一种离心试验自平衡与数字化黏土预固结系统技术方案

本发明专利技术公开了一种离心试验自平衡与数字化黏土预固结系统，包括：刚性固结模型箱模块、垂向压力荷载施加模块和数据采集与控制模块，刚性固结模型箱模块包括：土体加压板、应力荷载传感器、饱和土体制样模型箱和模型箱安装与调平底座，垂向压力荷载施加模块包括：门式反力架、双缸垂向作动器、位移传感器、液压油源加压装置和双缸液压驱动装置，数据采集与控制模块包括：数字化采集器和工控计算机，数字化采集器采集传感器记录的饱和土体固结过程中的压缩沉降量与固结压力，并输出至工控计算机，工控计算机基于压缩沉降量和固结压力，得到饱和土体固结沉降相关曲线。整个固结过程均为自动化操作，可解决人工操作存在的问题和黏土试验预固结需求。

A centrifugal test self balancing and digital pre consolidation system for clay

【技术实现步骤摘要】
一种离心试验自平衡与数字化黏土预固结系统
本专利技术涉及土工离心模型试验
，更具体的说，涉及一种离心试验自平衡与数字化黏土预固结系统。
技术介绍
在超重力模型试验中，黏土(又称为粘土)等饱和土样模型的制备对于复现真实土层中各类力学性质至关重要，其中黏土等饱和模型的土样制备过程主要有两种方式：1)在超重力离心试验环境下，利用超重力加速度Ng(例如超重力加速度50g，离心机运转3h，相当于常重力环境下(1g)土样固结时间50g*3h约150h)，直接对土样进行逐级固结与加压。由于在超重力环境下进行土体固结过程需要耗费大量试验时间，造成离心机上土体模型固结大变形的沉降、导致模型箱高度难以有效利用，无法解决固结模型大量排水、试验人员的工作强度大，而且会大幅增加离心机整体设备耗能(即用电量)、试验成本和设备损耗，因此，通常不直接在超重力环境下进行土体固结作用。2)在常重力环境下，以往技术中依靠砝码/配重块/手动压力机等逐级施加恒定压力荷载对黏土等饱和土体进行固结，该方法具有一定实用性，可缩短离心机系统运行时长，且常重力下固结过程易于实现与控制。因此，在常重力环境下采用预压分层固结制备饱和土体模型，也逐渐成为离心试验中制备饱和土体模型的主要方式。然而，目前国内土工离心机实验室的土体制样设备多为常规手动式机械轴承式杠杆固结系统(非自动化设备)，常规手动式机械轴承式杠杆固结系统制备的黏土等饱和土样在可重复性、精度、均匀性和稳定性控制等方面均表现不足，且现有技术中固结系统存在自动化程度低、量测设备落后等问题，不但造成制备的黏土等饱和土样模型与真实土层力学性质存在一定差异，且极大增加了试验人员的劳动强度(常重力固结时间一般≥150h，制样过程需有配置专门的试验人员进行人工手动操作与数据记录)。综上，如何提供一种离心试验自平衡与数字化黏土预固结系统，1)可用于解决离心机上固结大变形的沉降，导致模型箱高度难以有效利用问题；2)可用于解决离心机上固结大量排水难题；3)可用于制备重复性高、精度高和均匀性高的大型黏土等饱和土体试样，还可避免人工实时监测和调整应力荷载，节省了人力成本和解决了人为因素干预的影响，提高记录与监测黏土等饱和土体试验的压缩沉降量的准确性，以及所施加的土体固结压力等重要参数变化量，成为了本来领域技术人员亟需解决的技术问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术公开一种离心试验自平衡与数字化黏土预固结系统，以实现整个饱和土体固结过程均为自动化操作过程，从而可用于解决离心机上固结大变形的沉降，导致模型箱高度难以有效利用问题；可用于解决离心机上固结大量排水难题；可用于制备重复性高、精度高和均匀性高的大型黏土等饱和土体试样，还可避免人工实时监测和调整应力荷载，节省了人力成本和解决了人为因素干预的影响，提高记录与监测黏土等饱和土体试验的压缩沉降量的准确性，以及所施加的土体固结压力等重要参数变化量。一种离心试验自平衡与数字化黏土预固结系统，包括：刚性固结模型箱模块、垂向压力荷载施加模块和数据采集与控制模块；所述刚性固结模型箱模块包括：土体加压板、应力荷载传感器、饱和土体制样模型箱和模型箱安装与调平底座，其中，所述应力荷载传感器为多个；所述土体加压板设置在所述饱和土体制样模型箱上方，当黏土预固结系统工作时，垂向荷载作用于所述土体加压板上，继而所述土体加压板作用于所述饱和土体制样模型箱的土样上；多个所述应力荷载传感器均匀设置在所述土体加压板上，每个所述应力荷载传感器用于监测与反馈在饱和土体表面对应的监测点的应力荷载；所述饱和土体制样模型箱用于装载饱和土体试样，在所述饱和土体制样模型箱内设置有透水板，所述透水板与所述饱和土体制样模型箱的排水阀相连接，用于配合制备饱和土体试样的排水过程；所述模型箱安装与调平底座，用于对所述饱和土体制样模型箱进行固定与调平；所述垂向压力荷载施加模块包括：门式反力架、双缸垂向作动器、位移传感器、液压油源加压装置和双缸液压驱动装置；所述门式反力架用于为垂向压力荷载施加提供竖向反力，并为双缸垂向作动器进行支撑和固定；所述位移传感器置于所述双缸垂向作动器内部，用于记录与监测所述双缸垂向作动器的轴向行程及记录饱和土体的压缩沉降量；所述液压油源加压装置，用于为所述双缸液压驱动装置提供压力来源，以驱动所述双缸液压驱动装置进行轴向运动；所述数据采集与控制模块包括：数字化采集器和工控计算机；所述数字化采集器用于采集所述位移传感器记录的饱和土体固结过程中的压缩沉降量，以及采集所述应力荷载传感器记录的饱和土体制备过程中的固结压力，并将所述压缩沉降量和所述固结压力输出至所述工控计算机；所述工控计算机用于基于所述压缩沉降量和所述固结压力，得到饱和土体固结过程中压缩沉降量的时程曲线、土体固结压力时程曲线以及土体不排水强度与土体深度的关系曲线。可选的，所述门式反力架具有双缸垂向作动器安装孔和液压油源出油口安装孔；所述双缸垂向作动器安装孔，用于将所述双缸垂向作动器固定安装在所述门式反力架，并为所述门式反力架提供反力作用；所述液压油源出油口安装孔，用于固定所述液压油源加压装置的出油管；所述模型箱安装与调平底座具有模型箱安装孔；所述模型箱安装孔，用于安装与固定所述饱和土体制样模型箱。可选的，所述双缸垂向作动器包括：进油管连接口、出油管连接口和轴向螺杆连接螺母；所述进油管连接口，用于与所述液压油源加压装置的进油管连接；所述出油管连接口，用于与得到液压油源加压装置的出油管连接；所述轴向螺杆连接螺母，用于与所述土体加压板上螺杆连接孔进行连接。可选的，所述土体加压板具有螺杆连接孔；所述螺杆连接孔用于连接所述双缸垂向作动器上的所述轴向螺杆连接螺母。可选的，所述饱和土体制样模型箱包括：排水阀、透明观察窗、透水板、排水通道和模型箱底板；所述排水阀与所述模型箱底板内部的所述排水通道连接，所述排水阀用于制备饱和土体试样时排水；所述透明观察窗，用于作为观察所述饱和土体制样模型箱内部土体的固结过程的窗口；所述透水板与所述排水阀相连接，所述透水板用于配合制备饱和土体试样的排水过程。可选的，所述液压油源加压装置包括：出油路伺服阀，回油路溢流阀，液压油源存储箱和液压油加压泵；所述出油路电磁阀，用于控制液压源出油量；所述回油路溢流阀，用于控制油压卸荷，并提供稳定的供油压力；所述液压油加压，用于为油源加压，并为所述双缸垂向作动器提供加压作用。从上述的技术方案可知，本专利技术公开了一种离心试验自平衡与数字化黏土预固结系统，该系统包括：刚性固结模型箱模块、垂向压力荷载施加模块和数据采集与控制模块，刚性固结模型箱模块包括：土体加压板、应力荷载传感器、饱和土体制样模型箱和模型箱安装与调平底座，垂向压力荷载施加模块包括：门式反力架、双缸垂向作动器、位移传感器、液压油源加压装置和双缸液压驱动装置，数据采集与控制模块包括：数字化采集器和工本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种离心试验自平衡与数字化黏土预固结系统，其特征在于，包括：刚性固结模型箱模块、垂向压力荷载施加模块和数据采集与控制模块；/n所述刚性固结模型箱模块包括：土体加压板、应力荷载传感器、饱和土体制样模型箱和模型箱安装与调平底座，其中，所述应力荷载传感器为多个；/n所述土体加压板设置在所述饱和土体制样模型箱上方，当黏土预固结系统工作时，垂向荷载作用于所述土体加压板上，继而所述土体加压板作用于所述饱和土体制样模型箱的土样上；/n多个所述应力荷载传感器均匀设置在所述土体加压板上，每个所述应力荷载传感器用于监测与反馈在饱和土体表面对应的监测点的应力荷载；/n所述饱和土体制样模型箱用于装载饱和土体试样，在所述饱和土体制样模型箱内设置有透水板，所述透水板与所述饱和土体制样模型箱的排水阀相连接，用于配合制备饱和土体试样的排水过程；/n所述模型箱安装与调平底座，用于对所述饱和土体制样模型箱进行固定与调平；/n所述垂向压力荷载施加模块包括：门式反力架、双缸垂向作动器、位移传感器、液压油源加压装置和双缸液压驱动装置；/n所述门式反力架用于为垂向压力荷载施加提供竖向反力，并为双缸垂向作动器进行支撑和固定；/n所述位移传感器置于所述双缸垂向作动器内部，用于记录与监测所述双缸垂向作动器的轴向行程及记录饱和土体的压缩沉降量；/n所述液压油源加压装置，用于为所述双缸液压驱动装置提供压力来源，以驱动所述双缸液压驱动装置进行轴向运动；/n所述数据采集与控制模块包括：数字化采集器和工控计算机；/n所述数字化采集器用于采集所述位移传感器记录的饱和土体固结过程中的压缩沉降量，以及采集所述应力荷载传感器记录的饱和土体制备过程中的固结压力，并将所述压缩沉降量和所述固结压力输出至所述工控计算机；/n所述工控计算机用于基于所述压缩沉降量和所述固结压力，绘制饱和土体固结过程中压缩沉降量的时程曲线、土体固结压力时程曲线以及土体不排水强度与土体深度的关系曲线。/n...

【技术特征摘要】
1.一种离心试验自平衡与数字化黏土预固结系统，其特征在于，包括：刚性固结模型箱模块、垂向压力荷载施加模块和数据采集与控制模块；
所述刚性固结模型箱模块包括：土体加压板、应力荷载传感器、饱和土体制样模型箱和模型箱安装与调平底座，其中，所述应力荷载传感器为多个；
所述土体加压板设置在所述饱和土体制样模型箱上方，当黏土预固结系统工作时，垂向荷载作用于所述土体加压板上，继而所述土体加压板作用于所述饱和土体制样模型箱的土样上；
多个所述应力荷载传感器均匀设置在所述土体加压板上，每个所述应力荷载传感器用于监测与反馈在饱和土体表面对应的监测点的应力荷载；
所述饱和土体制样模型箱用于装载饱和土体试样，在所述饱和土体制样模型箱内设置有透水板，所述透水板与所述饱和土体制样模型箱的排水阀相连接，用于配合制备饱和土体试样的排水过程；
所述模型箱安装与调平底座，用于对所述饱和土体制样模型箱进行固定与调平；
所述垂向压力荷载施加模块包括：门式反力架、双缸垂向作动器、位移传感器、液压油源加压装置和双缸液压驱动装置；
所述门式反力架用于为垂向压力荷载施加提供竖向反力，并为双缸垂向作动器进行支撑和固定；
所述位移传感器置于所述双缸垂向作动器内部，用于记录与监测所述双缸垂向作动器的轴向行程及记录饱和土体的压缩沉降量；
所述液压油源加压装置，用于为所述双缸液压驱动装置提供压力来源，以驱动所述双缸液压驱动装置进行轴向运动；
所述数据采集与控制模块包括：数字化采集器和工控计算机；
所述数字化采集器用于采集所述位移传感器记录的饱和土体固结过程中的压缩沉降量，以及采集所述应力荷载传感器记录的饱和土体制备过程中的固结压力，并将所述压缩沉降量和所述固结压力输出至所述工控计算机；
所述工控计算机用于基于所述压缩沉降量和所述固结压力，绘制饱和土体固结过程中压缩沉降量的时程曲线、土体固结压力时程曲线以及土体不排水强度与土体深度的关系曲线。


2.根据权利要求1所述的土工离心机黏土预压固结系统，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永志，汤兆光，王鸿艳，王体强，段雪锋，孙锐，王浩然，
申请(专利权)人：中国地震局工程力学研究所，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23