CN216350688U - 一种浮力作用下仓土相互作用非接触式试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浮力作用下仓土相互作用非接触式试验装置。本发明由一个钢化玻璃箱体、箱体支撑架、进水系统、模型半仓和非接触式视频测量系统组成。所述钢化玻璃箱体嵌入在箱体支撑钢架的内腔中。该装置通过非接触式视频测量系统，实现了在地下水作用下对仓土相互作用全过程的位移、应力、应变等土体内部的细观规律的研究。本发明结构简单、操作简便、实用性强，可模拟多种试验工况研究。
Description
技术领域
本实用新型是属于地下工程中室内模型试验技术领域，具体涉及一种仓土相互作用非接触式试验装置及其试验方法。
背景技术
伴随着城市建设的不断发展地下空间的利用率逐渐提高，对于埋深浅容积大的地下粮仓来说，浮力对其安全的不利影响逐渐显著。浮力过大会造成地下粮仓整体浮起、混凝土构件开裂、仓体发生形变，影响结构的安全稳定并涉及到巨额的工程造价问题。在复杂的地质水文条件下，仓土相互作用是保证地下粮仓安全稳定的关键。
仓-土相互作用规律主要包括仓体与仓周土两方面。然而，对于地下水-土体-地下粮仓共同构成的复杂的相互作用体系，目前大多数研究只集中在静载下的力学性能方面，未研究仓体运动过程中土体颗粒的细观运动情况，现有技术中对仓土相互作用的研究方法并不完善，较难明晰仓土相互作用的一般规律。针对上述情况，利用PIV粒子图像测速技术结合DIC系统，掌握仓体及仓周土体运动机理，捕捉土体颗粒在仓体运动下的整个运动过程。该方法可以克服侵入式传感器的局限性对试验结果准确度的干扰，能很好解决传统接触式测量存在模型试验中应变片无法固定、应变片长时间浸泡在水中失灵、应变片测量方向单一等问题，为地下水作用下土与结构的相互作用提供了一种新的研究方法。该方法还可以追踪仓体目标点在整个运动过程中的情况，绘制出位移矢量图等直观的信息以供后续研究使用。
因此，开发一种能够简化地下仓及仓周土体互相作用研究难度的试验便捷的非接触式试验装置及其试验方法是十分必要的。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种浮力作用下仓土相互作用非接触式试验装置及其试验方法，以解决现有技术中存在的问题。
本实用新型的目的是通过以下的技术方案来实现的，一种浮力作用下仓土相互作用的非接触式试验装置，它由一个钢化玻璃槽、模型槽支撑架、进水系统、模型半仓和非接触式视频测量系统组成。
具体的，所述箱体支撑架均由角钢制成；整体为矩形箱体；所述有机玻璃为矩形箱体，箱体顶部为开口状，能够良好嵌入箱体支撑架的内腔中。所述有机玻璃箱体中填筑土体材料。
具体的，所述模型半仓为半模型地下粮仓，采用3D打印技术，材料为光敏树脂。在模型半仓上用记号笔标记捕捉点，在试验开始时测量系统会对标记点进行捕捉。试验时，提前将所述模型半仓埋入土体，将所述模型半仓的外壁紧贴钢化玻璃槽的内壁。
具体的，所述进水系统包括进水口、出水口、进水管道及加压水泵组成。加压水泵由水管连接到进水管道。为更真实的模拟地下水水位上涨的情况，进水管道为蛇形布置，且在管道上部每隔一段距离均开有小口，使水方便进入玻璃箱体。待试验完毕后可开启出水口阀门，排出玻璃箱体的水，以便进行后续试验。
具体的,所述箱体支撑架的四侧壁面依次为第一侧壁，第二侧壁，第三侧壁和第四侧壁。所述的非接触式视频测量系统由LED灯、PIV相机、DIC相机、视频测量仪以及计算机组成。调整LED灯处于最佳位置，分别布置于第二侧壁及第四侧壁前方。PIV相机及DIC相机放置于第一侧壁正前方，摄像机的数据端与计算机相连。所述非接触式视频测量系统不用对仓周土体进行接触，便可测量浮力作用下仓周土体的位移情况。
试验时，通过加压水泵向模型内注水，模拟地下水浮力，使模型仓产生运动。PIV相机记录模型仓周围土体颗粒的变化情况，DIC相机捕捉仓体目标点，记录仓体运动情况。非接触式视频测量系统对仓体及仓周土体进行处理分析。
本实用新型还公开一种上述试验装置的试验方法，包括以下步骤：
1）根据模拟工况通过3D打印技术打印获得试验模型仓缩尺模型，并标记捕捉点。
2）根据模拟工况，选择土颗粒材料。
3）清理钢化玻璃箱体，检查进水系统是否正常工作以及玻璃箱体是否漏水。
4）检查完毕后，第一层土颗粒材料回填至地下仓模型填埋位置，且待模型仓底部土颗粒整体稳定且填压程度达到试验要求后放置地下仓模型。
5）回填完毕后静置30分钟。
6）布设非接触式视频测量系统并调试。
6）待上述步骤完成，打开加压水泵并锁定阀门位置。
7）利用非接触式视频测量系统控制PIV相机，拍摄任意时刻点的仓周土位移情况。
8）利用视频测量仪控制DIC相机捕捉模型仓上的目标点，以便观测浮力作用下仓体的位移情况。
9）试验结束后，分别导出相应的试验数据。
10）分析视频测量仪得到的模型仓上目标点的水平方向和竖直方向的坐标，后根据像素当量换算和数据整理，得到在浮力作用下仓体在水平方向和竖直方向的位移-时程曲线。
11）根据非接触式视频测量系统得到的数据，利用仓周土体在水平方向位移和竖直方向位移绘制位移云图、位移矢量场等。
12）取出模型半仓，清理出钢化玻璃箱内所有土颗粒。依次开展不同仓型、埋置深度、密实度、水压等工况下的试验，直至设计所有工况试验完成。
本实用新型结构简单、操作简便、实用性强，可模拟实际工程中出现的情况，能够更好的研究土体颗粒在浮力作用下的细观规律。
本实用新型的技术效果是毋庸置疑的：
A．开发一种能够简化地下仓及仓周土体互相作用研究难度的试验便捷的非接触式试验装置及其试验方法，可模拟多种试验研究工况。
B．开发出一套浮力作用下仓-土相互作用试验的模型半仓，实现了对不同仓型的仓体运动的动态测量。
C. 结合非接触式视频测量技术，揭示了浮力作用下仓-土相互作用全过程的仓体及仓周土体运动机理，捕捉了土体颗粒在仓体运动下的整个运动过程。
附图说明
图1是本实用新型的立体图。
图2是进水系统及模型箱体示意图。
图中，1.箱体支撑架 2.钢化玻璃箱体 3.进水管道 4.模型半仓 5.PIV相机6.DIC相机 7.计算机 8.拍照灯 9.进水口 10.出水口 11.视频测量仪 12.加压水泵。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细的描述。
实施例1：
参见图1，本实施例的浮力作用下仓土相互作用非接触式试验装置，它由一个钢化玻璃箱体1、一个箱体支撑架2、进水管道3、两个LED灯4、一台PIV相机5、一台DIC相机6及非接触式视频测量系统共同组成。
参见图2，所述箱体支撑架2整体为矩形箱体，箱体支撑架2由角钢焊接而成，为防止上部荷载过重造成承托架变形，在底部玻璃下的承托架上部加设两道横撑；架腿中间设置矩形支撑，以保证模型槽整体的稳定。所述钢化玻璃箱体2嵌入在箱体支撑架1的内腔中。所述箱体支撑架与钢化玻璃箱体1的高度差为15~25cm。所述箱体支撑架2的四侧壁面依次为第一侧壁，第二侧壁，第三侧壁和第四侧壁。
所述模型半仓为带漏斗的模型半仓4。
所述非接触式视频测量系统包括PIV相机5、DIC相机6、视频测量仪11、计算机7和拍照灯8。调整拍照灯8处于最佳位置，分别布置于第二侧壁及第四侧壁前方。PIV相机5及DIC相机6放置于第一侧壁正前方，摄像机的数据端与计算机7相连。
试验时，通过加压水泵12向模型内注水，模拟地下水浮力，PIV相机5记录模型仓周围土体颗粒的变化情况，DIC相机6捕捉仓体目标点，记录仓体运动情况。
实施例2：
本实施例公开一种关于实施例1所述试验装置的试验方法，包括以下步骤：
1）根据模拟工况通过3D打印技术打印获得试验模型仓缩尺模型，并标记捕捉点。
2）根据模拟工况，选择土颗粒材料。
3）清理钢化玻璃箱体，检查进水系统是否正常工作以及玻璃箱体是否漏水。
4）检查完毕后，第一层土颗粒材料回填至地下仓模型填埋位置，且待模型仓底部土颗粒整体稳定且填压程度达到试验要求后放置地下仓模型。
5）回填完毕后静置30分钟。
6）布设非接触式视频测量系统并调试。
6）待上述步骤完成，打开加压水泵并锁定阀门位置。
7）利用非接触式视频测量系统控制PIV相机，拍摄任意时刻点的仓周土位移情况。
8）利用视频测量仪控制DIC相机捕捉模型仓上的目标点，以便观测浮力作用下仓体的位移情况。
9）试验结束后，分别导出相应的试验数据。
10）分析视频测量仪得到的模型仓上目标点的水平方向和竖直方向的坐标，后根据像素当量换算和数据整理，得到在浮力作用下仓体在水平方向和竖直方向的位移-时程曲线。
11）根据非接触式视频测量系统得到的数据，利用仓周土体在水平方向位移和竖直方向位移绘制位移云图、位移矢量场等。
12）取出模型半仓，清理出钢化玻璃箱内所有土颗粒。依次开展不同仓型、埋置深度、密实度、水压等工况下的试验，直至设计所有工况试验完成。
Claims (1)
1.一种浮力作用下仓土相互作用非接触式试验装置，其特征在于：它包括由一个钢化玻璃箱体（2）、箱体支撑架（1）、进水系统、模型半仓（4）和非接触式视频测量系统组成；
所述箱体支撑架（1）由均由角钢制成，整体为矩形箱体；所述钢化玻璃箱体（2）为矩形箱体；所述钢化玻璃箱体（2）顶部为开口状；所述钢化玻璃箱体（2）能够嵌入箱体支撑架（1）的内腔中；所述箱体支撑架（1）的高度大于钢化玻璃箱体（2）的高度；所述箱体支撑架（1）的四侧壁面依次为第一侧壁，第二侧壁，第三侧壁和第四侧壁；所述钢化玻璃箱体（2）中填筑土体材料；
所述进水系统由进水口（9）、出水口（10）、进水管道（3）及加压水泵（12）组成；所述进水管道（3）为蛇形布置；所述进水管道（3）的管道上部每隔一段距离均开有小口；待试验完毕后可开启出水口（10），排出钢化玻璃箱体（2）的水；
所述模型半仓（4）为半模型地下粮仓；所述模型半仓（4）采用3D打印技术；所述模型半仓（4）的材料为光敏树脂；
所述非接触式视频测量系统包括PIV相机（5）、DIC相机（6）、视频测量仪（11）、计算机（7）和拍照灯（8）；所述拍照灯（8）分别布置于第二侧壁及第四侧壁前方；所述PIV相机（5）及DIC相机（6）放置于第一侧壁正前方，视频测量仪（11）与计算机（7）相连；
试验时，通过加压水泵（12）向钢化玻璃箱体（2）内注水，PIV相机（5）记录模型周围土体颗粒的变化情况，DIC相机（6）捕捉仓体目标点，记录仓体运动情况。
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|---|---|---|---|---|
| CN113504355A (zh) * | 2021-07-04 | 2021-10-15 | 河南工业大学 | 一种浮力作用下仓土相互作用非接触式试验装置及其试验方法 |
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