一种离心模型挡土墙试验设备制造技术

一种离心模型挡土墙试验设备，属于土压力离心模型试验研究技术领域。该设备包括驱动系统，模型挡墙结构、测量系统以及模型挡墙位移自动控制系统。增加的模型挡墙位移自动控制系统可保证模型挡墙在离心加速度增大的过程中处于静止状态；采用电机作为驱动系统，能够保证模型挡墙的位移缓慢而且均匀连续，可确保数据采集系统完整地记录模型挡墙运动过程中的土压力及土体位移场变化过程；改进的模型挡墙结构使模型挡墙能够保持平动的位移模式。初步试验结果表明，设备性能稳定，运行可靠，易于操作，适用于刚性挡墙静止状态和主动侧土压力的研究。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是专门用于在离心机上进行土压力离心模型试验，研究土压力问题的试验设备， 主要
是土压力离心模型试验研究

技术介绍
挡土类结构物是土木建筑、水利水电、公路、铁道交通等工程建设中广泛应用的一种结 构物，其用途是支撑土体使其保持稳定。土压力的评价是挡土类结构物结构设计和稳定分析 中的一个基本项目，直接相关工程设计的安全可靠及经济合理。土压力理论和应用研究己成 为土力学和岩土工程领域的一个基本课题。土工离心模型试验在縮小土工构筑物的尺寸的同 时，加大了模型的重力加速度，可以保持模型中土的应力状态与实际情况一致，因此在模拟 边坡、土压力问题等方面具有一定优势。土压力离心模型试验是验证土压力计算方法和揭示 土压力形成的物理机制的重要手段之一。离心模型挡土墙试验设备是进行土压力离心模型试 验不可缺少的重要技术手段。现有的离心模型挡土墙试验设备较少，报道的文献不多。根据《无粘性土中刚性挡土墙 离心模型试验研究》(期刊重庆交通学院学报；作者唐志成，彭胤宗，宋教吾；发表时间1988(2) :48-58)报道，唐志成等通过离心模型试验研究了刚性挡墙在墙后填土为砂土时的主 动土压力大小及分布，并与库仑理论进行了对比，但其仅测量了主动状态时的土压力分布。 该试验采用的离心模型挡土墙试验设备无法控制挡墙的位移量，因此无法研究不同挡墙位移 量时的土压力大小及分布。根据《压实粘性填土挡土墙土压力离心模型试验》(期刊岩土工 程学报；作者岳祖润，彭胤宗，张师德；发表时间1992， 114 (6): 90-96)报道，岳祖 润等研制了一套自制的位移控制液压装置，针对墙后填土为压实粘性土，刚性挡土墙在组合 位移模式下的情况进行了离心模型试验，分析研究了土压力大小、分布及其与墙体位移的关 系等问题。该设备采用位移控制液压装置来调节挡墙位移的变化。在离心加速度增大到要求 的模型率W后稳定转速，打开一次电磁阀，使油缸排油。油压减小，则填土压力迫使墙体推 着柱塞后移一段微小位移。该方法假定液压油具有不可压縮性，忽略了油的压缩性对于位移 控制的影响，不能在离心加速度增大的过程中控制挡墙保持静止状态，并且不能精确控制挡 墙的位移模式。因此试验中挡墙的位移模式和开始运动的初始状态较为复杂，无法控制。根 据《各向异性粒状材料破坏规律与强度准则及应用》(博士学位论文，张连卫，时间2007) 报道，张连卫等针对由椭圆形金属棒堆积成的二维理想粒状材料，研制了一套主动土压力离 心模型试验设备与相应的测试技术。该设备用气缸活塞控制模型挡墙水平方向的运动，但是 不能在离心加速度增大的过程中控制挡墙保持静止状态，并且不能控制挡墙连续均匀地向主动一侧位移，且仅适用于理想粒状材料，无法进行砂土的试验。通过对现有设备的调研可知，现有设备多采用气缸或者油缸作为挡墙运动的驱动装置， 忽略了气和油的压縮性对于位移控制的影响。土压力离心模型试验难度较大，主要技术难点 如下随着离心加速度的增大，墙后填土对挡墙的侧压力的增大会导致挡墙向主动侧位移， 不能保持静止状态；挡墙在从静止状态到主动状态的运动过程中较难缓慢均匀连续地运动； 挡墙的运动形式较难控制，很难保持平动。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种离心模型挡土墙试验设备，使其能够控制模型挡墙在离心加速 度增大的过程中保持静止状态，能够控制模型挡墙连续均匀缓慢地向主动一侧位移，能够控 制模型挡墙在运动过程中保持平动的位移模式。本专利技术的技术方案如下一种离心模型挡土墙试验设备，包括驱动系统，模型挡墙结构和测量系统，所述的模型 挡墙结构含有模型挡墙和固定装置；所述的测量系统含有第一位移传感器和土压力盒，所述的离心模型挡土墙试验设备还包括模型挡墙位移自动控制系统，该系统含有用于监测离心加 速度增大过程中模型挡墙位移的第二位移传感器、单片机、用于记录模型挡墙初始位置和设定阈值的数码管以及执行机构，所述的执行机构包括三极管和继电器；所述的第二位移传感 器采集的位移信号经放大器放大后进入单片机；所述的数码管通过限流电阻与单片机连接； 所述的单片机通过限流电阻与三极管相连接；单片机发送指令，通过继电器的通、断电来控 制挡墙位移量的变化；所述的第二位移传感器采用量程为毫米量级，精度高于1%。。上述技术方案中，所述的固定装置包括梯形导向架、导向轴、两个L形支架和底部 钢板；所述的梯形导向架和两个L型支架固定在底部钢板上，所述的导向轴采用四根，且对 称布置，并固定在两个L型支架上；模型挡墙通过固定在该挡墙上的滑套沿导向轴滑动；在 所述模型挡墙的顶端设有T形杆，所述的第二位移传感器设置在T形杆的上部。本专利技术的技术特征还在于所述的驱动系统包括电机、减速器以及带动模型挡墙位移的传 动机构，所述传动机构包括传动轴，轴套，齿轮和齿条，所述的齿条穿过梯形导向架通过连 接件固定在模型挡墙上。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果该设备能够控制模型挡墙在离心加速度增大的过程中保持静止状态；能够控制挡墙均匀 缓慢地向主动一侧运动；能够使挡墙保持平动的位移模式。试验结果表明，设备性能稳定， 运行可靠，易于操作，适用于刚性挡墙静止状态和主动侧土压力的研究。与己有的离心模型 挡土墙试验设备相比，本专利技术具有以下特点和优势在离心模型试验中采用电机作为挡墙运 动的驱动系统，能够保证挡墙的位移缓慢而且均匀连续，可确保数据采集系统及非接触式位 移测量系统较为完整地记录挡墙运动过程中的土压力及土体位移场变化过程；研制了可控挡墙位移量的自动控制系统，通过控制电机工作可保证在离心加速度增大的过程中挡墙处于静止状态；设计了合理的模型挡墙机械结构，可控制挡墙的位移模式为平动。附图说明图1是土压力离心模型试验设备原理机构示意图。图2是模型挡墙结构立面图。图3是模型挡墙结构俯视图。图4是土压力盒布置方式示意图。图5是挡墙位移自动控制系统原理框图。图中1一电机，2 —蜗轮减速器，3 —斜撑，4一第一位移传感器，5 —齿轮，6 —齿条，7 一梯形导向架，8 —导向轴，9_轴套，IO —传动轴，ll一第二位移传感器，12 —模型挡墙， 13 — 土压力盒，14一位移自动控制系统，15 —模型箱，16 —底部钢板，17 — T形杆，18—L形 支架，19一钢板(用于固定电机)，20 —墙后填土， 21—滑套，22 —连接件(连接挡墙与齿条) 23 —固定螺丝 具体实施例方式下面结合附图对本专利技术的原理、具体结构和工作过程作进一歩的说明。图1是土压力离心模型试验设备原理机构示意图。本专利技术主要由四部分组成驱动系统， 模型挡墙结构，测量系统和位移自动控制系统。下面分别加以详细介绍。驱动系统包括电机、减速器和带动模型挡墙位移的传动机构，传动机构包括传动轴10， 轴套9，齿轮5和齿条6。驱动系统的各个组成部分的连接和组装方式如下如图1所示，将传动轴10插入蜗轮减速器2中，在调整好传动轴的位置之后，通过顶丝固定传动轴，使其与 电机1及减速器2刚性连接，将轴套9套在传动轴的外侧，用螺丝将法兰及轴套9固定在钢 板19上面，用顶丝将齿轮5固定在传动轴10上。在钢板19上面打孔，用铁皮箍住电机，通 过螺丝将铁皮和电机固定在钢板19上，所述的齿条6穿过梯形导向架7通过连接件22固定 在模本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种离心模型挡土墙试验设备，包括驱动系统，模型挡墙结构和测量系统，所述的模型挡墙结构含有模型挡墙（１２）和固定装置；所述的测量系统含有第一位移传感器和土压力盒（１３），其特征在于：所述的离心模型挡土墙试验设备还包括模型挡墙位移自动控制系统（１４），该系统含有用于监测离心加速度增大过程中模型挡墙位移的第二位移传感器（１１）、单片机、用于记录模型挡墙初始位置和设定阈值的数码管以及执行机构，所述的执行机构包括三极管和继电器；所述的第二位移传感器采集的位移信号经放大器放大后进入单片机；所述的数码管通过限流电阻与单片机连接；所述的单片机通过限流电阻与三极管相连接；单片机发送指令，通过继电器的通、断电来控制挡墙位移量的变化；所述的第二位移传感器采用量程为毫米量级，精度高于１‰。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宋飞，刘超，张建民，张嘎，郑瑞华，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]