CN202393713U - 离心机可视化细观结构动态测量系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种离心机可视化细观结构动态测量系统，包括观测系统、模型箱、控制装置和离心机，模型箱内设有地下结构物，并在地下结构物和模型箱之间填充有砂颗粒；地下结构物开有观测孔，并通过钢化玻璃密封，观测系统安装于地下结构物内通过钢化玻璃对砂颗粒进行观测；模型箱置于离心机上通过离心机控制运动；观测系统包括高速细观摄像机和LED光源，分别固定于地下结构物内；控制装置包括控制终端、无线中继和工控机，工控机通过数据采集线与高速细观摄像机相连，控制终端通过无线中继控制工控机采集高速细观摄像机的拍摄图像。本实用新型实现了在动力离心机试验中同步动态记录砂土在高应力状态下细观结构演化特征。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种在离心机高速旋转模拟土体现场原位应力状态土体动力荷载作用时对土体的细观结构和宏观特性进行动态观测的试验仪器，特别是对砂土细观结构进行动态观测和记录的离心机可视化细观结构动态测量系统。
背景技术
土工离心机通过采用高速旋转增加模型重力的方法，使模型土体产生与原型相同的自重应力，模型的变形及破坏机制与原型相似，从而可以直接模拟复杂的岩土工程问题。目前土工离心机的用途已十分广泛，不仅可以用于解决常规的土力学问题，如土石坝、边坡、挡土墙、桩基、深基坑、地下洞室等，而且利用离心机可以模拟原型应力的特点，研究人员将离心机用于冻土力学、环境土力学、土工抗震研究以及爆破工程研究等领域。离心模型试验同时为深入认识岩土力学的基本原理，验证数值分析成果提供了十分有效的手段。限于离心机设备的复杂性，以往的离心机试验都是基于土体的宏观力学特性进行研究，不能观测到试验过程土样细观结构的变化，限制了对土体液化过程细观组构演化与细观力学机理的深入研究。
发明内容
为了填补现有动力离心机试验中不能动态同步观测土体细观结构的空白，本实用新型的目的在于提供一种离心机可视化细观结构动态测量系统，在土体受到底部激振力作用时，不仅能测得宏观应力应变的变化，同时能对土体的细观结构进行动态观测和记录。
为了达到以上目的，本实用新型采用的技术方案如下：
一种离心机可视化细观结构动态测量系统，包括观测系统、模型箱、控制装置和离心机，模型箱内设有地下结构物，并在地下结构物和模型箱之间填充有砂颗粒；地下结构物开有观测孔，并通过钢化玻璃密封，观测系统安装于地下结构物内通过钢化玻璃对砂颗粒进行观测；模型箱置于离心机上通过离心机控制运动；观测系统包括高速细观摄像机和LED光源，分别固定于地下结构物内；控制装置包括控制终端、无线中继和工控机，工控机通过数据采集线与高速细观摄像机相连，控制终端通过无线中继控制工控机采集高速细观摄像机的拍摄图像。
所述砂颗粒中还埋有孔压计和土压计。
所述模型箱外部还安装有位移传感器。
所述高速细观摄像机的拍摄帧率为90帧/秒。
所述LED光源采用工业LED环形光源。
所述地下结构物采用整块高强铝合金切割为中空结构而成。
所述地下结构物还设有穿线孔，高速细观摄像机的电源线、数据采集线和LED光源的电源线通过穿线孔引出，并采用“O”型圈密封防水。
所述钢化玻璃直径为130mm，厚度为8mm，采用防水胶和乳胶垫层粘贴在地下结构物的侧壁。
所述地下结构物的盖板通过螺钉、乳胶垫层和弹性防水胶安装于地下结构物的顶部。
由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：实现了动力离心机试验中土样细观结构变化的同步动态观测和记录，本实用新型的系统可靠、试验结果直观，是研究土体动力问题宏细观力学机理的有力试验工具。
附图说明
图1为本实用新型的地下结构物平面图。
图2为本实用新型的地下结构物正视图。
图3为本实用新型的地下结构物左视图。
图4为本实用新型的地下结构物的盖板图。
图5为本实用新型的远程控制示意图。
具体实施方式
本实用新型的离心机可视化细观结构动态测量系统，包括高速细观摄像机1、LED光源2、地下结构物3、模型箱、计算机8、无线路由器9、工控机10和离心机，地下结构物3置于模型箱内，并在地下结构物3和模型箱之间填充砂颗粒作为模拟地基；高速细观摄像机1和LED光源2设于地下结构物3内并固定于其上；优选地，本实用新型的高速细观摄像机1的拍摄帧率为90帧/秒，能够在短时间内拍摄到基本反映砂土颗粒运动特征所需数量的清晰细观照片，能够动态观测并定量测试土体细观结构在动力荷载作用下的变化特征；LED光源2采用工业LED环形光源，高速细观摄像机1的变焦镜头正好穿过圆孔拍摄砂颗粒细观图片；地下结构物3采用整块高强铝合金切割为中空结构而成，其顶部采用盖板7密封，且地下结构物3开有观测孔，观测孔采用钢化玻璃4密封，高速细观摄像机1透过透明的钢化玻璃4可以观察地下结构物3周围砂颗粒细观结构变化；LED光源2为高速细观摄像机提供高亮和稳定的光源，保证高速细观摄像机1在短曝光时间内拍摄到清晰的图像；地下结构物3还设有穿线孔5，高速细观摄像机1的电源线、数据采集线和LED光源的电源线通过穿线孔5引出，并采用“O”型圈密封防水。高速细观摄像机1的数据采集线从地下结构物3、模型箱依次引出后与工控机10相连，计算机8设置在主控室，无线路由器9和工控机10安装在离心机旋转轴附近，尽量减小离心力对工控机的影响，工控机10通过数据采集线实时的采集存贮摄像机拍摄的大量数据。通过无线路由器9实现由主控室计算机8远程控制旋转室的工控机10，从而根据需要适时开启和关闭摄像机1的采集程序，实时动态采集砂土颗粒细观运动图像，由高速细观摄像机1全程动态摄录细观结构变化，并自动传输并储存在计算机8中，在摄录录像中截取某些特定时刻的数字图像照片，导入数字图像细观结构分析系统，在得到土 体宏观动应力应变关系的同时，得到砂土颗粒细观组构参量的定量演化统计结果。
优选地，本实用新型的钢化玻璃4直径为130mm，厚度为8mm，采用防水胶和乳胶垫层粘贴在地下结构物3的侧壁；地下结构物3的盖板7周边采用24个螺钉6、乳胶垫层和弹性防水胶安装在地下结构物3的顶部。
下面结合福建平潭标准砂液化动力离心机试验的具体试验内容，对本实用新型的具体实施方式和操作步骤作进一步描述。
试验过程与内容如下：
(1)安装摄像机和光源：在地下结构物3内部安装固定摄像机1和光源2，调节摄像机1焦距，使摄像机1拍摄到清晰图像，固定镜头和光源2，盖上盖板7，并用乳胶垫层和防水胶对盖板加强防水；
(2)试验模型箱：采用层状剪切箱，剪切箱内部尺寸为：500mm(长)×400mm(宽)×560mm(高)，可移动框架22层，每层厚24mm，层间最大相对变位5mm；
(3)试样制备：试验材料(砂颗粒)为福建标准砂，平均粒径0.34mm，不均匀系数1.542，曲率系数1.104，属级配均匀的中砂。水中落砂法制备试样，控制相对密度40％，制样到相应高度时埋设孔压计和土压计，以及埋设安装有高速细观摄像机1的地下结构物3，砂样高度为450mm，顶层覆盖一层50mm厚饱和粘土。
(4)将制备好的模拟地基的模型箱吊装到离心机的振动台上，整个吊装过程应使用慢车起吊，尽量避免晃动，吊装到位后，通过高强度螺栓与振动台固定，每个螺栓的扭力力矩为35kN.m；
(5)根据模型箱的总质量计算离心机所需配重，增减配重块，保证离心机运行过程中的平衡；
(6)安装模型箱外部的位移传感器，将各传感器连接到离心机的各采集端口上，检查各通道的连接情况，在采集终端计算机8上输入各传感器的参数，逐个检查所有的传感器是否正常工作；
(7)开启工控机10和无线路由器9，与主控室的计算机8通过无线局域网建立联系，实现远程控制工控机10，打开细观图像采集软件，检查图像是否清晰；
(8)离心机主机系统、油源系统、伺服控制系统、数控系统电源接通，处于待命状态，并打开视频监控系统和数据采集系统，做好试验前的准备；
(9)拆除模型箱两端的固定支架(刚性边界时不用拆除)，撤出离心机室内所有杂物，并打开抽油阀，关上离心机室门，准备试验；
(10)开始动态采集，启动离心机，将加速度保持在50g左右，然后保持5min后，启动摄像机拍照，再施加地震驱动信号，进行激震试验；
(11)待超孔隙水压力消散完毕后，如果有需要则再进行一次激震试验。激震结束后，待超孔压消散完毕后，停止试验数据采集，保存试验数据，将离心机转速逐渐降低到0，试验完成；
(12)数字图像分析：从摄录录像中截取某些特定时刻的数字图像照片(譬如，液化前、 液化时、液化后)，将这些照片导入数字图像细观结构分析系统，分析得到细观组构参量的定量演化统计规律。
本实例的技术参数如下：
1、土样条件：可以完成粉土、砂土、含粉粒砂土等均一土样以及分层土的宏细观试验，可以完成原状试样和重塑试样的宏细观试验。
2、施加激振力：底部施加的激振波形可以是正弦波、三角波、方波、斜波、地震波等，激振频率20～200Hz。
3、施加历史：可以模拟各种加载历史，比如先小震再大震或者先大震再小震；
4、土样的细观结构观测：通过对离心机现有数据采集方式的改进，开发远程控制系统，结合高速显微摄录系统和数字图像细观结构分析系统，可以实时动态摄录试验全过程土样的细观结构变化，可以分析得到砂土颗粒各主要细观组构参量的定量演化规律。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种离心机可视化细观结构动态测量系统，其特征在于：包括观测系统、模型箱、控制装置和离心机，模型箱内设有地下结构物，并在地下结构物和模型箱之间填充有砂颗粒；地下结构物开有观测孔，并通过钢化玻璃密封，观测系统安装于地下结构物内通过钢化玻璃对砂颗粒进行观测；模型箱置于离心机上通过离心机控制运动；观测系统包括高速细观摄像机和LED光源，分别固定于地下结构物内；控制装置包括控制终端、无线中继和工控机，工控机通过数据采集线与高速细观摄像机相连，控制终端通过无线中继控制工控机采集高速细观摄像机的拍摄图像。
2.如权利要求1所述的离心机可视化细观结构动态测量系统，其特征在于：所述砂颗粒中还埋有孔压计和土压计。
3.如权利要求1所述的离心机可视化细观结构动态测量系统，其特征在于：所述砂颗粒中还埋有孔压计和土压计。所述模型箱外部还安装有位移传感器。
4.如权利要求1所述的离心机可视化细观结构动态测量系统，其特征在于：所述砂颗粒中还埋有孔压计和土压计。所述高速细观摄像机的拍摄帧率为90帧/秒。
5.如权利要求1所述的离心机可视化细观结构动态测量系统，其特征在于：所述砂颗粒中还埋有孔压计和土压计。所述LED光源采用工业LED环形光源。
6.如权利要求1所述的离心机可视化细观结构动态测量系统，其特征在于：所述砂颗粒中还埋有孔压计和土压计。所述地下结构物采用整块高强铝合金切割为中空结构而成。
7.如权利要求1所述的离心机可视化细观结构动态测量系统，其特征在于：所述砂颗粒中还埋有孔压计和土压计。所述地下结构物还设有穿线孔，高速细观摄像机的电源线、数据采集线和LED光源的电源线通过穿线孔引出，并采用“O”型圈密封防水。
8.如权利要求1所述的离心机可视化细观结构动态测量系统，其特征在于：所述砂颗粒中还埋有孔压计和土压计。所述钢化玻璃直径为130mm，厚度为8mm，采用防水胶和乳胶垫层粘贴在地下结构物的侧壁。
9.如权利要求1所述的离心机可视化细观结构动态测量系统，其特征在于：所述砂颗粒中还埋有孔压计和土压计。所述地下结构物的盖板通过螺钉、乳胶垫层和弹性防水胶安装于地下结构物的顶部。
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|---|---|---|---|---|
| CN104535474B (zh) * | 2015-01-06 | 2017-04-12 | 清华大学 | 基于高密度电阻率法的渗流及溶质迁移量测方法 |
| CN108132114A (zh) * | 2017-12-13 | 2018-06-08 | 同济大学 | 一种用于离心模型试验隧道模型表面压力采集装置 |
| CN114441435A (zh) * | 2022-04-07 | 2022-05-06 | 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 | 模拟原应力状态砂土的无填料振冲试验装置及试验方法 |
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