CN114112603B - 一种模拟某一深度下夯土试样制备系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及土体样品加工的技术领域，特别是涉及一种模拟某一深度下夯土试样制备系统及方法，其实现自动填料、填料量可控、自动模拟夯击与自重压力，包括计算机及与其通信连接的自动填料单元、夯击单元、加压单元和模具盒，自动填料单元用于将试样土自动加入模具盒，夯击单元用于模拟不同高度夯实效果对模具盒内的试样土进行夯实，加压单元用于对经过夯击单元夯实的试样土进行加压；模具盒内设置压力重量传感单元，压力重量传感单元分别与自动填料单元和计算机信号连接，用于检测自动填料单元加入模具盒内的土体质量同时将信号传递至计算机，并且能够检测完成加压后的土体内力并形成压力信号传递至计算机。

Description

一种模拟某一深度下夯土试样制备系统及方法
技术领域
本发明涉及土体样品加工的技术领域，特别是涉及一种模拟某一深度下夯土试样制备系统及方法。
背景技术
夯土作为一种古代常用的建筑材料，常常用于各种建筑中。由于夯土建筑多用于古代建筑，很多已经成为文物古迹，在对夯土材料进行研究过程中，由于文物古迹保护的要求，采取原状土样较困难，就必须制备相同材料、相同力学性质的夯土试样作为替代品进行测试分析。以往土体样品制作多采单独用挤压成型，或夯击成型，为考虑夯土制作过程中土体的土体先经过夯击成型，后经过土体自重压力，最终成为某一建筑的过程。因此，急需一种夯击与压实一体制备土体样品设备，来模拟真实土体三维受力状态。由此制作的土体样品，才能更加真实反映测试效果。
以往土体样品制作设备不能实现自动填料，且填料不够精确，忽多忽少；在夯击过程中不能记录土体中的受力状态，无法调节夯击力度，不能进行实时记录土体内力状况以及夯击力变化情况等。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种实现自动填料、填料量可控、自动模拟夯击与自重压力的模拟某一深度下夯土试样制备系统及方法，由计算机控制系统各单元自动动作，夯击单元通过调节夯击力度模拟不同深度下的夯击能，通过加压单元模拟土体被夯击后在某一深度下自重应力状态，通过压力重量传感单元实现在夯击过程中记录土体中的受力状态，制备的土体样品能够模拟真实土体三维受力状态。
为实现上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
第一方面，本发明提供一种模拟某一深度下夯土试样制备系统，包括计算机及与其通信连接的自动填料单元、夯击单元、加压单元和模具盒，所述自动填料单元用于将试样土自动加入模具盒，所述夯击单元用于模拟不同高度夯实效果对模具盒内的试样土进行夯实，所述加压单元用于对经过夯击单元夯实的试样土进行加压；所述模具盒内设置压力重量传感单元，压力重量传感单元分别与自动填料单元和计算机信号连接，用于检测自动填料单元加入模具盒内的土体质量同时将信号传递至计算机，并且能够检测完成加压后的土体内力并形成压力信号传递至计算机。
一种可能的技术方案中，所述夯击单元包括与第一伸缩柱连接的夯锤，所述夯锤与弹射机构连接，所述弹射机构与所述计算机信号连接。
一种可能的技术方案中，所述压力重量传感单元为设置在模具盒底部的复合光纤网层，所述复合光纤网层包括网状布置的光纤，所述光纤被压入土中用于检测所加入土体的质量以及压实后土体内力并形成信号传递至计算机。
一种可能的技术方案中，所述光纤的外侧包裹有第二磁性物质层，第二磁性物质层的外侧包覆有光纤网保护层，所述夯锤包括由里向外依次包裹的力传感器、合金层和第一磁性物质层，力传感器用于检测土体夯实过程中的土体作用力，第一磁性物质层在下落过程中与所述第二磁性物质层发生电磁感应，通过信号波监测夯锤的下落速度。
一种可能的技术方案中，所述加压单元包括与第二伸缩柱连接的上压板，第二伸缩柱与加压机械连接。
一种可能的技术方案中，所述模具盒包括上下布置的多层水平方向的盒体，每层盒体转动连接在同一个竖向的伸缩轴上，每层模具盒均能够以伸缩轴为中心横向转动。
一种可能的技术方案中，所述伸缩轴的底部连接液压缸。
第二方面，本发明提供一种模拟某一深度下夯土试样制备方法，是根据任一项上述的模拟某一深度下夯土试样制备系统实现的，计算机控制自动填料单元将试样土自动加入模具盒，压力重量传感单元检测自动填料单元加入模具盒内的土体质量并控制自动填料单元的启闭，保证每层模具盒中所加土体质量相同，夯击单元模拟不同高度夯实效果对模具盒内的试样土进行夯实，加压单元用于对经过夯击单元夯实的试样土进行加压，压力重量传感单元检测完成加压后的土体内力并形成压力信号传递至计算机，待压力值不变时，认为土体不再变形。
与现有技术相比本发明的有益效果为：计算机控制自动填料单元将试样土自动加入模具盒，压力重量传感单元检测自动填料单元加入模具盒内的土体质量并控制自动填料单元的启闭，保证每层模具盒中所加土体质量相同，夯击单元模拟不同高度夯实效果对模具盒内的试样土进行夯实，加压单元用于对经过夯击单元夯实的试样土进行加压，压力重量传感单元检测完成加压后的土体内力并形成压力信号传递至计算机，待压力值不变时，认为土体不再变形；由计算机控制系统各单元自动动作，夯击单元通过调节夯击力度模拟不同深度下的夯击能，通过加压单元模拟土体被夯击后在某一深度下自重应力状态，通过压力重量传感单元实现在夯击过程中记录土体中的受力状态，制备的土体样品能够模拟真实土体三维受力状态；本发明系统实现自动填料，每层填料质量精确控制，集成夯击与压实过程于一体模拟制备土体样品设备过程，制备以及检测全流程自动化完成，为行业内制备相同材料、相同力学性质的夯土试样作为替代品提供了解决方案。
附图说明
图1是本发明实施例的一种模拟某一深度下夯土试样制备系统的结构示意图；
图2是本发明实施例的一种模拟某一深度下夯土试样制备系统的另一个视角的结构示意图；
图3是模具盒与伸缩轴连接的结构示意图；
图4是模具盒与复合光纤网层连接结构示意图；
图5是复合光纤网层的结构示意图；
图6是光纤的纵向切面结构示意图；
图7是夯锤的一种结构示意图；
图8是夯锤的另一种结构示意图。
图9是第一伸缩柱、弹射机构和夯锤连接结构示意图；
附图标记：1-试样土；2-第一伸缩柱；3-上压板；4-弹射机构；41-高压气仓；42-助推器；43-弹簧；5-夯锤；6-第一磁性物质层；7-合金层；8-力传感器；9-试样土箱；10-伸缩轴；11-模具盒；12-复合光纤网层；13-底板；14-液压系统；15-油箱；16-液压缸；17-液压泵；18-光纤网保护层；19-光纤；20-第二磁性物质层；21-计算机；22-第二伸缩柱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1至图2所示，本发明实施例的一种模拟某一深度下夯土试样制备系统，包括计算机21及与其通信连接的自动填料单元、夯击单元、加压单元和模具盒11，自动填料单元、夯击单元、加压单元和模具盒11安装在立式框架内，系统各单元根据本发明的功能和目的布置适合的位置，并且分别与计算机21信号通信，实现计算机远程自动控制各单位动作，需要说明的是，本实施例示出的系统各单元的相对位置布置方式只是本发明的可实施性技术方案中的一种可能性示例，实际实施时，系统各单元的相对位置布置方式可以根据每个单元的作用以及具体实施需求做出适当调整。
本实施例中，立式框架的底板13将框架整体空间分成上下两部分，其中自动填料单元布置在立式框架的顶部，在立式框架上部固定安装试样土箱9，试样土箱9内预填试样土1，试样土箱9内部的填料结构或机构可以根据实际使用需要具体选择，本发明对具体填料方式不做具体限定，计算机控制试样土箱9内填料结构或机构的闸门启闭。
为了模拟现场每填充一定高度进行夯击，模具盒11设置为上下布置的多层水平方向的盒体，每层盒体转动连接在同一个竖向的伸缩轴10上，伸缩轴10向下穿过底板13并与下侧的液压缸16连接，每层模具盒11均能够以伸缩轴10为中心横向转动；需要理解的是，伸缩轴10的伸缩方式还可以采用除液压缸之外的其他适合结构或装置或机构的组合，例如可以是气缸或电动推杆等；本实施例中，液压缸16布置在立式框架的下部分液压系统14内，具体地，液压系统14内在液压缸16的下侧连接通过液压泵17连接油箱15；液压缸16驱动伸缩轴10进行纵向伸缩而带动模具盒11进行上下位置移动，由于每层模具盒11均可以伸缩轴10为中心横向转动，即可实现每层模具盒11根据自动填料单元、夯击单元、加压单元的位置移动至适合操作位；模具盒11与伸缩轴10的转动连接方式可采用任意适合的方式，优选地，每层模具盒11的转动由计算机21进行控制，当需要填料时，计算机21控制模具盒11转动到试样土箱9处。
夯击单元和加压单元分别安装在立式框架的顶端，夯击单元用于模拟不同高度夯实效果对模具盒11内的试样土1进行夯实；夯击单元包括与竖向的第一伸缩柱2连接的夯锤5，所述夯锤5与弹射机构4连接，所述弹射机构4与所述计算机21信号连接；弹射机构4可对夯锤5施加初始动能，使得夯锤5落下时具有一定初速度，从而模拟不同高度下的夯击能；具体地，如图9所示，弹射机构4包括弹射主体内部上下滑动设置的助推器42，助推器42上方的空间形成高压气仓41，高压气仓41内填充高压气体，助推器42为T字形，其横向板的两侧与弹射主体的内侧壁滑动连接，横向板的下端连接竖向柱，竖向柱的下端与夯锤5的顶端相对；横向板的下侧至弹射主体底端的空间内对称设置有竖向的弹簧43；计算机21根据夯击力设置，通过气泵提供高压气体储存到高压气仓41内，高压气体对助推器42提供推力，助推器42被弹射，与夯锤5接触，提供夯击力；助推器42弹射后被弹簧43推回至原位，等待下一侧被激发；加压单元包括与第二伸缩柱22连接的上压板3，第二伸缩柱22与加压机械连接，加压机械通过第二伸缩柱22对上压板3产生压力，用于土样夯实后加压所用，以此模拟土体被夯击后在某一深度下自重应力状态。
作为本发明一种优选的实施方式，如图3-图5所示，压力重量传感单元为设置在模具盒11底部的复合光纤网层12，如图6所示，所述复合光纤网层12包括网状布置的光纤19，所述光纤19被压入土中，光纤19受压可以检测所加入土体质量，将质量信号传递至计算机21，计算机21根据设置控制试样土箱9内填料结构或机构的闸门启闭，保证每层模具盒中所加土体质量相同；经过夯击和加压后，光纤19还可以检测压实后土体内力并形成压力信号传递至计算机21。
进一步优选地，所述光纤19的外侧包裹有第二磁性物质层20，第二磁性物质层20的外侧包覆有光纤网保护层18，所述夯锤5包括由里向外依次包裹的力传感器8、合金层7和第一磁性物质层6，力传感器8用于检测土体夯实过程中的土体作用力，当土体达到最佳夯击效果后，夯锤停止夯击，模具盒11转动到填料盒处，添加下一层土料，并重复下一次夯击过程；第一磁性物质层6在下落过程中与所述第二磁性物质层20发生电磁感应，通过信号波监测夯锤5的下落速度，可以记录夯锤压实土体时夯锤速度动态变化，反应夯锤动能损失情况；其中，第一磁性物质层6和第二磁性物质层20的磁性物质可选用磁粉或磁束等；夯锤5的形状可以采用实现上述功能的任意形状，例如图7、图8所示，夯锤5的形状可以做成长方体或者圆柱体。
本发明实施例的一种模拟某一深度下夯土试样制备方法，其包括如下操作步骤：
S1:由计算机21控制模具盒11转动到试样土箱9处，模具盒11内复合光纤网层12受压，检测所加入土体质量，将质量信号传递至计算机21，计算机21根据设置控制试样土箱9内填料结构或机构的闸门启闭，保证每层模具盒中所加土体质量相同；
S2:填料后模具盒11转动到夯锤5的下部，由弹射机构4控制夯锤5的初始动能，使夯锤5落下时具有一定初速度，模拟不同高度下的夯击能，由下到上依次分层夯击，模拟现场分层夯实过程；
S3:夯锤5在下落过程中，夯锤5与土体接触，夯锤5内部的力传感器8受到挤压，检测土体夯实作用力，当土体达到最佳夯击效果后，夯锤5停止夯击，模具盒11转动到试样土箱9处，添加下一层土料，并重复下一次夯击过程；夯锤5在下落过程中，夯锤5中第一磁性物质层6在下落过程中与复合光纤网层12中的第二磁性物质层20反应，通过信号波监测夯锤5落下速度，并记录夯锤5压实土体时夯锤5速度动态变化，反应夯锤5动能损失情况；
S4:夯锤5下落被压入土中，在土体中对模具盒11中复合光纤网层12产生压力，光纤19作为传感器实时反应压实后土体内力，并形成压力信号传导至计算机21中；
S5:夯击后模具盒11转动到压力板3下，由加压机械通过第二伸缩柱22伸长，提供上压板3一定压力，压在夯击后的土体上表面，对模具盒11中复合光纤网层12产生压力，待光纤19压力值不变时，认为土体不再变形，以此模拟土体被夯击后在某一深度下自重应力状态，完成制作土体样品。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种模拟某一深度下夯土试样制备系统，其特征在于，包括计算机(21)及与其通信连接的自动填料单元、夯击单元、加压单元和模具盒(11)，所述自动填料单元用于将试样土(1)自动加入模具盒(11)，所述夯击单元用于模拟不同高度夯实效果对模具盒(11)内的试样土(1)进行夯实，所述加压单元用于对经过夯击单元夯实的试样土(1)进行加压，其中施加的压力值应当等于夯土在某一深度下的自重应力；所述模具盒(11)内设置压力重量传感单元，压力重量传感单元分别与自动填料单元和计算机(21)信号连接，用于检测自动填料单元加入模具盒(11)内的土体质量同时将信号传递至计算机(21)，并且能够检测完成加压后的土体内力并形成压力信号传递至计算机(21)。
2.如权利要求1所述的模拟某一深度下夯土试样制备系统，其特征在于，所述夯击单元包括与第一伸缩柱(2)连接的夯锤(5)，所述夯锤(5)与弹射机构(4)连接，所述弹射机构(4)与所述计算机(21)信号连接。
3.如权利要求2所述的模拟某一深度下夯土试样制备系统，其特征在于，所述压力重量传感单元为设置在模具盒(11)底部的复合光纤网层(12)，所述复合光纤网层(12)包括网状布置的光纤(19)，所述光纤(19)被压入土中用于检测所加入土体的质量以及压实后土体内力并形成信号传递至计算机(21)。
4.如权利要求3所述的模拟某一深度下夯土试样制备系统，其特征在于，所述光纤(19)的外侧包裹有第二磁性物质层(20)，第二磁性物质层(20)的外侧包覆有光纤网保护层(18)，所述夯锤(5)包括由里向外依次包裹的力传感器(8)、合金层(7)和第一磁性物质层(6)，力传感器(8)用于检测土体夯实过程中的土体作用力，第一磁性物质层(6)在下落过程中与所述第二磁性物质层(20)发生电磁感应，通过信号波监测夯锤(5)的下落速度。
5.如权利要求4所述的模拟某一深度下夯土试样制备系统，其特征在于，所述加压单元包括与第二伸缩柱(22)连接的上压板(3)，第二伸缩柱(22)与加压机械连接。
6.如权利要求5所述的模拟某一深度下夯土试样制备系统，其特征在于，所述模具盒(11)包括上下布置的多层水平方向的盒体，每层盒体转动连接在同一个竖向的伸缩轴(10)上，每层模具盒(11)均能够以伸缩轴(10)为中心横向转动。
7.如权利要求6所述的模拟某一深度下夯土试样制备系统，其特征在于，所述伸缩轴(10)的底部连接液压缸(16)。
8.一种模拟某一深度下夯土试样制备方法，其特征在于，是根据权利要求1-7任一项所述的模拟某一深度下夯土试样制备系统实现的，计算机(21)控制自动填料单元将试样土(1)自动加入模具盒(11)，压力重量传感单元检测自动填料单元加入模具盒(11)内的土体质量并控制自动填料单元的启闭，保证每层模具盒(11)中所加土体质量相同，夯击单元模拟不同高度夯实效果对模具盒(11)内的试样土(1)进行夯实，加压单元用于对经过夯击单元夯实的试样土(1)进行加压，其中施加的压力值应当等于夯土在某一深度下的自重应力；压力重量传感单元检测完成加压后的土体内力并形成压力信号传递至计算机(21)，待压力值不变时，认为土体不再变形。
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