CN110895277A - 一种土工模型一体化试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土工模型一体化试验装置，本发明通过在动力装置的四周设置横向伸缩轴，横向伸缩轴的端部设置竖向方轴，竖向方轴的端部能够连接多种不同种类的支撑板，将本装置根据试验所需，放置于模型箱内的不同位置，从而完成沉降试验、断层试验，本装置能够尽可能的模拟断层实际情况，预留断层位置，填充断层材料，极大减少实验误差，通过调整装置角度，模拟不同形状的断层，将本装置的竖向方轴和/或竖向伸缩杆固定在模型箱内，完成位移监测试验和土体压实试验，本装置计灵活，操作方便，可精确模拟断层错动；由于是多个钢板组成，可模拟某一位置的沉降，同时装置方便抽取。
Description
技术领域
本发明属于土工模型试验领域，具体涉及一种土工模型一体化试验装置。
背景技术
离心模型实验是模拟重力场来模拟实际工程状态的一种实验方法，用来解决工程实际问题与理论研究的一种方法。而土工离心机主要由支座、配重箱、模型箱、吊篮等部分组成。利用土工离心机模拟原型土工结构的受力、变形和破坏，验证设计方案，进行材料参数研究、验证数学模型及数值分析计算结果，在岩土工程领域应用广泛。通过土工相似理论，将原型的几何形状按比例缩小，用相同物理性状的土体制成模型，使其在离心力场中的应力状态与原型在重力场中一致，以研究工程性状的测试技术。
模型实验需要控制土体沉降以及模拟断层错动。在模拟断层错动的实验过程中，需在上盘或下盘底部，即模型箱底部放置一定厚度的垫板，通过抽离垫板模拟实验过程中的断层错动。由于空间有限及技术条件不成熟，为简化实验步骤和节约实验时间，往往在模型箱底部放置钢板，但由于土体压实，钢板难以取出，且钢板自身也会产生一定量的变形。由于钢板是一个整体，无法精确模拟断层错动，此设计有效地解决了这一问题。
土工实验中，实验需要尽可能的模拟实际的断层实际形状，但是由于空间狭小，条件有限，无法完全模拟断层实际情况，因此在实验开始就产生技术误差。形状规则的断层较易模拟，但实际断层情况千奇百怪，形状极其不规则，难以模拟。在实验中，断层模拟材料与土层同时放入模型箱中，待土层压实后，断层模拟材料极易产生变形或位错，对土体压实度产生一定影响，从而造成实验误差。因此土工模型实验中，对于断层模拟问题亟需解决。
坝体、路堤、边坡、桩基等土工模型实验中，位移计应用甚广。尤其在桩基础模型实验中，需要在桩顶安装位移计，量测桩顶沉降及水平位移。但实验过程中需手动调整位移计的位置，确保实验数据的准确性。因此浪费时间，耽误进度，此时需对实验装置进行改造，以提高实验效率。
土的压实是指采用人工或机械的手段对土体施加机械能量，使土颗粒重新排列变密实，使土在短时间内得到新的结构强度，包括增强粗粒土之间的摩擦和咬合，以及增加细粒土之间的分子引力。由于模型箱尺寸的限制，一般采用人工击实锤夯实土体，不采用较大机械。但在实验工程中，为确保土层压实度，需对多层土体逐层夯实，极大增加人力、物力、财力，同时浪费大量时间，压实效果不尽理想，比如出现土层压实不均匀、压土度不易控制等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种土工模型一体化试验装置，具有多功能性能的装置，可同时用于模型实验中关于土体沉降的控制、断层的模拟、位移的测量、土体的压实等。
为了达到上述目的，本发明包括动力装置，动力装置上设置有若干伸向四周的横向伸缩轴，横向伸缩轴的端部设置有竖向方轴，动力装置的上表面和下表面均设置有竖向伸缩杆。
动力装置包括上盘和下盘，上盘和下盘间设置有若干动力轴，横向伸缩轴的端部铰接在动力轴上。
所有动力轴等角度设置。
横向伸缩轴包括铰接在动力装置上的一级方轴，一级方轴内套设若干级圆轴，末级圆轴的端部设置有旋转轴，旋转轴上固定有竖向方轴。
竖向方轴包括固定在横向伸缩轴上的竖向一级方轴，竖向一级方轴的两个端面内套设有若干级方轴，竖向一级方轴两端的末级方轴分别通过对应的外轴铰接调整刚垫板，调整刚垫板的底面上开设有螺栓孔。
模型箱置于离心机的吊篮内，竖向一级方轴两端的调整钢垫板共同连接加固连接板，动力装置左右两边的两个加固连接板分别通过对应的加固连接栓固定在离心机的吊篮上。
调整钢垫板上固定有U型板，U型板上固定有位移计。
竖向一级方轴两端的调整钢垫板分别连接对应的斜形撑板，斜形撑板为T型板，斜形撑板包括横向撑板和竖向撑板，横向撑板用于与调整钢垫板连接，竖向撑板用于与模型箱内部固定连接。
竖向伸缩杆包括固定在动力装置上的一级竖轴，一级竖轴内套设有若干级竖轴，末端竖轴上铰接有连接内轴，内轴上固定有支撑垫板，支撑垫板的底部开设有螺栓孔。
动力装置上开设有USB接口，动力装置通过USB接口连接控制器，控制器上设置有USB接头，控制器通过USB接头连接USB接口。
与现有技术相比，本发明通过在动力装置的四周设置横向伸缩轴，横向伸缩轴的端部设置竖向方轴，竖向方轴的端部能够连接多种不同种类的支撑板，将本装置根据试验所需，放置于模型箱内的不同位置，从而完成沉降试验、断层试验，本装置能够尽可能的模拟断层实际情况，预留断层位置，填充断层材料，极大减少实验误差，通过调整装置角度，模拟不同形状的断层，将本装置的竖向方轴和/或竖向伸缩杆固定在模型箱内，完成位移监测试验和土体压实试验，本装置计灵活，操作方便，可精确模拟断层错动；由于是多个钢板组成，可模拟某一位置的沉降，同时装置方便抽取，本装置操作方便，通过遥控装置可使位移计处于桩顶不同位置，并测量任意方位桩和土体的位移，节省人工调整位移计的时间，加快实验整体进度；本装置设计简洁，可拆卸，不占据较大的使用空间，操作灵活方便，可进行任意位置的土体压实，同时减少了由于人工压实不均等问题带来的实验误差，极大提高压实效果，节省人力、物力、财力，减少实验时间，提高试验效率。
附图说明
图1为本发明的整体示意图；
图2为本发明进行沉降控制时的工作平面图；
图3为本发明的伸缩轴放大示意图；
图4为本发明进行沉降控制时的装置示意图；
图5为本发明进行模拟断层时的工作平面图；
图6为本发明进行模拟断层时的装置示意图；
图7为本发明进行位移测量时的工作示意图；
图8为本发明的连接处的放大示意图；
图9为本发明进行位移测量时的装置示意图；
图10为本发明进行压实装置时的工作示意图；
图11为本发明支撑处的放大示意图；
图12为本发明进行压实时的装置示意图；
图13为本发明中模型箱的示意图；
其中，1-动力装置，1-1-上盘，1-2-下盘，1-3-动力轴，2-控制装置，2-1-控制器，2-2-USB接头，2-3-USB接口，3-竖向伸缩轴，3-1-一级竖轴，3-2-二级竖轴，3-3-连接内轴，3-4-支撑垫板，3-5-螺栓孔，4-横向伸缩轴，4-1-一级方轴，4-2-二级圆轴，4-3-三级圆轴，4-4-旋转轴，5-竖向方轴，5-1-竖向一级方轴，5-2-竖向二级方轴，5-3-连接外轴，5-4-调整钢垫板，6-连接螺栓，7-高强度支撑板，7-1-支撑板a型，7-2-支撑板b型，8-模型箱，9-实验土体，10-U型板，11-位移计，12-加固连接板，13-加固连接栓，14-吊篮，15-斜形支撑板，16-压实钢板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参见图1，本发明包括动力装置1，动力装置1上设置有若干伸向四周的横向伸缩轴4，横向伸缩轴4的端部设置有竖向方轴5，动力装置1的上表面和下表面均设置有竖向伸缩杆3。动力装置1包括上盘1-1和下盘1-2，上盘1-1和下盘1-2间设置有若干动力轴1-3，横向伸缩轴4的端部铰接在动力轴1-3上。所有动力轴1-3等角度设置。动力装置1上开设有USB接口2-3，动力装置1通过USB接口2-3连接控制器2-1，控制器2-1上设置有USB接头2-2，控制器2-1通过USB接头2-2连接USB接口2-3。
参见图3，横向伸缩轴4包括铰接在动力装置1上的一级方轴4-1，一级方轴4-1内套设若干级圆轴，末级圆轴的端部设置有旋转轴4-4，旋转轴4-4上固定有竖向方轴5。
竖向方轴5包括固定在横向伸缩轴4上的竖向一级方轴5-1，竖向一级方轴5-1的两个端面内套设有若干级方轴，竖向一级方轴5-1两端的末级方轴分别通过对应的外轴5-3铰接调整刚垫板5-4，调整刚垫板5-4的底面上开设有螺栓孔。
竖向伸缩杆3包括固定在动力装置1上的一级竖轴3-1，一级竖轴3-1内套设有若干级竖轴，末端竖轴上铰接有连接内轴3-3，内轴3-3上固定有支撑垫板3-4，支撑垫板3-4的底部开设有螺栓孔。
进行土体沉降的控制时：
参见图1、图2和图4,，一级竖轴3-1与动力装置1中的动力轴1-3连接，实现竖向伸缩。二级竖轴3-2与一级竖轴3-1连接，可以有效地增加伸缩范围。支撑垫板3-4通过连接内轴3-3与二级竖轴3-2连接，在支撑垫板3-4上有螺栓孔3-5，固定支撑板a型7-1。整个支撑垫板3-4可以绕着连接内轴3-3转动，而整个竖向伸缩轴3可以旋转。一级方轴4-1与动力轴1-3连接，可以左右转动，二级圆轴4-2与一级方轴4-1连接，可以伸缩；三级圆轴4-3与二级圆轴4-2连接，可以伸缩，在三级圆轴4-3上设有旋转轴4-4，整个竖向方轴5可以绕着旋转轴4-4旋转。竖向一级方轴5-1绕着中心轴可以转动；竖向二级方轴5-2与竖向一级方轴5-1连接，可以伸缩；竖向二级方轴5-2与调整钢垫板5-4通过连接外轴5-3连接。调整钢垫板5-4可以绕着连接外轴5-3转动，同时设有螺栓孔3-5。调整钢垫板5-4连接支撑板a型7-1等。整个装置固定多个支撑板a型7-1，每个支撑板a型7-1都可以单独控制，支撑板a型7-1可以调整到不同的位置和角度，形成一定形状的，具有一定厚度的钢板层，然后放置在模型箱8内，上面覆盖实验土体9，然后进行调整，控制土体的错动沉降或把装置抽离出去形成空隙。
进行断层模拟时：
参见图1、图5和图6，一级竖轴3-1与动力装置1中的动力轴1-3连接，可以实现竖向伸缩。二级竖轴3-2与一级竖轴3-1连接，可以有效地增加伸缩范围。支撑垫板3-4通过连接内轴3-3与二级竖轴3-2连接，在支撑垫板3-4上有螺栓孔3-5，固定支撑板b型7-2。整个支撑垫板3-4可以绕着连接内轴3-3转动，而整个竖向伸缩轴3可以旋转。一级方轴4-1与动力轴1-3连接，可以左右转动；二级圆轴4-2与一级方轴4-1连接，可以伸缩；三级圆轴4-3与二级圆轴4-2连接，可以伸缩，在三级圆轴4-3上设有旋转轴4-4，整个竖向方轴5可以绕着旋转轴4-4旋转。竖向一级方轴5-1绕着中心轴可以转动；竖向二级方轴5-2与竖向一级方轴5-1连接，可以伸缩；竖向二级方轴5-2与调整钢垫板5-4通过连接外轴5-3连接。调整钢垫板5-4可以绕着连接外轴5-3转动，同时设有螺栓孔3-5。调整钢垫板5-4连接支撑板b型7-2等。整个装置固定两排共六块支撑板b型7-2，通过调整支撑板b型7-2的位置和角度，形成一定形状的，具有一定厚度的钢板层，然后斜放置在模型箱8内，模拟断层，两边为实验土体9，待实验土体9压实之后，可将装置抽离，加入断层填充材料，模拟实际。
进行位移测量时：
参见图1、图7、图8和图9，一级方轴4-1与动力轴1-3连接，可以左右转动；二级圆轴4-2与一级方轴4-1连接，可以伸缩；三级圆轴4-3与二级圆轴4-2连接，可以伸缩，在三级圆轴4-3上设有旋转轴4-4，整个竖向方轴5可以绕着旋转轴4-4旋转。竖向一级方轴5-1绕着中心轴可以转动；竖向二级方轴5-2与竖向一级方轴5-1连接，可以伸缩；竖向二级方轴5-2与调整钢垫板5-4通过连接外轴5-3连接。调整钢垫板5-4可以绕着连接外轴5-3转动，同时设有螺栓孔3-5。调整钢垫板5-4连接加固连接板12。加固连接板12通过加固连接栓13固定在离心机的吊篮14上，左右两边共两个加固连接板12。在装置的下方其中两个调整钢垫板5-4上设置有U型板10。U型板10通过连接螺栓6固定。在U型板10上设有位移计11，通过调整，可以使位移计11处于模型箱8内不同位置并产生不同的角度，从而测量桩或土体的水平沉降或垂直沉降。
进行土体压实时：
参见图1、图10、图11、图12和图13，一级方轴4-1与动力轴1-3连接，可以左右转动；二级圆轴4-2与一级方轴4-1连接，可以伸缩；三级圆轴4-3与二级圆轴4-2连接，可以伸缩，在三级圆轴4-3上设有旋转轴4-4，整个竖向方轴5可以绕着旋转轴4-4旋转。竖向一级方轴5-1绕着中心轴可以转动；竖向二级方轴5-2与竖向一级方轴5-1连接，可以伸缩；竖向二级方轴5-2与调整钢垫板5-4通过连接外轴5-3连接。调整钢垫板5-4可以绕着连接外轴5-3转动，同时设有螺栓孔3-5。调整钢垫板5-4连接斜形支撑板15，斜形支撑板15共有四组(8个)，通过调整支撑在模型箱8内壁上。在装置的下方竖向伸缩轴3上，一级竖轴3-1与动力装置1中的动力轴1-3连接，可以实现竖向伸缩。二级竖轴3-2与一级竖轴3-1连接，可以有效地增加伸缩范围。支撑垫板3-4通过连接内轴3-3与二级竖轴3-2连接，在支撑垫板3-4上有螺栓孔3-5，固定压实钢板16，通过调整使压实钢板16处于实验土体9上方不同的位置，利用竖向伸缩轴3，控制压实钢板16，进行土层的压实。
Claims (10)
1.一种土工模型一体化试验装置，其特征在于，包括动力装置(1)，动力装置(1)上设置有若干伸向四周的横向伸缩轴(4)，横向伸缩轴(4)的端部设置有竖向方轴(5)，动力装置(1)的上表面和下表面均设置有竖向伸缩杆(3)。
2.根据权利要求1所述的一种土工模型一体化试验装置，其特征在于，动力装置(1)包括上盘(1-1)和下盘(1-2)，上盘(1-1)和下盘(1-2)间设置有若干动力轴(1-3)，横向伸缩轴(4)的端部铰接在动力轴(1-3)上。
3.根据权利要求2所述的一种土工模型一体化试验装置，其特征在于，所有动力轴(1-3)等角度设置。
4.根据权利要求1所述的一种土工模型一体化试验装置，其特征在于，横向伸缩轴(4)包括铰接在动力装置(1)上的一级方轴(4-1)，一级方轴(4-1)内套设若干级圆轴，末级圆轴的端部设置有旋转轴(4-4)，旋转轴(4-4)上固定有竖向方轴(5)。
5.根据权利要求1所述的一种土工模型一体化试验装置，其特征在于，竖向方轴(5)包括固定在横向伸缩轴(4)上的竖向一级方轴(5-1)，竖向一级方轴(5-1)的两个端面内套设有若干级方轴，竖向一级方轴(5-1)两端的末级方轴分别通过对应的外轴(5-3)铰接调整刚垫板(5-4)，调整刚垫板(5-4)的底面上开设有螺栓孔。
6.根据权利要求5所述的一种土工模型一体化试验装置，其特征在于，模型箱(8)置于离心机的吊篮(14)内，竖向一级方轴(5-1)两端的调整钢垫板(5-4)共同连接加固连接板(12)，动力装置(1)左右两边的两个加固连接板(12)分别通过对应的加固连接栓(13)固定在离心机的吊篮(14)上。
7.根据权利要求5所述的一种土工模型一体化试验装置，其特征在于，调整钢垫板(5-4)上固定有U型板(10)，U型板(10)上固定有位移计(11)。
8.根据权利要求5所述的一种土工模型一体化试验装置，其特征在于，竖向一级方轴(5-1)两端的调整钢垫板(5-4)分别连接对应的斜形撑板(15)，斜形撑板(15)为T型板，斜形撑板(15)包括横向撑板和竖向撑板，横向撑板用于与调整钢垫板(5-4)连接，竖向撑板用于与模型箱(8)内部固定连接。
9.根据权利要求1所述的一种土工模型一体化试验装置，其特征在于，竖向伸缩杆(3)包括固定在动力装置(1)上的一级竖轴(3-1)，一级竖轴(3-1)内套设有若干级竖轴，末端竖轴上铰接有连接内轴(3-3)，内轴(3-3)上固定有支撑垫板(3-4)，支撑垫板(3-4)的底部开设有螺栓孔。
10.根据权利要求1所述的一种土工模型一体化试验装置，其特征在于，动力装置(1)上开设有USB接口(2-3)，动力装置(1)通过USB接口(2-3)连接控制器(2-1)，控制器(2-1)上设置有USB接头(2-2)，控制器(2-1)通过USB接头(2-2)连接USB接口(2-3)。
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