CN111272614A - 一种用于探究粗颗粒土振动压实机理的试验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于探究粗颗粒土振动压实机理的试验装置和方法，试验装置包括有箱体、振动电机、动态数据采集仪、电脑和摄像头，其中箱体的上部设置有荷载板，荷载板的上部在箱体顶部的两个侧边上跨设有导轨，导轨顶端的横梁上穿设有限位杆，其方法为：步骤一、将可视化箱体放置在平整且周围无扰动的室内；步骤二、把限位杆进行固定；步骤三、将探头分别搭载在荷载板对角线1/3位置处；步骤四、控制振动电机输出频率和振幅大小；步骤五、与振动电机输出频率一致；步骤六、存储到电脑；步骤七、将颗粒土体取出；步骤八、重复步骤一到步骤七；步骤九、数据和数字图像进行处理。有益效果：经济实用，能充分提高粗颗粒土的振动压实效率。

Description

一种用于探究粗颗粒土振动压实机理的试验装置和方法

技术领域

本发明涉及一种振动压实机理的试验装置和方法，特别涉及一种用于探究粗颗粒土振动压实机理的试验装置和方法。

背景技术

目前，由于土颗粒材料的离散性以及颗粒形状的不规则性，其体系的物理性质极其复杂，已被列为科学难题之一。而当前对土体压实机理的研究中，多将其作为连续介质，通过改变连续介质本构模型参数来表征压实状态的变化过程，忽略了土体本身作为不规则颗粒的离散性，机理并不明确，在工程指导中导致压实参数调整不合理，效率低下。

振动压实的实质是颗粒体体积的变化，这一变化实际上是由体系内部的颗粒重排和粒间相对滑移所引起的，而无论是颗粒重排还是粒间相对滑移，都伴随着黏滞累积能量耗散和塑性应变累积能量耗散的并时发生，这两者的相对关系与累积塑性应变存在某种对应关系。可见，粗颗粒土在外部荷载作用下能量耗散是其宏观力学响应的深层原因。换而言之，能量耗散大小可以作为衡量颗粒体系密实度变化的衡量指标，即能量耗散越大，表示体系内部颗粒运动越多。

目前，常见的从能量演化角度对土体材料研究主要分为物理实验和理论计算两个方面。前者主要是基于能量守恒定律的粗粒土剪切实验，并在此过程中分析颗粒土在宏观动态(体系剪胀(剪缩)与颗粒滑移、转动、掉落等形式)与能量耗散大小之间的联系，但这些研究或只是进行静态剪切或者小型设备中的振动微剪切，与工程振动压实实际荷载方式及规模相差甚远，缺乏研究共性；后者则多基于研究对象累积塑性应变不大，或是研究限定于小应变范畴，从而建立在动应力–动应变本身的黏滞累积能量耗散，未考虑累积塑性应变的能量耗散部分，也不满足振动压实过程中土体大变形的要求。

因此，有必要设计一种更切合实际工程的大型能量耗散的试验装置及在此基础上的振动压实机理研究方法，进一步提高粗颗粒土的振动压实效率。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的粗颗粒土振动压实的试验装置在测试过程中未考虑累积塑性应变的能量耗散部分，也不能满足振动压实过程中土体大变形的要求的问题，而提供的一种用于探究粗颗粒土振动压实机理的试验装置和方法。

本发明提供的用于探究粗颗粒土振动压实机理的试验装置包括有箱体、振动电机、动态数据采集仪、电脑和摄像头，其中箱体的上部设置有荷载板，荷载板的上部在箱体顶部的两个侧边上跨设有导轨，导轨顶端的横梁上穿设有限位杆，振动电机的底座穿设在限位杆的底端，对应振动电机底座的荷载板上装配有动压力传感器，荷载板上还设置有动位移传感器，动压力传感器和动位移传感器与动态数据采集仪相连接，动压力传感器和动位移传感器能够把采集到的数据实时传输给动态数据采集仪，动态数据采集仪与电脑相连接，动态数据采集仪能够把收集到的数据实时传输到电脑进行储存和处理，箱体前后的两侧板由钢化玻璃组成，摄像头对应钢化玻璃的侧板设置，摄像头与电脑相连接，摄像头能够把箱体内土体的实时影像传输到电脑进行储存和处理。

箱体的下部设置有活动挡板，活动挡板处设置有出料口，由钢化玻璃组成的箱体侧板上设置有刻度尺。

振动电机还连接有调频器，通过调频器调节振动电机的振动频率，振动电机的底部连接有荷载传递板，荷载传递板的底部与动压力传感器的顶端相连接，动压力传感器的底部设在荷载板顶面的限位环内。

限位杆设置有四根，限位杆与导轨横梁的连接处设置有自攻螺丝口进行连接，限位杆在自攻螺丝口处通过螺栓固定和调节位置高度，通过四根限位杆限制振动电机沿限位杆进行上下振动。

动位移传感器设置有四个，分别设在荷载板对角线1/3位置处，每个动位移传感器均装配在磁性座里面。

摄像头的型号为Teli 12M25BMP，摄像头为高速高清摄像头。

上述的振动电机、动态数据采集仪、电脑、动压力传感器、动位移传感器和调频器均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。

本发明提供的用于探究粗颗粒土振动压实机理的试验方法，其方法如下所述：

步骤一、将可视化箱体放置在一个光线充足、地面平整且周围无扰动的室内，并将筛选好的粗颗粒土均匀按设定厚度分层铺装在箱体内，在铺装过程中测定粗粒土质量，其铺装高度通过钢化玻璃上的刻度尺读数控制，且保证上表面平整；

步骤二、在铺装好的粗粒土上方，从下到上依次安装荷载板、动压力传感器、荷载传递板和振动电机，并将限位杆从导轨顶端横梁上的自攻螺丝口穿入，并使限位杆的底端插设到振动电机底座的螺栓孔内，在限位杆的底部到达荷载板上方10mm处停止，并通过导轨横梁上的自攻螺丝口处用螺栓把限位杆进行固定；

步骤三、将动位移传感器用磁性座固定在箱体左右两侧板上，并将探头分别搭载在荷载板对角线1/3位置处；

步骤四、将调频器与振动电机连接，以控制振动电机输出频率和振幅大小；

步骤五、将动压力传感器、动位移传感器与动态数据采集仪相连，并连接到电脑，通过采集软件设定采集频率与振动电机输出频率一致；

步骤六、将摄像头固定在箱体钢化玻璃面正前方，并连接到电脑，设定拍摄频率与振动电机输出频率一致，自动采集试验过程中的数字图像并存储到电脑；

步骤七、启动振动电机开始试验，当动位移传感器读数达到指定值或在一定时间内维持不变时，停止试验，按安装顺序反向拆除各设备，抽开箱体底部活动挡板将颗粒土体取出；

步骤八、更换不同颗粒土体或改变荷载组合，即不同的荷载或频率，重复步骤一到步骤七；

步骤九、对采集的数据和数字图像进行处理。

步骤九中的处理方法如下：

①、取四个动位移传感器平均值作为粗粒土的整体位移，并用该数据作为粗粒土压实度变化指标，并作压实度-时间曲线；

②、同一时刻读取的动压力传感器读数与动位移传感器读数的平均值的乘积作为粗粒土该时刻的瞬时能量耗散，并作瞬时能量耗散-时间曲线，曲线从前一时刻到后一时刻的积分值即为该时间段内能量耗散值；

③、对数字图像进行处理，具体处理方式为利用电脑中的图像分析系统PhotoInfor和结果后处理系统PostViewer对数字图像中的颗粒滑移和转动参数进行提取，统计颗粒运动情况，即滑移和转动量，分别建立颗粒位移量-时间曲线和颗粒转动量-时间曲线；

④、将①中压实度按等差值进行划分成i等分，并标记为压实度区间n1,n2…ni，并结合各时间段内颗粒运动量来看，找出该区间内对压实起主导作用的颗粒运动方式，即滑移和转动；

⑤、根据②中曲线分别计算t1,t2,…ti时间内能量耗散大小E1，E2…Ei，在忽略其他相对较小的可能的能量耗散途径之后，根据各区间内能量耗散大小和各运动情况，即滑移和转动量，建立滑移量和转动量与能量耗散之间的相关性；

⑥、通过④和⑤的结果将颗粒的微观运动情况与宏观的能量耗散相结合，从而从宏观层面探究粗颗粒土的压实机理。

本发明的工作原理：

本发明提供的用于探究粗颗粒土振动压实机理的试验装置和方法主要是探究粗颗粒土振动压实机理，试验装置使用过程是通过振动电机上下振动，将荷载传递到荷载板上，中间利用动压力传感器直接采集振动力的大小，并通过动位移传感器采集对应力下颗粒体系的实时位移，二者的乘积即为实时能量耗散大小。其中动位移传感器的值还可以作为颗粒体系压实度的指标。

实验过程中通过摄像头采集颗粒体系的运动量，即滑移和转动量，统计某时间段内(也可表征为某一密实度区间内，因为密实度是随着振动压实的时间在变化的)各运动方式(滑移和转动)的大小和数量，并找出对压实起主导作用的颗粒运动方式。

通过各时间段(或密实度区间)能量耗散大小的计算值与摄像头(PIV技术)统计结果，建立各密实度区间内的颗粒运动方式与能量耗散大小之间的关系，即可通过宏观的能量耗散大小来实时调节荷载施加方式，使颗粒体系在该荷载方式下发生最利于体系密实的运动，从而提高压实效率。

本发明的有益效果：

本发明提供的用于探究粗颗粒土振动压实机理的试验装置和方法通过将可视化试验和图像处理技术，取得颗粒运动量，并找出不同压实度区间粗颗粒土体系在振动荷载作用下的主导运动方式。利用传感器检测结果，实时统计能量耗散大小，进而建立颗粒运动量与能量耗散之间的相关性，可直接利用能量耗散特性从宏观层面探究土颗粒压实机理。且箱体能够制作任意尺寸大小，更接近工程实际，装置制备安装简便，操作安全，经济实用。可模拟实际振动压实中的所有荷载组合，并能对各种复杂土体颗粒材料进行振动压实试验。最终结果对粗颗粒土振动压实过程中的参数实时调节具有很好地指导作用，能充分提高粗颗粒土的振动压实效率。

附图说明

图1为本发明所述试验装置整体结构示意图。

图2为本发明所述振动电机安放部位局部结构示意图。

上图中的标注如下：

1、箱体 2、振动电机 3、动态数据采集仪 4、电脑 5、摄像头

6、荷载板 7、导轨 8、限位杆 9、动压力传感器 10、动位移传感器

11、活动挡板 12、刻度尺 13、调频器 14、荷载传递板 15、限位环

16、磁性座。

具体实施方式

请参阅图1和图2所示：

本发明提供的用于探究粗颗粒土振动压实机理的试验装置包括有箱体1、振动电机2、动态数据采集仪3、电脑4和摄像头5，其中箱体1的上部设置有荷载板6，荷载板6的上部在箱体1顶部的两个侧边上跨设有导轨7，导轨7顶端的横梁上穿设有限位杆8，振动电机2的底座穿设在限位杆8的底端，对应振动电机2底座的荷载板6上装配有动压力传感器9，荷载板6上还设置有动位移传感器10，动压力传感器9和动位移传感器10与动态数据采集仪3相连接，动压力传感器9和动位移传感器10能够把采集到的数据实时传输给动态数据采集仪3，动态数据采集仪3与电脑4相连接，动态数据采集仪3能够把收集到的数据实时传输到电脑4进行储存和处理，箱体1前后的两侧板由钢化玻璃组成，摄像头5对应钢化玻璃的侧板设置，摄像头5与电脑4相连接，摄像头5能够把箱体1内土体的实时影像传输到电脑4进行储存和处理。

箱体1的下部设置有活动挡板11，活动挡板11处设置有出料口，由钢化玻璃组成的箱体1侧板上设置有刻度尺12。

振动电机2还连接有调频器13，通过调频器13调节振动电机2的震动频率，振动电机2的底部连接有荷载传递板14，荷载传递板14的底部与动压力传感器9的顶端相连接，动压力传感器9的底部设在荷载板6顶面的限位环15内。

限位杆8设置有四根，限位杆8与导轨7横梁的连接处设置有自攻螺丝口进行连接，限位杆8在自攻螺丝口处通过螺栓固定和调节位置高度，通过四根限位杆8限制振动电机2沿限位杆8进行上下震动。

动位移传感器10设置有四个，分别设在荷载板6对角线1/3位置处，每个动位移传感器10均装配在磁性座16里面。

摄像头5的型号为Teli 12M25BMP，摄像头5为高速高清摄像头。

上述的振动电机2、动态数据采集仪3、电脑4、动压力传感器9、动位移传感器10和调频器13均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。

本发明提供的用于探究粗颗粒土振动压实机理的试验方法，其方法如下所述：

步骤一、将可视化箱体1放置在一个光线充足、地面平整且周围无扰动的室内，并将筛选好的粗颗粒土均匀按设定厚度分层铺装在箱体1内，在铺装过程中测定粗粒土质量，其铺装高度通过钢化玻璃上的刻度尺12读数控制，且保证上表面平整；

步骤二、在铺装好的粗粒土上方，从下到上依次安装荷载板6、动压力传感器9、荷载传递板14和振动电机2，并将限位杆8从导轨7顶端横梁上的自攻螺丝口穿入，并使限位杆8的底端插设到振动电机2底座的螺栓孔内，在限位杆8的底部到达荷载板6上方10mm处停止，并通过导轨7横梁上的自攻螺丝口处用螺栓把限位杆8进行固定；

步骤三、将动位移传感器10用磁性座16固定在箱体1左右两侧板上，并将探头分别搭载在荷载板6对角线1/3位置处；

步骤四、将调频器13与振动电机2连接，以控制振动电机2输出频率和振幅大小；

步骤五、将动压力传感器9、动位移传感器10与动态数据采集仪3相连，并连接到电脑4，通过采集软件设定采集频率与振动电机2输出频率一致；

步骤六、将摄像头5固定在箱体1钢化玻璃面正前方，并连接到电脑4，设定拍摄频率与振动电机2输出频率一致，自动采集试验过程中的数字图像并存储到电脑4；

步骤七、启动振动电机2开始试验，当动位移传感器10读数达到指定值或在一定时间内维持不变时，停止试验，按安装顺序反向拆除各设备，抽开箱体1底部活动挡板11将颗粒土体取出；

步骤八、更换不同颗粒土体或改变荷载组合，即不同的荷载或频率，重复步骤一到步骤七；

步骤九、对采集的数据和数字图像进行处理。

步骤九中的处理方法如下：

①、取四个动位移传感器10平均值作为粗粒土的整体位移，并用该数据作为粗粒土压实度变化指标，并作压实度-时间曲线；

②、同一时刻读取的动压力传感器9读数与动位移传感器10读数的平均值的乘积作为粗粒土该时刻的瞬时能量耗散，并作瞬时能量耗散-时间曲线，曲线从前一时刻到后一时刻的积分值即为该时间段内能量耗散值；

③、对数字图像进行处理，具体处理方式为利用电脑4中的图像分析系统PhotoInfor和结果后处理系统PostViewer对数字图像中的颗粒滑移和转动参数进行提取，统计颗粒运动情况，即滑移和转动量，分别建立颗粒位移量-时间曲线和颗粒转动量-时间曲线；

④、将①中压实度按等差值进行划分成i等分，并标记为压实度区间n1,n2…ni，并结合各时间段内颗粒运动量来看，找出该区间内对压实起主导作用的颗粒运动方式，即滑移和转动；

⑤、根据②中曲线分别计算t1,t2,…ti时间内能量耗散大小E1，E2…Ei，在忽略其他相对较小的可能的能量耗散途径之后，根据各区间内能量耗散大小和各运动情况，即滑移和转动量，建立滑移量和转动量与能量耗散之间的相关性；

⑥、通过④和⑤的结果将颗粒的微观运动情况与宏观的能量耗散相结合，从而从宏观层面探究粗颗粒土的压实机理。

本发明的工作原理：

本发明提供的用于探究粗颗粒土振动压实机理的试验装置和方法主要是探究粗颗粒土振动压实机理，试验装置使用过程是通过振动电机2上下振动，将荷载传递到荷载板6上，中间利用动压力传感器9直接采集振动力的大小，并通过动位移传感器10采集对应力下颗粒体系的实时位移，二者的乘积即为实时能量耗散大小。其中动位移传感器10的值还可以作为颗粒体系压实度的指标。

实验过程中通过摄像头5采集颗粒体系的运动量，即滑移和转动量，统计某时间段内(也可表征为某一密实度区间内，因为密实度是随着振动压实的时间在变化的)各运动方式(滑移和转动)的大小和数量，并找出对压实起主导作用的颗粒运动方式。

通过各时间段(或密实度区间)能量耗散大小的计算值与摄像头5(PIV技术)统计结果，建立各密实度区间内的颗粒运动方式与能量耗散大小之间的关系，即可通过宏观的能量耗散大小来实时调节荷载施加方式，使颗粒体系在该荷载方式下发生最利于体系密实的运动，从而提高压实效率。

Claims (8)

1.一种用于探究粗颗粒土振动压实机理的试验装置，其特征在于：包括有箱体、振动电机、动态数据采集仪、电脑和摄像头，其中箱体的上部设置有荷载板，荷载板的上部在箱体顶部的两个侧边上跨设有导轨，导轨顶端的横梁上穿设有限位杆，振动电机的底座穿设在限位杆的底端，对应振动电机底座的荷载板上装配有动压力传感器，荷载板上还设置有动位移传感器，动压力传感器和动位移传感器与动态数据采集仪相连接，动压力传感器和动位移传感器能够把采集到的数据实时传输给动态数据采集仪，动态数据采集仪与电脑相连接，动态数据采集仪能够把收集到的数据实时传输到电脑进行储存和处理，箱体前后的两侧板由钢化玻璃组成，摄像头对应钢化玻璃的侧板设置，摄像头与电脑相连接，摄像头能够把箱体内土体的实时影像传输到电脑进行储存和处理。

2.根据权利要求1所述的一种用于探究粗颗粒土振动压实机理的试验装置，其特征在于：所述的箱体的下部设置有活动挡板，活动挡板处设置有出料口，由钢化玻璃组成的箱体侧板上设置有刻度尺。

3.根据权利要求1所述的一种用于探究粗颗粒土振动压实机理的试验装置，其特征在于：所述的振动电机还连接有调频器，通过调频器调节振动电机的振动频率，振动电机的底部连接有荷载传递板，荷载传递板的底部与动压力传感器的顶端相连接，动压力传感器的底部设在荷载板顶面的限位环内。

4.根据权利要求1所述的一种用于探究粗颗粒土振动压实机理的试验装置，其特征在于：所述的限位杆设置有四根，限位杆与导轨横梁的连接处设置有自攻螺丝口进行连接，限位杆在自攻螺丝口处通过螺栓固定和调节位置高度，通过四根限位杆限制振动电机沿限位杆进行上下振动。

5.根据权利要求1所述的一种用于探究粗颗粒土振动压实机理的试验装置，其特征在于：所述的动位移传感器设置有四个，分别设在荷载板对角线1/3位置处，每个动位移传感器均装配在磁性座里面。

6.根据权利要求1所述的一种用于探究粗颗粒土振动压实机理的试验装置，其特征在于：所述的摄像头的型号为Teli 12M25BMP，摄像头为高速高清摄像头。

7.一种用于探究粗颗粒土振动压实机理的试验方法，其特征在于：其方法如下所述：

步骤一、将可视化箱体放置在一个光线充足、地面平整且周围无扰动的室内，并将筛选好的粗颗粒土均匀按设定厚度分层铺装在箱体内，在铺装过程中测定粗粒土质量，其铺装高度通过钢化玻璃上的刻度尺读数控制，且保证上表面平整；

步骤二、在铺装好的粗粒土上方，从下到上依次安装荷载板、动压力传感器、荷载传递板和振动电机，并将限位杆从导轨顶端横梁上的自攻螺丝口穿入，并使限位杆的底端插设到振动电机底座的螺栓孔内，在限位杆的底部到达荷载板上方10mm处停止，并通过导轨横梁上的自攻螺丝口处用螺栓把限位杆进行固定；

步骤三、将动位移传感器用磁性座固定在箱体左右两侧板上，并将探头分别搭载在荷载板对角线1/3位置处；

步骤四、将调频器与振动电机连接，以控制振动电机输出频率和振幅大小；

步骤五、将动压力传感器、动位移传感器与动态数据采集仪相连，并连接到电脑，通过采集软件设定采集频率与振动电机输出频率一致；

步骤六、将摄像头固定在箱体钢化玻璃面正前方，并连接到电脑，设定拍摄频率与振动电机输出频率一致，自动采集试验过程中的数字图像并存储到电脑；

步骤七、启动振动电机开始试验，当动位移传感器读数达到指定值或在一定时间内维持不变时，停止试验，按安装顺序反向拆除各设备，抽开箱体底部活动挡板将颗粒土体取出；

步骤八、更换不同颗粒土体或改变荷载组合，即不同的荷载或频率，重复步骤一到步骤七；

步骤九、对采集的数据和数字图像进行处理。

8.根据权利要求7所述的一种用于探究粗颗粒土振动压实机理的试验方法，其特征在于：所述的步骤九中的处理方法如下：

①、取四个动位移传感器平均值作为粗粒土的整体位移，并用该数据作为粗粒土压实度变化指标，并作压实度-时间曲线；

②、同一时刻读取的动压力传感器读数与动位移传感器读数的平均值的乘积作为粗粒土该时刻的瞬时能量耗散，并作瞬时能量耗散-时间曲线，曲线从前一时刻到后一时刻的积分值即为该时间段内能量耗散值；

③、对数字图像进行处理，具体处理方式为利用电脑中的图像分析系统PhotoInfor和结果后处理系统PostViewer对数字图像中的颗粒滑移和转动参数进行提取，统计颗粒运动情况，即滑移和转动量，分别建立颗粒位移量-时间曲线和颗粒转动量-时间曲线；

④、将①中压实度按等差值进行划分成i等分，并标记为压实度区间n1,n2…ni，并结合各时间段内颗粒运动量来看，找出该区间内对压实起主导作用的颗粒运动方式，即滑移和转动；

⑤、根据②中曲线分别计算t1,t2,…ti时间内能量耗散大小E1，E2…Ei，在忽略其他相对较小的可能的能量耗散途径之后，根据各区间内能量耗散大小和各运动情况，即滑移和转动量，建立滑移量和转动量与能量耗散之间的相关性；

⑥、通过④和⑤的结果将颗粒的微观运动情况与宏观的能量耗散相结合，从而从宏观层面探究粗颗粒土的压实机理。

Images