的移动速度、路径、行程等运动参数。
但是，上述砂雨装置中出砂口的截面积都远小于模型箱，出砂口在撒砂过程中还需要水平向移动，从而不可避免地又引入出砂口移动路径和平均移动速度两种影响因素，导致砂土试样的整体均匀性和可重复性难以保证。
发明内容
本发明的目的是针对上述不足之处提供一种用于制备土工离心模型试验的砂雨装置及其制备方法，操作方便，克服了出砂口移动路径和平均移动速度因素对砂样质量的影响。
本发明是采取以下技术方案实现的：
一种用于制备土工离心模型试验的砂雨装置，包括悬挂式电子秤、制动滑轮、砂箱和模型箱，所述悬挂式电子秤、制动滑轮和砂箱之间通过吊绳依次连接；砂箱顶部内嵌有圆水准器，用以保证砂箱的水平；砂箱底部设有出砂口和激光测距仪；所述出砂口均匀分布并贯通于砂箱底部，出砂口为上大下小的漏斗形，在出砂口的两端开口处分别设有筛网，出砂口内设有电动球阀；所述电动球阀由电动执行机构和球阀共同构成；
在砂箱的侧壁外部上设有控制面板；控制面板上设有控制旋钮和电子屏幕，所述控制旋钮与所述电动球阀的电动执行机构的输入控制端通过导线相连，通过控制旋钮调节电动执行机构的输入信号大小，从而调节电动球阀的闭合程度，从而调节出砂口的流量；所述电子屏幕通过单片机与激光测距仪相连，在电子屏幕上显示激光测距仪测量后的读数。
在控制面板上还设有总开关，所述总开关分别与电子屏幕和激光测距仪的控制开关相连，通过总开关控制电子屏幕和激光测距仪的开关。
所述单片机采用市售的MCS89C52单片机。
所述电子屏幕采用市售的LCD液晶显示屏或LED显示屏。
所述制动滑轮包括双排滚轮和制动阀，制动阀安装在双排滚轮侧面，用以约束双排滚轮的转动。
所述激光测距仪设置在砂箱底部中心，激光测距仪的下端与出砂口的下端平齐，实时测量出砂口下端与模型箱内砂土表面之间的距离，即落距。
所述控制面板对称安置在砂箱侧壁。
所述出砂口的分布范围不小于模型箱底部截面尺寸。
所述电动球阀的闭合程度与出砂口的流量成正比。
所述装置在使用时，通过调节制动滑轮直至圆水准器的气泡保持居中，从而调节砂箱的水平性；制动阀约束双排滚轮的转动，保证砂箱在整个撒砂过程中保持水平，进而使得各出砂口处的砂土落距相等。
所述电动球阀和电动执行机构采用市售的电动V型球阀套装组。
一种用于制备土工离心模型试验的砂雨的制备方法，包括步骤如下：
1）通过调节控制旋钮打开电动球阀，保证出砂口的流量为定值后，将此时控制旋钮的位置为标定位置；同时标定砂土密度与落距的关系，确定试验要求砂土密度对应的落距H；
2）在电动球阀关闭状态下，调节制动滑轮直至圆水准器中的气泡保持居中，保证砂箱的水平；
3）垂直移动吊绳至出砂口下端初始位置与模型箱内底的距离达到步骤1）中的标定落距H，同时记录悬挂式电子秤的初始读数；
4）调节控制旋钮至步骤1）中的标定位置，打开电动球阀，开始撒砂；
5）通过调节砂箱高度，保证电子屏幕上显示的激光测距仪的读数始终为落距H，即出砂口下端与模型箱内砂土表面的距离始终不变；
6）当模型箱内砂土高度达到试验要求后，调节控制旋钮为零，结束撒砂，同时记录悬挂式电子秤的最终读数，计算出砂土密度。
本发明用于制备土工离心模型试验的砂雨装置结构简单、操作方便，可以实现对土工离心模型试验中砂土试样的高质量制备；控制旋钮和电动球阀的结合可以精确控制出砂口的流量；采用均布式的出砂口消除了出砂口移动路径和平均移动速度对砂土试样质量的影响，进而保证砂土试样的整体均匀性和可重复性。
附图说明
以下将结合附图对本发明作进一步说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中制动滑轮的结构示意图；
图3为图2中制动滑轮的右视图；
图4为本发明中出砂口的结构示意图；
图5为本发明中砂箱底部的A-A剖面图；
图6为本发明中控制面板的平面图。
图中：1-吊绳；2-悬挂式电子秤；3-制动滑轮；4-砂箱；5-控制面板；6-砂土；7-圆水准器；8-出砂口；9-激光测距仪；10-模型箱；11-双排滚轮；12-制动阀；13-筛网；14-电动球阀（14a-电动执行机构；14b-球阀）；15-控制旋钮；16-电子屏幕；17-总开关。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做具体的介绍。
如图1～6所示：本发明一种用于制备土工离心模型试验的砂雨装置，包括悬挂式电子秤2、制动滑轮3、砂箱4及模型箱10等，悬挂式电子秤2、制动滑轮3和砂箱4之间通过吊绳1连接，砂箱4顶部内嵌有圆水准器7，保证砂箱4的水平，砂箱4底部设有出砂口8和激光测距仪9，侧壁设有控制面板5。
本实施例中，制动滑轮3（如图2和图3）包括双排滚轮11和制动阀12，对称吊绳1穿过双排滚轮11后与砂箱4连接，通过制动滑轮3直至圆水准器7的气泡保持居中可以调节砂箱4的水平性，制动阀12可以约束双排滚轮11的转动，保证砂箱4在整个撒砂过程中保持水平，各出砂口8处的砂土6落距相等。
如图4～5所示，出砂口8均匀分布连通于砂箱4底部，分布范围不小于模型箱底部的截面尺寸，出砂口8整体呈漏斗状，上下两端开口分别设有筛网13，内部设有电动球阀14，其闭合程度与出砂口8的流量成正比。
而且，本实施例中激光测距仪9（如图5）设置在砂箱4底部中心，下端与所述出砂口8下端齐平，可以实时量测出砂口8下端与模型箱10内砂土表面之间的距离，即落距。
本实施例在砂箱4两侧侧壁对称设置有控制面板5，包括若干控制旋钮15和一个电子屏幕16，其中控制旋钮15与电动球阀14的电动执行机构14a通过导线一一连接，通过控制旋钮15调节电动执行机构14a的输入信号大小调节球阀14b的闭合程度，从而控制出砂口8的流量。电子屏幕16连接并显示激光测距仪9的读数，用于实时监控落距的变化。
电子屏幕16和激光测距仪9可以通过总开关17同步控制。
基于上述砂雨装置，本发明一种用于制备土工离心模型试验的砂雨方法，包括步骤如下：
1）首先通过调节控制旋钮15打开电动球阀14，保证出砂口8的流量为定值后，将此时控制旋钮的位置为标定位置；同时标定砂土密度与落距的关系，采用线性插值法得到试验要求砂土密度对应的落距H；
2）在电动球阀14关闭状态下，调节制动滑轮3直至圆水准器7中的气泡保持居中后，利用制动阀12约束双排滚轮11的运动，保证砂箱4始终水平；
3）垂直移动吊绳1至出砂口8下端初始位置与模型箱10内底的距离达到标定落距H，同时记录悬挂式电子秤2的初始读数w0作为撒砂前的砂箱重量；
4）调节各个控制旋钮15至标定位置，出砂口8内部的电动球阀14打开，砂土6开始从砂箱4中均匀落入模型箱10内，撒砂开始；
5）通过实时调节砂箱4的高度，保证电子屏幕16的读数始终为落距H，即出砂口8下端与模型箱10内砂土表面的间距始终不变；
6）当模型箱10内的砂土6高度达到试验要求后，调节控制旋钮15为零，结束撒砂，同时记录悬挂式电子秤2的最终读数w1作为撒砂后的砂箱重量，采用下式计算砂土试样密度：
其中，l 为模型箱长度；b 为模型箱宽度；h 为模型箱内砂土高度。
以上所述仅是本发明专利的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明专利原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明专利的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于制备土工离心模型试验的砂雨装置，其特征在于：包括悬挂式电子秤、制动滑轮、砂箱和模型箱，所述悬挂式电子秤、制动滑轮和砂箱之间通过吊绳依次连接；砂箱顶部内嵌有圆水准器，用以保证砂箱的水平；砂箱底部设有出砂口和激光测距仪；所述出砂口均匀分布并贯通于砂箱底部，出砂口为上大下小的漏斗形，在出砂口的两端开口处分别设有筛网，出砂口内设有电动球阀；所述电动球阀由电动执行机构和球阀组成；
在砂箱的侧壁外部上设有控制面板；控制面板上设有控制旋钮和电子屏幕，所述控制旋钮与所述电动球阀的电动执行机构的输入控制端通过导线相连；所述电子屏幕通过单片机与激光测距仪相连。
2.根据权利要求1所述的用于制备土工离心模型试验的砂雨装置，其特征在于：所述制动滑轮包括双排滚轮和制动阀，制动阀安装在双排滚轮侧面，用以约束双排滚轮的转动。
3.根据权利要求1或2所述的用于制备土工离心模型试验的砂雨装置，其特征在于：在控制面板上还设有总开关，所述总开关分别与电子屏幕和激光测距仪的控制开关相连，通过总开关控制电子屏幕和激光测距仪的开关。
4.根据权利要求1或2所述的用于制备土工离心模型试验的砂雨装置，其特征在于：所述单片机采用MCS89C52单片机。
5.根据权利要求1或2所述的用于制备土工离心模型试验的砂雨装置，其特征在于：所述电子屏幕采用LCD液晶显示屏或LED显示屏。
6.根据权利要求1或2所述的用于制备土工离心模型试验的砂雨装置，其特征在于：所述激光测距仪设置在砂箱底部中心，激光测距仪的下端与出砂口的下端平齐，实时测量出砂口下端与模型箱内砂土表面之间的距离，即落距。
7.根据权利要求1或2所述的用于制备土工离心模型试验的砂雨装置，其特征在于：所述控制面板对称安置在砂箱侧壁。
8.根据权利要求1或2所述的用于制备土工离心模型试验的砂雨装置，其特征在于：所述出砂口的分布范围不小于模型箱底部截面尺寸。
9.根据权利要求1或2所述的用于制备土工离心模型试验的砂雨装置，其特征在于：所述电动球阀的闭合程度与出砂口的流量成正比。
10.采用权利要求1或2所述的用于制备土工离心模型试验的砂雨装置进行砂雨制备的方法，其特征在于，包括步骤如下：
1）通过调节控制旋钮打开电动球阀，保证出砂口的流量为定值后，将此时控制旋钮的位置为标定位置；同时标定砂土密度与落距的关系，确定试验要求砂土密度对应的落距H；
2）在电动球阀关闭状态下，调节制动滑轮直至圆水准器中的气泡保持居中，保证砂箱的水平；
3）垂直移动吊绳至出砂口下端初始位置与模型箱内底的距离达到步骤1）中的标定落距H，同时记录悬挂式电子秤的初始读数；
4）调节控制旋钮至步骤1）中的标定位置，打开电动球阀，开始撒砂；
5）通过调节砂箱高度，保证电子屏幕上显示的激光测距仪的读数始终为落距H，即出砂口下端与模型箱内砂土表面的距离始终不变；
6）当模型箱内砂土高度达到试验要求后，调节控制旋钮为零，结束撒砂，同时记录悬挂式电子秤的最终读数，计算出砂土密度。
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