CN111521469B - 一种三自由度人工制备地基土的模型试验装置及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三自由度人工制备地基土的模型试验装置及工作方法，本发明的模型箱用于装填试验用土体，试验用土体中埋置桩箱基础模型；通过移动支架、可调节横梁、行走滑轮实现制样装置三自由度行走；通过出料鸭嘴和喷雾装置耦合实现不同含水率地基土制备。本发明的适用范围广、自动化程度高，可精确控制，突破了现有砂雨法试验装置只能进行干样制备的限制，能够模拟地基土沉积过程，制备一定初始含水率的地基，且撒砂机构限制在模型箱范围内移动，能确保模型箱地基土的空间均匀性。

Description

一种三自由度人工制备地基土的模型试验装置及工作方法

技术领域

本发明属于试验装置领域，具体涉及一种三自由度人工制备地基土的模型试验装置及工作方法。

背景技术

模型试验是研究桩基工程复杂问题的重要手段之一，包括1g模型试验、离心模型试验和现场试验，而模型试样制备是影响试验结果的一个非常重要的因素。对砂性土地基，控制制样质量的物理指标主要包括含水量和相对密实度，常用的制样方法包括砂雨法和分层击实法(或分层填铺碾压法)。

分层击实法是先根据相对密实度和含水率计算所需土样和水的质量，然后将水与土料搅拌均匀，装入塑料袋或密闭容器中静置20小时以上，以便土样含水率均匀，当土样含水率与目标含水率差别超过1％时，还需要对土样含水率进行调整，再将准备好土样后分层填铺，分层击实或碾压，且控制每层填料质量相等，每击实完一层将表面刨毛，直到最后一层。这种方法的缺点在于自动化水平低，人工填铺、击实或碾压难以保证每层的均匀性，同时，采用密闭并静置的方式使湿样含水率均匀，耗时长，效率低、效果差。

相对而言，砂雨法采用撒砂设备在一定移动速度下按照设定落距制样，能模拟地基土体自然沉积过程，已经广泛应用于桩基模型试验，然而其仍然存在以下几个问题：①砂雨法现有装置适宜制备干样地基土，无法制备具有一定初始含水率的砂性土试样；②目前砂雨法散撒装置的在空间的移动控制与模型箱是独立的，会因移动速度、落距的误差导致落砂颗粒的排列和接触不同，引起相同控制指标下模型箱砂土地基空间分布的差异，进而影响试验对比分析结果的有效性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种三自由度人工制备地基土的模型试验装置及工作方法，能够合理模拟一定初始含水率地基土沉积过程，又能与模型箱耦合控制散撒机构空间移动，提高模型箱中制样均匀性和效率。

为了达到上述目的，一种三自由度人工制备地基土的模型试验装置，包括模型箱、三自由度行走机构、出料装置及喷雾装置；

三自由度行走机构包括可移动支架，可移动支架底部设置有行走滑轮，模型箱顶部两侧的翻沿上设置有滑道，行走滑轮置于滑道内，可移动支架顶部设置有承插式横梁，承插式横梁上设置有滑槽，滑槽内设置有滑轮，滑轮连接存料桶，存料桶的底部开设有出料鸭嘴；

喷雾装置设置在存料桶的一侧。

模型箱包括角钢框架以及钢板、加固槽钢和有机玻璃，角钢框架的左右两面通过有机玻璃密封成型，角钢框架的前面和后面焊接钢板成型，加固槽钢设置设置在角钢框架的中间部位。

可移动支架上开设有若干位置对应的插销，横梁通过插销固定在两个可移动支架之间。

存料桶通过钢丝绳固定在滑轮上。

喷雾装置包括软管，软管的一端连接液体入口，另一端设置有莲蓬头，软管上设置有流量计。

喷雾装置通过固定夹固定在存料桶上。

行走滑轮和滑轮均连接伺服控制系统，伺服控制系统用于控制行走滑轮和滑轮的转动与停止。

一种三自由度人工制备地基土的模型试验装置的工作方法，包括以下步骤：

步骤一，设定行走滑轮沿模型箱长宽方向的移动速度，并调节承插式横梁的竖向高度，控制出料鸭嘴的落距，调节滑轮调整存料桶的位置；

步骤二，利用模型箱中预先布置的标定盒，测试不同落距下标定盒中干砂质量，结合室内试验得到的最大干密度和最小干密度计算对应的相对密实度，从而测得落距-相对密实度曲线；

步骤三，根据模型试验需要制备地基土的相对密实度，查曲线得到出料鸭嘴和喷雾装置的落距，由初始含水率换算莲蓬头喷雾速率；

步骤四，控制行走滑轮使撒砂机构在平面内移动；

步骤五，制备完一个插销移动高度的地基土后，将承插式横梁向上移动一个孔位，重复步骤四，至完成预设厚度模型箱地基土的制备。

通过伺服控制系统控制行走滑轮和滑轮移动。

与现有技术相比，本发明的模型箱用于装填试验用土体，试验用土体中埋置桩箱基础模型；通过移动支架、可调节横梁、行走滑轮实现制样装置三自由度行走；通过出料鸭嘴和喷雾装置耦合实现不同含水率地基土制备。本发明的适用范围广、自动化程度高，可精确控制，突破了现有砂雨法试验装置只能进行干样制备的限制，能够模拟地基土沉积过程，制备一定初始含水率的地基，且撒砂机构限制在模型箱范围内移动，能确保模型箱地基土的空间均匀性。

本发明的工作方法按照确定的行走滑轮移动速度、落距、喷雾速率，由喷雾装置动态控制喷雾速率，由承插式横梁和存料桶耦合机构控制试样落距，能够模拟一定初始含水率地基土沉积过程，又能与模型箱耦合控制散撒机构空间移动，提高模型箱中制样均匀性和效率，对推进桩基工程复杂问题的研究具有重大意义。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明中可移动支架与行走滑轮组合结构示意图；

图3为本发明中承插式横梁与行走滑轮组合结构示意图；

图4为本发明中存料桶与出料鸭嘴胶黏组合结构示意图；

图5为本发明中软管、流量计与莲蓬头组合结构示意图；

图6为本发明中模型箱的平面结构图；

图7为本发明中模型箱的立面结构图；

图中：1、模型箱；2、滑道；3、行走滑轮；4、可移动支架；5、承插式横梁；6、插捎；7、存料桶；8、出料鸭嘴；9、钢丝绳；10、滑轮；11、软管；12、莲蓬头；13、流量计；14、固定夹；15、钢板；16、加固槽钢；17、有机玻璃。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1，一种三自由度人工制备地基土的模型试验装置，包括模型箱1、三自由度行走机构、出料装置及喷雾装置。

参见图1、图2、图3和图4，三自由度行走机构包括可移动支架4，可移动支架4底部设置有行走滑轮3，模型箱1顶部两侧的翻沿上设置有滑道2，行走滑轮3置于滑道内，可移动支架4顶部设置有承插式横梁5，承插式横梁5上设置有滑槽，滑槽内设置有滑轮10，滑轮10连接存料桶7，存料桶7的底部开设有出料鸭嘴8；可移动支架4上开设有若干位置对应的插销6，横梁5通过插销6固定在两个可移动支架4之间。存料桶7通过钢丝绳10固定在滑轮10上。行走滑轮3和滑轮10均连接伺服控制系统，伺服控制系统用于控制行走滑轮3和滑轮10的转动与停止。

参见图2，可移动支架4底部焊接钢板，通过螺栓与行走滑轮3安装在一起。可移动支架采用两根高500mm、边长60mm、壁厚5mm的方钢管制作，底部焊接长80mm、宽60mm、厚5mm的钢板，在方钢管两侧钢板上对称加工直径8mm的预留孔，行走滑轮3采用带制动和直径8mm连接螺柱的滑轮。

参见图3，在承插式横梁5顶部方管两侧刻槽，行走滑轮10安装在方管横梁的刻槽上，钢丝绳通过滑轮悬吊存料桶。承插式横梁采用两侧高500mm、边长50mm、壁厚5mm且带插捎孔的方钢管和顶部长600mm、边长60mm、壁厚5mm且两侧带刻槽的方钢管焊接而成。

参见图4，存料桶7由高150mm、直径100mm的圆柱形PVC管和顶部直径100mm、底部直径50mm、高150mm的锥型PVC管组装而成。存料桶顶部两侧对称安装挂钩，以便与钢丝绳连接。

参见图1和图5，喷雾装置设置在存料桶7的一侧。喷雾装置通过固定夹14固定在存料桶7上。喷雾装置包括软管11，软管11的一端连接液体入口，另一端设置有莲蓬头12，软管11上设置有流量计13。

参见图5，流量计13两端直径20mm的连接钢管先通过滚丝加工，丝扣长度不小于20mm，然后上部与直径为20mm的软管连接，下部与带直径20mm直通管的莲蓬头连接。

参见图1、图6和图7，模型箱1包括角钢框架以及钢板15、加固槽钢16和有机玻璃17，角钢框架的左右两面通过有机玻璃17密封成型，角钢框架的前面和后面焊接钢板15成型，加固槽钢设置16设置在角钢框架的中间部位。

参见图6和图7，模型箱长700mm、宽500mm、高600mm，由8mm厚角钢焊接成立体框架，模型箱前后8mm钢板与角钢框架焊接，左右两侧10mm有机玻璃与角钢框架用A级胶密封粘贴，左右两侧再采用50mm槽钢加固，并且左右两侧顶部翻沿上居中焊接直径6mm的钢筋，作为滑轮行走轨道。

本试验系统的工作过程：先通过伺服控制系统设定行走滑轮3沿模型箱长宽方向的移动速度，并利用插销6调节承插式横梁5的竖向高度，控制出料鸭嘴8的落距，调节滑轮10调整存料桶7的位置，利用模型箱中预先布置的标定盒，测试不同落距下标定盒中干砂质量，结合室内试验得到的最大干密度和最小干密度计算对应的相对密实度，从而测得落距-相对密实度曲线。然后，根据模型试验需要制备地基土的相对密实度，查曲线得到出料鸭嘴和莲蓬头喷雾的落距，由初始含水率换算莲蓬头喷雾速率。

制样时，按照确定的行走滑轮移动速度、落距、喷雾速率，由与莲蓬头连接的流量计动态控制喷雾速率，由插捎、承插式横梁、钢丝绳、存料桶、出料鸭嘴耦合机构控制试样落距，由伺服系统控制的行走滑轮使撒砂机构在平面内移动，制备完一个插销移动高度的地基土后，将承插式横梁向上移动一个孔位，重复以上步骤，至完成预设厚度模型箱地基土的制备。

Claims (7)

1.一种三自由度人工制备地基土的模型试验装置，其特征在于，包括模型箱（1）、三自由度行走机构、出料装置及喷雾装置；

三自由度行走机构包括可移动支架（4），可移动支架（4）底部设置有行走滑轮（3），模型箱（1）顶部两侧的翻沿上设置有滑道（2），行走滑轮（3）置于滑道内，可移动支架（4）顶部设置有承插式横梁（5），承插式横梁（5）上设置有滑槽，滑槽内设置有滑轮（10），滑轮（10）连接存料桶（7），存料桶（7）的底部开设有出料鸭嘴（8）；

喷雾装置设置在存料桶（7）的一侧；

可移动支架（4）上开设有若干位置对应的插销（6），承插式横梁（5）通过插销（6）固定在两个可移动支架（4）之间；

喷雾装置包括软管（11），软管（11）的一端连接液体入口，另一端设置有莲蓬头（12），软管（11）上设置有流量计（13）；

根据模型试验需要制备地基土的相对密实度，得到出料鸭嘴和莲蓬头喷雾的落距，由初始含水率换算莲蓬头喷雾速率；通过移动支架、可调节横梁、行走滑轮实现制样装置三自由度行走；通过出料鸭嘴和喷雾装置耦合制备不同含水率地基土，通过出料鸭嘴与模型箱耦合，能确保模型箱地基土的空间均匀性，能够模拟一定初始含水率地基土沉积过程。

2.根据权利要求1所述的一种三自由度人工制备地基土的模型试验装置，其特征在于，模型箱（1）包括角钢框架以及钢板（15）、加固槽钢（16）和有机玻璃（17），角钢框架的左右两面通过有机玻璃（17）密封成型，角钢框架的前面和后面焊接钢板（15）成型，加固槽钢（16）设置在角钢框架的中间部位。

3.根据权利要求1所述的一种三自由度人工制备地基土的模型试验装置，其特征在于，存料桶（7）通过钢丝绳（9）固定在滑轮（10）上。

4.根据权利要求1所述的一种三自由度人工制备地基土的模型试验装置，其特征在于，喷雾装置通过固定夹（14）固定在存料桶（7）上。

5.根据权利要求1所述的一种三自由度人工制备地基土的模型试验装置，其特征在于，行走滑轮（3）和滑轮（10）均连接伺服控制系统，伺服控制系统用于控制行走滑轮（3）和滑轮（10）的转动与停止。

6.权利要求1所述的一种三自由度人工制备地基土的模型试验装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，设定行走滑轮（3）沿模型箱长宽方向的移动速度，并调节承插式横梁（5）的竖向高度，控制出料鸭嘴（8）的落距，调节滑轮（10）调整存料桶（7）的位置；

步骤二，利用模型箱（1）中预先布置的标定盒，测试不同落距下标定盒中干砂质量，结合室内试验得到的最大干密度和最小干密度计算对应的相对密实度，从而测得落距-相对密实度曲线；

步骤三，根据模型试验需要制备地基土的相对密实度，查曲线得到出料鸭嘴（8）和喷雾装置的落距，由初始含水率换算莲蓬头喷雾速率；

步骤四，控制行走滑轮（3）使撒砂机构在平面内移动；

步骤五，制备完一个插销（6）移动高度的地基土后，将承插式横梁（5）向上移动一个孔位，重复步骤四，至完成预设厚度模型箱地基土的制备。

7.根据权利要求6所述的一种三自由度人工制备地基土的模型试验装置的工作方法，其特征在于，通过伺服控制系统控制行走滑轮（3）和滑轮（10）移动。