CN210347641U - 一种特殊土地基模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种特殊土地基模型试验装置，包括模拟箱体、特殊土层和条形基础，以及控制模块、载荷加载机构、温度控制组件和湿度控制组件，所述控制模块包括微控制器和显示屏，所述特殊土层上表面设置有激光测距传感器，所述特殊土层内设置有的土压计、孔隙水压力计和土壤水分传感器。本实用新型结构简单，适应不同类型的特殊土地基模拟试验，且能够模拟不同的气候条件下特殊土的应力、孔隙水压力、饱和度和沉降量等参数的变化，为特殊土地基处理提供参考依据，实用性强。

Description

一种特殊土地基模型试验装置

技术领域

本实用新型属于岩土工程模型试验装置技术领域，尤其是涉及一种特殊土地基模型试验装置。

背景技术

特殊土指由于特殊成土环境的影响使得某些土类具有与一般土不同的特殊工程性质，这类具有特殊工程性质的土类称为特殊性土。而成土环境又包括岩性、气候环境、地形地貌环境、搬运和沉积环境这四个主要方面，因此研究气候环境对特殊土的工程性质的影响是十分有必要的。

我国的特殊土主要包括软土、黄土、红黏土、膨胀土、冻土、盐渍土等六大类，采用特殊土地基，第一，在载荷作用下会影响地基的强度，造成地基沉降；第二，在外界气候环境例如不同温度或者降雨条件下，也会造成特殊土地基的不同沉降。因此研究不同载荷和气候环境对特殊土基地的影响是非常重要的。目前我国地域分布最广的一种特殊性土类是黄土，黄土其本身具有很大的湿陷性，一旦黄土特殊土地基发生破坏，将对工程、环境以及人民群众财产和人生安全造成不可估量的影响。然而，目前对黄土的研究主要是针对浸水条件下探讨其湿陷量和湿陷性系数来直观反映其湿陷性；这种研究方法存在着其自身的局限性，因为仅仅考虑了水这种单一因素的影响。实际上，各种各样的气候因素都会对黄土的工程性质产生较大的影响。因此，迫切需要一种特殊土地基模型试验装置，以适应不同类型的特殊土地基模拟试验，且能够模拟不同的气候条件下特殊土的应力、孔隙水压力、饱和度和沉降量等参数的变化，为特殊土地基处理提供参考依据。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种特殊土地基模型试验装置，其结构简单，设计合理，成本低，操作方便，以适应不同类型的特殊土地基模拟试验，且能够模拟不同的气候条件下特殊土层的应力、孔隙水压力、饱和度和沉降量等参数的变化，为特殊土地基处理提供参考依据，实用性强。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种特殊土地基模型试验装置，其特征在于：包括模型箱体、设置在模型箱体内的特殊土层和设置在特殊土层上的条形基础，以及控制模块、对条形基础加载载荷的载荷加载机构、用于模拟温度环境且对特殊土层的温度进行控制的温度控制组件和用于模拟降雨环境且对特殊土层的湿度进行控制的湿度控制组件，所述控制模块包括微控制器和与微控制器相接的显示屏；

所述特殊土层上表面设置有用于检测特殊土层上表面与模型箱体顶面内之间间距的激光测距传感器，所述特殊土层内设置有用于检测特殊土层的土压力的土压计、用于检测特殊土层的孔隙水压力的孔隙水压力计和用于检测特殊土层的水分的土壤水分传感器，所述激光测距传感器、土压计、孔隙水压力计和土壤水分传感器的输出端均与微控制器相接，所述激光测距传感器、土压计、孔隙水压力计和土壤水分传感器的数量至少为一个。

上述的一种特殊土地基模型试验装置，其特征在于：所述载荷加载机构包括设置在模型箱体顶部的底座、安装在底座上的立柱、设置在立柱上且对条形基础进行竖向加载的竖向加载机构和设置在立柱上且对条形基础进行横向加载的横向加载机构。

上述的一种特殊土地基模型试验装置，其特征在于：所述竖向加载机构包括设置在立柱上的加载底板和设置在加载底板上且推动加载底板沿立柱高度方向滑移的竖向千斤顶；所述横向加载机构包括设置在立柱上的横向千斤顶、与横向千斤顶传动连接的连杆和设置在连杆端部的压头，所述压头与条形基础的一侧接触。

上述的一种特殊土地基模型试验装置，其特征在于：所述温度控制组件包括多个设置在模型箱体顶部内且位于特殊土层上方的加热灯和多个沿特殊土层厚度方向间隔布设的温度传感器，所述模型箱体两内侧壁的上部设置有散热扇，所述温度传感器的输出端与微控制器相接。

上述的一种特殊土地基模型试验装置，其特征在于：所述湿度控制组件包括储水箱、与储水箱连接的抽水马达、与抽水马达出口连接的喷水管和多个设置在喷水管上且位于特殊土层上方的喷水头。

上述的一种特殊土地基模型试验装置，其特征在于：所述模型箱体下部设置有排水管，所述排水管一端伸入特殊土层内，所述排水管另一端与储水箱连接，所述排水管上设置有排水阀。

上述的一种特殊土地基模型试验装置，其特征在于：所述模型箱体的前侧设置有用于观察模型箱体内状况的玻璃窗，所述模型箱体的顶部设置有能开闭的上盖，所述特殊土层为软土层、黄土层、红黏土层、膨胀土层、冻土层或者盐渍土层。

上述的一种特殊土地基模型试验装置，其特征在于：所述模型箱体的前侧设置有支架，所述支架上设置有照明灯和数码相机。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、本实用新型结构简单、设计合理，操作方便，投入成本较低。

2、本实用新型设置模型箱体用于填充试验特殊土，通过填充软土层、黄土层、红黏土层、膨胀土层、冻土层或者盐渍土层等，并在特殊土层上设置条形基础，以适应不同类型的特殊土地基模拟试验。

3、本实用新型设置载荷加载机构，既能对条形基础进行竖向荷载，又能对条形基础施加横向荷载，可依据实验要求调节载荷的大小进行模拟试验，能够十分贴切地模拟特殊土层中条形基础在受到建筑物荷载以及风荷载等外荷载时条形基础下方土层的应力、孔隙水压力、饱和度和沉降量等参数的变化，减小误差。

4、本实用新型设置温度控制组件，用于模拟温度环境变化，可根据实际情况加热特殊土层进行模拟试验，从而能够更好地模拟外界温度变化的情况下，特殊土层的应力、孔隙水压力、饱和度和沉降量等参数的变化情况。

5、本实用新型设置湿度控制组件，用于模拟降雨环境变化，可根据实际情况模拟降雨，以在不同湿度气候条件下对特殊土层进行模拟试验，从而能够更好地模拟外界降雨变化的情况下，特殊土层的应力、孔隙水压力、饱和度和沉降量等参数的变化情况。

综上所述，本实用新型结构简单，设计合理，成本低，操作方便，以适应不同类型的特殊土地基模拟试验，且能够模拟不同的气候条件下特殊土的应力、孔隙水压力、饱和度和沉降量等参数的变化，为特殊土地基处理提供参考依据，实用性强。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型除去载荷加载机构和条形基础后的结构示意图。

图3为本实用新型的电路原理框图。

图4为本实用新型支架、照明灯和数码相机的结构示意图。

图5为本实用新型第一信号调理电路的电路原路图。

图6为本实用新型第二信号调理电路的电路原路图。

图7为本实用新型显示屏的电路原路图。

附图标记说明:

1—模型箱体； 2—条形基础； 3—特殊土层；

4—底座； 5—横向压力传感器； 6—连杆；

7—压头； 8—加载底板； 9—竖向千斤顶；

10—竖向压力传感器； 11—横向千斤顶； 12—立柱；

13—喷水管； 14—土压计； 15—激光测距传感器；

16—孔隙水压力计； 17—土壤水分传感器； 18—排水阀；

19—喷水头； 20—排水管； 21—储水箱；

22—微控制器； 23—抽水马达； 24—温度传感器；

25—加热灯； 26—散热扇； 27—支架；

28—照明灯； 29—数码相机； 30—显示屏。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本实用新型包括模型箱体1、设置在模型箱体1内的特殊土层3和设置在特殊土层3上的条形基础2，以及控制模块、对条形基础2加载载荷的载荷加载机构、用于模拟温度环境且对特殊土层3的温度进行控制的温度控制组件和用于模拟降雨环境且对特殊土层3的湿度进行控制的湿度控制组件，所述控制模块包括微控制器22和与微控制器22相接的显示屏30；

所述特殊土层3上表面设置有用于检测特殊土层3上表面与模型箱体1顶面内之间间距的激光测距传感器15，所述特殊土层3内设置有用于检测特殊土层3的土压力的土压计14、用于检测特殊土层3的孔隙水压力的孔隙水压力计16和用于检测特殊土层3的水分的土壤水分传感器17，所述激光测距传感器15、土压计14、孔隙水压力计16和土壤水分传感器17的输出端均与微控制器22相接，所述激光测距传感器15、土压计14、孔隙水压力计16和土壤水分传感器17的数量至少为一个。

本实施例中，所述载荷加载机构包括设置在模型箱体1顶部的底座4、安装在底座4上的立柱12、设置在立柱12上且对条形基础2进行竖向加载的竖向加载机构和设置在立柱12上且对条形基础2进行横向加载的横向加载机构。

本实施例中，所述竖向加载机构包括设置在立柱12上的加载底板8和设置在加载底板8上且推动加载底板8沿立柱12高度方向滑移的竖向千斤顶9；所述横向加载机构包括设置在立柱12上的横向千斤顶11、与横向千斤顶11传动连接的连杆6和设置在连杆6端部的压头7，所述压头7与条形基础2的一侧接触。

本实施例中，所述温度控制组件包括多个设置在模型箱体1顶部内且位于特殊土层3上方的加热灯25和多个沿特殊土层3厚度方向间隔布设的温度传感器24，所述模型箱体1两内侧壁的上部设置有散热扇26，所述温度传感器24的输出端与微控制器22相接。

本实施例中，所述湿度控制组件包括储水箱21、与储水箱21连接的抽水马达23、与抽水马达23出口连接的喷水管13和多个设置在喷水管13上且位于特殊土层3上方的喷水头19。

本实施例中，所述模型箱体1下部设置有排水管20，所述排水管20一端伸入特殊土层3内，所述排水管20另一端与储水箱21连接，所述排水管20上设置有排水阀18。

本实施例中，设置排水阀18，是为了根据需要打开，实现特殊土层3内水分通过排水管20进入储水箱21，实现水分收集，减少浪费。

本实施例中，所述模型箱体1的前侧设置有用于观察模型箱体1内状况的玻璃窗，所述模型箱体1的顶部设置有能开闭的上盖，所述特殊土层3为软土层、黄土层、红黏土层、膨胀土层、冻土层或者盐渍土层。

如图4所示，本实施例中，所述模型箱体1的前侧设置有支架27，所述支架27上设置有照明灯28和数码相机29。

本实施例中，实际使用过程中，条形基础2还可以为桩基础、板式基础等其他基础形式。

本实施例中，所述激光测距传感器15为MSE-HAO8激光测距传感器，其体积小巧，易于集成，不使用反射板的情况下，高速测量自然物体目标可达30米，满足试验要求。

本实施例中，所述微控制器22为STM32F103VET6微控制器，IO口较多，便于传感器组连接，功耗低，且内含ADC模块，减少外围电路设计。

本实施例中，具体连接时，所述激光测距传感器15的信号输出端与微控制器22的ADC0引脚即PC0引脚相接，从而将激光测距传感器15输出的模拟信号转换为数字信号，得到数字信号间距值。

本实施例中，所述土压计14为YB系列应变式土压力盒，模型试验中测量土体的土压力，是了解被测土层内部土压力变化量的有效监测设备，其压力盒采用应变全桥电路，可准确的消除温度变化对仪器的影响。

如图5所示，本实施例中，具体实施时，所述土压计14的输出端通过第一信号调理电路与微控制器22相接，所述第一信号调理电路包括型号为AD623的芯片AD1，所述芯片AD1的-IN引脚与土压计14的一个信号输出端相接，所述芯片AD1的+IN引脚与土压计14的另一个信号输出端相接，所述芯片AD1的-VS引脚接地，所述芯片AD1的-Rg引脚经串联的电阻R2和可变电阻R1与所述芯片AD1的+Rg引脚相接，所述芯片AD1的VCC引脚分三路，一路接5V电源输出端，另一路通过电容C1接地，第三路通过电容C2接地；所述芯片AD1的OUT引脚与电阻R3的一端相接，所述电阻R3的另一端分两路，一路经电容C3接地，另一路与微控制器22的PC1引脚相接。

本实施例中，第一信号调理电路中设置电阻R2和可变电阻R1，是为了调节第一信号调理电路的放大倍数，电容C1和电容C2是作为滤波电容，滤除供电噪音；设置电阻R3和电容C3构成一个低通滤波器，滤除土压信号的纹波，提高了土压的测量精度。

本实施例中，具体实施时，所述孔隙水压力计16为DMKY系列应变式孔隙水压力计，用于模型试验中测量土层的孔隙水压力渗压，其防水性能好、体积小、自重轻，可重复使用，且孔隙水压力计采用应变全桥电路，可准确的消除温度变化对仪器的影响，另外尺寸较小，方便安装。

如图6所示，本实施例中，具体实施时，所述孔隙水压力计16的输出端通过第二信号调理电路与微控制器22相接，所述第二信号调理电路包括型号为AD623的芯片AD2，所述芯片AD2的-IN引脚与孔隙水压力计16的一个信号输出端相接，所述芯片AD2的+IN引脚与孔隙水压力计16的另一个信号输出端相接，所述芯片AD2的-VS引脚接地，所述芯片AD2的-Rg引脚经串联的电阻5和可变电阻R4与所述芯片AD2的+Rg引脚相接，所述芯片AD2的VCC引脚分三路，一路接5V电源输出端，另一路通过电容C4接地，第三路通过电容C4接地；所述芯片AD2的OUT引脚与电阻R6的一端相接，所述电阻R6的另一端分两路，一路经电容C6接地，另一路与微控制器22的PC2引脚相接。

本实施例中，第二信号调理电路中设置电阻R5和可变电阻R4，是为了调节第二信号调理电路的放大倍数，电容C4和电容C5是作为滤波电容，滤除供电噪音；设置电阻R6和电容C6构成一个低通滤波器，滤除孔隙水压力信号的纹波，提高了孔隙水压力的测量精度。

本实施例中，所述土壤水分传感器17为HQTSSV5OVA土壤水分传感器，其精度高，得到土壤真实水分，具有快速准确、稳定可靠、不受土层中其他杂质的影响。

本实施例中，具体连接时，土壤水分传感器17的输出端与微控制器22的PC3引脚相接，是为了将土壤水分传感器17输出端的水分电压信号通过微控制器22内部的ADC模块转换成数字水分信号，获取土壤水分检测。

本实施例中，所述温度传感器24为WD3703数字接触式温度传感器，所述WD3703数字接触式温度传感器的输出端与微控制器22的IO端口连接，例如PB0引脚、PB1引脚、...、PB14引脚或者PB15引脚。

需要说明的是，实际使用过程中，所述土压计14、孔隙水压力计16和土壤水分传感器17的数量为多个，相邻两个土压计14的竖向间距、相邻两个多个孔隙水压力计16的竖向间距、相邻两个土壤水分传感器17的竖向间距和相邻两个温度传感器24的竖向间距均相同，且其取值范围为10cm～12cm。

需要说明的是，实际使用过程中，所述激光测距传感器15的数量为多个，是为了测量特殊土层3表面不同处的沉降量。

需要说明的是，实际使用过程中，照明灯28是为了提供照明，便于数码相机29拍摄的图像更清晰。

需要说明的是，实际使用过程中，数码相机29可与计算机连接，从而实现远距离监控。

如图7所示，本实施例中，具体连接时，所述显示屏30为LCD240128显示屏，所述LCD240128显示屏的VDD引脚接5V电源输出端，所述LCD240128显示屏的VSS引脚接地，所述LCD240128显示屏的VO引脚与滑动电阻R38的滑动端相接，所述LCD240128显示屏的

引脚、

引脚、

引脚、

引脚和

引脚分别与微控制器22的PA2引脚、PA3引脚、PE3引脚、PE4引脚和PA1引脚相接，所述LCD240128显示屏的D0-D7引脚分别与微控制器22的PE5-PE12引脚相接，所述LCD240128显示屏的FS引脚与微控制器22的PE2引脚相接，所述LCD240128显示屏的VOUT引脚与滑动电阻R38的一个固定端相接，所述滑动电阻R38的另一个固定端接地，所述LCD240128显示屏的LEDA与5V电源输出端相接，所述LCD240128显示屏的LEDK接地。

本实用新型具体使用时，当进行竖向载荷加载时，操作竖向千斤顶9伸长，竖向千斤顶9伸长推动加载底板8沿立柱12向下移动，加载底板8沿立柱12向下移动施加压力至条形基础2，实现竖向载荷加载；当进行横向载荷加载时，操作横向千斤顶11伸长，横向千斤顶11伸长通过连杆6推动压头7移动，压头7移动施加压力至条形基础2，实现横向载荷加载，从而实现了对条形基础2外部载荷的加载模拟，另外，通过调节竖向千斤顶9和横向千斤顶11的伸长量而调节竖向载荷和横向载荷的加载量，可依据实验要求调节载荷的大小进行模拟试验，能够十分贴切地模拟特殊土层中条形基础在受到建筑物荷载以及风荷载等外荷载时条形基础下方土层的应力、孔隙水压力、饱和度和沉降量等参数的变化，减小误差。

当模拟外界温度环境变化时，操作加热灯25和散热扇26工作，在加热灯25对特殊土层3加热的过程中，温度传感器24对特殊土层3内部的温度进行检测并发送至微控制器22，以使温度传感器24检测到的温度满足模拟试验要求，根据试验要求进行温度调节，从而能够更好地模拟外界温度变化的情况。

当模拟外界降雨环境时，操作抽水马达23工作，抽水马达23从储水箱21抽水送至喷水管13，后经喷水管13上的喷水头19喷洒在特殊土层3，从而实现降雨。根据试验要求进行降雨量调节，从而能够更好地模拟外界降雨变化的情况。

模拟试验前，激光测距传感器15对特殊土层3上表面与模型箱体1顶面内之间初始间距进行检测并发送至微控制器22；在模拟外部载荷的加载、温度环境或者降雨环境变化的过程中，激光测距传感器15对特殊土层3上表面与模型箱体1顶面内之间的变化间距进行检测，并发送至微控制器22，微控制器22将特殊土层3上表面与模型箱体1顶面内之间的变化间距减去特殊土层3上表面与模型箱体1顶面内之间初始间距，得到特殊土层3上表面的沉降量，土压计14对特殊土层3的土压力进行检测，并将检测到的土压力信号发送至第一信号调理电路，经第一信号调理电路的放大和滤波发送至微控制器22，微控制器22内部的A/D转换模块对土压力信号进行A/D转换得到特殊土层3的土压力值，孔隙水压力计16对特殊土层3的孔隙水压力进行检测，并将检测到的孔隙水压力信号发送至第二信号调理电路，经第二信号调理电路的放大和滤波发送至微控制器22，微控制器22内部的A/D转换模块对孔隙水压力信号进行A/D转换得到特殊土层3的孔隙水压力值，土壤水分传感器17对特殊土层3的水分进行检测，并将检测到的特殊土层3的水分发送至微控制器22，微控制器22控制显示屏30对接收到的特殊土层3的土压力值、特殊土层3的孔隙水压力和特殊土层3的水分进行显示，以实现特殊土地基模拟试验，且能够模拟不同的气候条件下特殊土的应力、孔隙水压力、饱和度和沉降量等参数的变化，为特殊土地基处理提供参考依据。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种特殊土地基模型试验装置，其特征在于：包括模型箱体(1)、设置在模型箱体(1)内的特殊土层(3)和设置在特殊土层(3)上的条形基础(2)，以及控制模块、对条形基础(2)加载载荷的载荷加载机构、用于模拟温度环境且对特殊土层(3)的温度进行控制的温度控制组件和用于模拟降雨环境且对特殊土层(3)的湿度进行控制的湿度控制组件，所述控制模块包括微控制器(22)和与微控制器(22)相接的显示屏(30)；

所述特殊土层(3)上表面设置有用于检测特殊土层(3)上表面与模型箱体(1)顶面内之间间距的激光测距传感器(15)，所述特殊土层(3)内设置有用于检测特殊土层(3)的土压力的土压计(14)、用于检测特殊土层(3)的孔隙水压力的孔隙水压力计(16)和用于检测特殊土层(3)的水分的土壤水分传感器(17)，所述激光测距传感器(15)、土压计(14)、孔隙水压力计(16)和土壤水分传感器(17)的输出端均与微控制器(22)相接，所述激光测距传感器(15)、土压计(14)、孔隙水压力计(16)和土壤水分传感器(17)的数量至少为一个。

2.按照权利要求1所述的一种特殊土地基模型试验装置，其特征在于：所述载荷加载机构包括设置在模型箱体(1)顶部的底座(4)、安装在底座(4)上的立柱(12)、设置在立柱(12)上且对条形基础(2)进行竖向加载的竖向加载机构和设置在立柱(12)上且对条形基础(2)进行横向加载的横向加载机构。

3.按照权利要求2所述的一种特殊土地基模型试验装置，其特征在于：所述竖向加载机构包括设置在立柱(12)上的加载底板(8)和设置在加载底板(8)上且推动加载底板(8)沿立柱(12)高度方向滑移的竖向千斤顶(9)；所述横向加载机构包括设置在立柱(12)上的横向千斤顶(11)、与横向千斤顶(11)传动连接的连杆(6)和设置在连杆(6)端部的压头(7)，所述压头(7)与条形基础(2)的一侧接触。

4.按照权利要求1所述的一种特殊土地基模型试验装置，其特征在于：所述温度控制组件包括多个设置在模型箱体(1)顶部内且位于特殊土层(3)上方的加热灯(25)和多个沿特殊土层(3)厚度方向间隔布设的温度传感器(24)，所述模型箱体(1)两内侧壁的上部设置有散热扇(26)，所述温度传感器(24)的输出端与微控制器(22)相接。

5.按照权利要求1所述的一种特殊土地基模型试验装置，其特征在于：所述湿度控制组件包括储水箱(21)、与储水箱(21)连接的抽水马达(23)、与抽水马达(23)出口连接的喷水管(13)和多个设置在喷水管(13)上且位于特殊土层(3)上方的喷水头(19)。

6.按照权利要求5所述的一种特殊土地基模型试验装置，其特征在于：所述模型箱体(1)下部设置有排水管(20)，所述排水管(20)一端伸入特殊土层(3)内，所述排水管(20)另一端与储水箱(21)连接，所述排水管(20)上设置有排水阀(18)。

7.按照权利要求1所述的一种特殊土地基模型试验装置，其特征在于：所述模型箱体(1)的前侧设置有用于观察模型箱体(1)内状况的玻璃窗，所述模型箱体(1)的顶部设置有能开闭的上盖，所述特殊土层(3)为软土层、黄土层、红黏土层、膨胀土层、冻土层或者盐渍土层。

8.按照权利要求7所述的一种特殊土地基模型试验装置，其特征在于：所述模型箱体(1)的前侧设置有支架(27)，所述支架(27)上设置有照明灯(28)和数码相机(29)。

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