CN116446475A - 一种基于模型槽试验自动化配置软土地基的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模型槽试验自动化配置软土地基的装置和方法，装置包括模型槽装置，碎土装置，拌土装置，粗细骨料提升装置，填土装置；模型槽为顶部开口的方形槽，模型槽内布置有砾石层、砂土持力层和端承桩；碎土装置包括碎土室和电机，电机通过皮带带动碎土室内部的叶片转动；拌土装置与碎土装置的出口相连，将成品输送至填土装置；粗细骨料提升装置主体为一圆角矩形轨道，内部通过长方体块分割成若干格室，长方体块通过链条和齿轮与电机相连，将骨料运送到搅拌筒内；填土装置为一斜靠的轨道，轨道内部安装有剪叉式提升装置，将成品料推送至模型槽内。本发明旨在提升模型槽试验填土效率，以达到节省人力，提高经济效益之目的。

Description

一种基于模型槽试验自动化配置软土地基的装置和方法

技术领域

本发明涉及交通岩土软土地基技术领域，具体地说是一种基于模型槽试验自动化配置软土地基的装置和方法。

背景技术

我国作为传统的基建大国，过去一段时间在交通建设上取得了举世瞩目的成就，高速公路，高速铁路建设如火如荼，极大增强了我国各个区域的沟通和联系，但从另一方面来说工程建设中面临的问题也有很多，我国国土面积广袤，在交通建设过程中会面临极为复杂的工程地质条件，例如西北地区的湿陷性黄土，青藏高原的季节性冻土，这些特殊土地基的存在都给我国的交通建设带来了极大的挑战，软土在我国的分布范围十分广泛，从东南沿海地区，到内陆的河湖沼泽地区，都存在着一定量的软土地基沉积分布，这种软土有着含水量高、承载力差、压缩性高等物理力学性质，这些性质都是不利于交通设施工程建设和长期运行使用的，面对这些工程不良土体，土木工程领域也在漫长的历史进程中发展出了一系列地基处理措施，如使用轻质填料进行路堤填筑，真空固结等，加筋桩承式路堤是一种经典的软弱土地基处理方法，它在软土地基中放置桩，软土地基上部为路堤和加筋体，由于桩土刚度差异很大，通过上部路堤的荷载大部分被转移到桩上，在加筋桩承式路堤中，存在两种主要的荷载传递效应：土拱效应和张拉膜效应，通过这两种效应，可以将上部荷载有效地转移到桩上，并且最终传递给下部持力层。

在加筋桩承式路堤中，张拉膜效应是一种十分重要的荷载传递机制，它的发挥程度受到上部荷载形式，路堤高度，尤其是加筋垫层性质的影响，这方面的研究之前也有一些，但很多仅限于理论研究，缺乏对张拉膜效应的试验研究成果。因此，急需一种试验装置和方法，研究通过改变动荷载形式及相关参数，上部路堤高度，以及土工格栅层数等因素对加筋桩承式路堤中张拉膜效应发挥程度的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于模型槽试验自动化配置软土地基的装置，提升模型槽试验中软土配置与填筑这一工序的工作效率，实现模型槽试验的规范化、自动化操作，从而探究不同影响因素对加筋桩承式路堤中张拉膜效应的影响。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于模型槽试验自动化配置软土地基的装置，包括模型槽装置、碎土装置、拌土装置、粗细骨料提升装置和填土装置。

模型槽装置包括模型槽、砾石层、砂土持力层、刚性端承桩、作动器、供水管道一、顶部横梁。

模型槽为顶部开口的方型槽，模型槽底部布设砾石层，砾石层上方布设砂土持力层，砂土持力层内埋设若干刚性端承桩；模型槽顶部固定有顶部横梁，作动器吊设在顶部横梁上。

碎土装置包括进料口护板、碎土室、螺旋叶片组、电机一、出料导槽、盖板一、皮带。

进料口护板呈斜向与碎土室固定连接，碎土室内部设有螺旋叶片组，碎土室下部与出料导槽连接，电机一通过皮带驱动螺旋叶片组的转动；盖板一位于出料导槽的出口处。

粗细骨料提升装置包括轨道侧板、长方体块、履带链环、链条、齿轮、电机三、U形底板。

电机三通过齿轮带动链条和履带链环在轨道侧板上转动，带动长方体块在U形底板上运动并实现粗细骨料的提升。

拌土装置包括搅拌筒、传动杆、搅拌头、供水管道二、电机二、出料口、盖板二。

搅拌筒为顶部开口的圆柱形筒，电机二驱动传动杆并且带动搅拌头转动，将出料导槽排出的干土粉与骨料以及供水管道二喷洒的水混合搅拌均匀，并且通过出料口将成品料排出，出料口上方有盖板二。

填土装置包括方形导槽、相互交叉连接的杆机构、液压顶升装置、推板。

方形导槽倾斜固定在模型槽上，液压顶升装置驱动相互交叉连接的杆机构抬升，通过推板将成品料送入模型槽内。

进一步优选地，砾石层的高度为0.25m，砂土持力层的高度为0.3m；作动器滑动固定在模型槽的顶部横梁上，有与顶部横梁平行和垂直两个方向的自由度；作动器能施加正弦波，半正弦波等形式的动荷载。

进一步优选地，模型槽侧壁设有侧门，侧门能降低填土工作高度，缩短方形导槽的长度，侧门相对的侧壁安装有玻璃窗，便于通过玻璃窗观察模型槽内部的情况。

进一步优选地，模型槽装置还设有供水管道一，用于为填入成品料后的模型槽加湿，保持成品料的性能。

进一步优选地，螺旋叶片组在电机一的带动下，可以将干土块充分粉碎；碎土装置内设置网筛，防止未粉碎完全的干土块经由出料导槽进入搅拌筒中；粉碎完全后的原料通过出料导槽落入搅拌筒内，电机一的转动速度能够调节，从而控制出料的快慢。

进一步优选地，搅拌筒内部固定有环形供水管道二，供水管道二与外部的流量计和增压水泵连接，通过增压水泵和流量计控制进入搅拌筒水的总量，实现特定含水率软土地基的配置；供水管道二为环形，固定于搅拌筒内壁，有利于水分在软土拌合料中分布更加均匀。

进一步优选地，电机三带动齿轮转动，齿轮通过啮合作用带动链条转动，链条的每一节与履带链环的每一节对应固定连接，从而履带链环随着链条的转动而转动；长方体块固定在履带链环的部分环节上，将圆角矩形轨道侧板内部的空间分隔成一个个格室，并且实现在圆角矩形轨道中的循环转动。

进一步优选地，搅拌筒上方的底板被移除形成洞口，当粗细骨料运行到U形底板的洞口时落入搅拌筒内。

进一步优选地，方形导槽底部正对出料口，顶部与模型槽内部连通，将成品料推送入模型槽内；方形导槽内部的液压顶升装置有两个，根据平行四边形原理，将相互交叉的杆机构顶起，从而将附着于方形导槽底板上的成品推送入模型槽内；当出料口出料时，相互交叉的杆机构处于收缩状态，成品通过出料口掉落至推板上方。

一种基于模型槽试验自动化配置软土地基的方法，包括以下步骤：

步骤1、打开电机一，使其处于运转状态，打开盖板一，然后从进料口护板中投入干燥的粘土块，粘土块进入碎土室中，在螺旋叶片组的作用下将其破碎，符合要求的粘土粉通过出料导槽进入搅拌筒中，碎土工序完毕后，关闭电机一；

步骤2、关闭盖板一，同时确保盖板二处于关闭状态，打开电机三，将所需质量的骨料投入到U形底板底部长方体块分割的格室中，随着电机三的转动，骨料到达U形底板的顶端，从而被投入到搅拌筒中，骨料投送完毕后，关闭电机三；

步骤3、开启电机二，同时通过供水管道二将预设质量的水输送进入搅拌筒，观察到拌合料的状态符合试验要求时，关闭电机二；

步骤4、确保相互交叉的杆机构处于收缩状态，打开盖板二，再次打开电机二，将所有的成品料送入方形导槽中，打开液压顶升装置，将拌合完毕的成品料送入模型槽中。

本发明具有如下有益效果：

第一，与现有技术试验相比，本发明的模型槽缩尺试验具有成本低、试验结果相对可靠、操作简便、模拟工况多等优点。此外在大多数相关的模型槽试验中，软土地基的配置和填筑是一项繁琐而耗时的工序，本发明在不影响整体试验效果的前提下，有效缩短这一工序的时间，并改进模型槽的功能，提升其工作效率，获得更为理想的试验结果。

第二，作动器有平行和垂直两个方向的自由度，能沿着与横梁平行的方向实现一定范围内的移动，实现在在路堤表面水平方向不同位置的加载，同时作动器也可以沿着与水平面垂直的方向移动，以适应不同工况下的不同路堤高度。

第三，骨料提升装置中的长方体块将圆角矩形轨道分成一个个的格室，通过电机三的带动，长方体块在圆角矩形轨道中以一定速度移动，并且通过这种提升作用将低处的骨料原料运送至搅拌筒内，循环转动的链条和履带链环保证了骨料提升装置的连续运行，保证了该道工序的正常进行，同时大大提升了骨料运送的效率。

第四，填土装置中放置有剪叉式提升装置，这种设备在液压顶升装置的作用下，会产生极大的推力，可以将成品料有效地推送入模型槽中。相互交叉的杆机构在拌土装置从出料口放料时会呈收起状态，放料达到一定质量后，在液压顶升装置的作用下，根据平行四边形原理，相互交叉的杆机构会被顶开，在液压顶升装置提供的顶升力作用下，推板会将这种力作用到成品料上，在成品料含水量较高粘结力较大的情况下，这种顶升力会大于成品料和方形导槽底板之间的粘结作用力，成品料会沿着导槽的方向向斜上方移动，这种设计可以有效避免较高含水率的成品料在方形导槽上的残留。

附图说明

图1是本发明的装置整体结构示意图。

图2是本发明的碎土装置结构示意图。

图3是本发明的碎土室内部结构示意图。

图4是本发明的粗细骨料提升装置示意图。

图5是本发明的粗细骨料提升装置顶部放大图。

图6是本发明的拌土装置结构示意图。

图7是本发明的填土装置结构示意图。

其中有：10.模型槽；11.砾石层；12.砂土持力层；13.刚性端承桩；14.作动器；15.供水管道一；16.顶部横梁；17.侧门；20.进料口护板；21.碎土室；22.螺旋叶片组；23.网筛；24.电机一；25.出料导槽；26.盖板一；27.皮带；28.护板；30.搅拌筒；31.传动杆；32.搅拌头；33.供水管道二；34.电机二；35.流量计；36.增压水泵；37.出料口；38.盖板二40.轨道侧板；41.长方体块；42.履带链环；43.链条；44.齿轮；45.电机三；46.U形底板；50.方形导槽；51.杆机构；52.液压顶升装置；53.推板。

实施方式

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种基于模型槽试验自动化配置软土地基的装置，包括模型槽装置、碎土装置、拌土装置、粗细骨料提升装置和填土装置。

模型槽装置包括模型槽10、砾石层11、砂土持力层12、刚性端承桩13、作动器14、供水管道一15、顶部横梁16。

模型槽10为顶部开口的方型槽，模型槽10底部布设砾石层11，砾石层上方布设砂土持力层12，砂土持力层12内埋设若干刚性端承桩13。模型槽10顶部固定有顶部横梁16，作动器14吊设在顶部横梁16上。

模型槽10侧壁设有侧门17，侧门17能降低填土工作高度，缩短方形导槽50的长度，侧门17相对的侧壁安装有玻璃窗，便于通过玻璃窗观察模型槽10内部的情况。

模型槽装置还设有供水管道一15，用于为填入成品料后的模型槽10加湿，保持成品料的性能。

砾石层11的高度为0-0.25m，砂土持力层12的高度为0-0.3m。作动器14滑动固定在模型槽10的顶部横梁16上，并且可以通过横梁上的螺栓孔调节作动器的位置，有与顶部横梁16平行和垂直两个方向的自由度，能沿着与横梁平行的方向实现一定范围内的移动，实现在在路堤表面水平方向不同位置的加载，同时作动器也可以沿着与水平面垂直的方向移动，以适应不同工况下的不同路堤高度。作动器14能施加正弦波，半正弦波等形式的动荷载。

如图2和图3所示，碎土装置包括进料口护板20、碎土室21、螺旋叶片组22、电机一24、出料导槽25、盖板一26、皮带27。

进料口护板20呈斜向与碎土室21固定连接，碎土室21内部设有螺旋叶片组22，碎土室21下部与出料导槽25连接，电机一24通过皮带27驱动螺旋叶片组22的转动。盖板一26位于出料导槽25的出口处，在不出料时关闭出料导槽25。护板28遮挡皮带27，防止转动机械伤人。

螺旋叶片组22在电机一24的带动下，可以将干土块充分粉碎。碎土装置内设置网筛23，防止未粉碎完全的干土块经由出料导槽25进入搅拌筒30中。粉碎完全后的原料通过出料导槽25落入搅拌筒30内，电机一24的转动速度能够调节，从而控制出料的快慢。碎土装置内部设置有四个同轴转动的螺旋叶片组，可以大大提升对较大粘土块的碎土效率，同时分布于螺旋叶片组周围的网筛可以起到有效的过滤作用，防止破碎不完全的土块进入搅拌筒。

碎土装置的出料导槽出口处有盖板一，可以根据试验需要使其呈打开或关闭状态，拌土装置的出料口上方为盖板二，可根据试验工序需要使其呈现打开或者关闭状态。

如图4和图5所示，粗细骨料提升装置包括轨道侧板40、长方体块41、履带链环42、链条43、齿轮44、电机三45、U形底板46。

电机三45带动齿轮44转动，齿轮44通过啮合作用带动链条43转动，链条43的每一节与履带链环42的每一节对应固定连接，从而履带链环42随着链条43的转动而转动。长方体块41固定在履带链环42的部分环节上，将圆角矩形轨道侧板40内部的空间分隔成一个个格室，并且实现在圆角矩形轨道中的循环转动。

如图6所示，拌土装置包括搅拌筒30、传动杆31、搅拌头32、供水管道二33、电机二34、出料口37、盖板二38。

搅拌筒30为顶部开口的圆柱形筒，电机二34驱动传动杆31并且带动搅拌头32转动，将出料导槽25排出的干土粉与骨料以及供水管道二33喷洒的水混合搅拌均匀，并且通过出料口37将成品料排出，搅拌筒30上方的底板被移除形成洞口，当粗细骨料运行到U形底板46的洞口时落入搅拌筒30内。出料口37上方有盖板二38，用于在不需要出料时将出料口关闭。

搅拌筒内的传动杆由三根杆组成，三根杆之间组成一个稳定的三角形结构，这种结构有助于提升拌土装置的稳定性，同时对于拌土系统的搅拌作用也有着明显的增益效果。

搅拌筒30内部固定有环形供水管道二33，供水管道二33与外部的流量计35和增压水泵36连接，通过增压水泵36和流量计35控制进入搅拌筒30水的总量，实现特定含水率软土地基的配置。供水管道二33为环形，固定于搅拌筒30内壁，有利于水分在软土拌合料中分布更加均匀。

如图7所示，填土装置包括方形导槽50、相互交叉连接的杆机构51、液压顶升装置52、推板53。

方形导槽50底部正对出料口37，顶部与模型槽10内部连通，将成品料推送入模型槽10内。方形导槽50内部的液压顶升装置52有两个，为剪叉式提升装置。根据平行四边形原理，将相互交叉的杆机构51顶起，从而将附着于方形导槽50底板上的成品推送入模型槽10内。当出料口37出料时，相互交叉的杆机构51处于收缩状态，成品通过出料口37掉落至推板53上方。

基于上述装置，有一种基于模型槽试验自动化配置软土地基的方法，在不影响整体试验效果的前提下，有效缩短工序的时间，并改进模型槽的功能，提升其工作效率，获得更为理想的试验结果。

方法具体包括以下步骤：

步骤1、打开电机一24，使其处于运转状态，打开盖板一26，然后从进料口护板20中投入干燥的粘土块，粘土块进入碎土室21中，在螺旋叶片组22的作用下将其破碎，符合要求的粘土粉通过出料导槽25进入搅拌筒30中，碎土工序完毕后，关闭电机一24；

步骤2、关闭盖板一26，同时确保盖板二38处于关闭状态，打开电机三45，将所需质量的骨料投入到U形底板46底部长方体块41分割的格室中，随着电机三43的转动，骨料到达U形底板46的顶端，从而被投入到搅拌筒30中，骨料投送完毕后，关闭电机三45；

步骤3、开启电机二34，同时通过供水管道二33将预设质量的水输送进入搅拌筒30，观察到拌合料的状态符合试验要求时，关闭电机二34；

步骤4、确保相互交叉的杆机构51处于收缩状态，打开盖板二38，再次打开电机二34，将所有的成品料送入方形导槽50中，打开液压顶升装置52，将拌合完毕的成品料送入模型槽10中。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于模型槽试验自动化配置软土地基的装置，其特征在于：包括模型槽装置、碎土装置、拌土装置、粗细骨料提升装置和填土装置；

所述模型槽装置包括模型槽（10）、砾石层（11）、砂土持力层（12）、刚性端承桩（13）、作动器（14）、顶部横梁（16）；

所述模型槽（10）为顶部开口的方型槽，模型槽（10）底部布设砾石层（11），砾石层上方布设砂土持力层（12），砂土持力层（12）内埋设若干刚性端承桩（13）；所述模型槽（10）顶部固定有顶部横梁（16），作动器（14）吊设在顶部横梁（16）上；

所述碎土装置包括进料口护板（20）、碎土室（21）、螺旋叶片组（22）、电机一（24）、出料导槽（25）、盖板一（26）、皮带（27）；

所述进料口护板（20）呈斜向与碎土室（21）固定连接，碎土室（21）内部设有螺旋叶片组（22），碎土室（21）下部与出料导槽（25）连接，电机一（24）通过皮带（27）驱动螺旋叶片组（22）的转动；盖板一（26）位于出料导槽（25）的出口处；

所述粗细骨料提升装置包括轨道侧板（40）、长方体块（41）、履带链环（42）、链条（43）、齿轮（44）、电机三（45）、U形底板（46）；

所述电机三（45）通过齿轮（44）带动链条（43）和履带链环（42）在轨道侧板（40）上转动，带动长方体块（41）在U形底板（46）上运动并实现粗细骨料的提升；

所述拌土装置包括搅拌筒（30）、传动杆（31）、搅拌头（32）、供水管道二（33）、电机二（34）、出料口（37）、盖板二（38）；

所述搅拌筒（30）为顶部开口的圆柱形筒，电机二（34）驱动传动杆（31）并且带动搅拌头（32）转动，将出料导槽（25）排出的干土粉与骨料以及供水管道二（33）喷洒的水混合搅拌均匀，并且通过出料口（37）将成品料排出，出料口（37）上方有盖板二（38）；

所述填土装置包括方形导槽（50）、相互交叉连接的杆机构（51）、液压顶升装置（52）、推板（53）；

所述方形导槽（50）倾斜固定在模型槽（10）上，液压顶升装置（52）驱动相互交叉连接的杆机构（51）抬升，通过推板（53）将成品料送入模型槽（10）内。

2.根据权利要求1所述的基于模型槽试验自动化配置软土地基的装置，其特征在于：砾石层（11）的高度为0.25m，砂土持力层（12）的高度为0.3m；作动器（14）滑动固定在模型槽（10）的顶部横梁（16）上，有与顶部横梁（16）平行和垂直两个方向的自由度；作动器（14）能施加正弦波，半正弦波等形式的动荷载。

3.根据权利要求1所述的基于模型槽试验自动化配置软土地基的装置，其特征在于：所述模型槽（10）侧壁设有侧门（17），侧门（17）能降低填土工作高度，缩短方形导槽（50）的长度；侧门（17）相对的侧壁安装有玻璃窗，便于通过玻璃窗观察模型槽（10）内部的情况。

4.根据权利要求1所述的基于模型槽试验自动化配置软土地基的装置，其特征在于：模型槽装置还设有供水管道一（15），用于为填入成品料后的模型槽（10）加湿，保持成品料的性能。

5.根据权利要求1所述的基于模型槽试验自动化配置软土地基的装置，其特征在于：所述螺旋叶片组（22）在电机一（24）的带动下，可以将干土块充分粉碎；碎土装置内设置网筛（23），防止未粉碎完全的干土块经由出料导槽（25）进入搅拌筒（30）中；粉碎完全后的原料通过出料导槽（25）落入搅拌筒（30）内，电机一（24）的转动速度能够调节，从而控制出料的快慢。

6.根据权利要求1所述的基于模型槽试验自动化配置软土地基的装置，其特征在于：搅拌筒（30）内部固定有环形供水管道二（33），供水管道二（33）与外部的流量计（35）和增压水泵（36）连接，通过增压水泵（36）和流量计（35）控制进入搅拌筒（30）水的总量，实现特定含水率软土地基的配置；供水管道二（33）为环形，固定于搅拌筒（30）内壁，有利于水分在软土拌合料中分布更加均匀。

7.根据权利要求1所述的基于模型槽试验自动化配置软土地基的装置，其特征在于：电机三（45）带动齿轮（44）转动，齿轮（44）通过啮合作用带动链条（43）转动，链条（43）的每一节与履带链环（42）的每一节对应固定连接，从而履带链环（42）随着链条（43）的转动而转动；长方体块（41）固定在履带链环（42）的部分环节上，将圆角矩形轨道侧板（40）内部的空间分隔成一个个格室，并且实现在圆角矩形轨道中的循环转动。

8.根据权利要求1所述的基于模型槽试验自动化配置软土地基的装置，其特征在于：搅拌筒（30）上方的底板被移除，形成洞口，当粗细骨料运行到U形底板（46）的洞口时落入搅拌筒（30）内。

9.根据权利要求1所述的基于模型槽试验自动化配置软土地基的装置，其特征在于：方形导槽（50）底部正对出料口（37），顶部与模型槽（10）内部连通，将成品料推送入模型槽（10）内；方形导槽（50）内部的液压顶升装置（52）有两个，根据平行四边形原理，将相互交叉的杆机构（51）顶起，从而将附着于方形导槽（50）底板上的成品推送入模型槽（10）内；当出料口（37）出料时，相互交叉的杆机构（51）处于收缩状态，成品通过出料口（37）掉落至推板（53）上方。

10.根据权利要求1-9任一所述的基于模型槽试验自动化配置软土地基的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、打开电机一（24），使其处于运转状态，打开盖板一（26），然后从进料口护板（20）中投入干燥的粘土块，粘土块进入碎土室（21）中，在螺旋叶片组（22）的作用下将其破碎，符合要求的粘土粉通过出料导槽（25）进入搅拌筒（30）中，碎土工序完毕后，关闭电机一（24）；

步骤2、关闭盖板一（26），同时确保盖板二（38）处于关闭状态，打开电机三（45），将所需质量的骨料投入到U形底板（46）底部长方体块（41）分割的格室中，随着电机三（43）的转动，骨料到达U形底板（46）的顶端，从而被投入到搅拌筒（30）中，骨料投送完毕后，关闭电机三（45）；

步骤3、开启电机二（34），同时通过供水管道二（33）将预设质量的水输送进入搅拌筒（30），观察到拌合料的状态符合试验要求时，关闭电机二（34）；

步骤4、确保相互交叉的杆机构（51）处于收缩状态，打开盖板二（38），再次打开电机二（34），将所有的成品料送入方形导槽（50）中，打开液压顶升装置（52），将拌合完毕的成品料送入模型槽（10）中。