离心机可视化细观结构动态测量系统技术方案

本实用新型专利技术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。本实用新型专利技术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。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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，本技术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，本技术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，本专利技术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，本技术的系统可靠、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I为本技术的地下结构物平面图。图2为本技术的地下结构物正视图。图3为本技术的地下结构物左视图。图4为本技术的地下结构物的盖板图。图5为本技术的远程控制示意图。具体实施方式本技术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I、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I和LED光源2设于地下结构物3内并固定于其上；优选地，本技术的高速细观摄像机I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I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I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I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I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I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I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I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，本技术的钢化玻璃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，对本技术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(I)安装摄像机和光源在地下结构物3内部安装固定摄像机I和光源2，调节摄像机I焦距，使摄像机I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)X 400mm(宽)X 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O. 34mm,不均匀系数I. 542，曲率系数I. 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I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)开始动态米集，启动尚心机，将加速度保持在50g左右,然后保持5min后,启动摄像机拍照，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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I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I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I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...

【专利技术属性】
技术研发人员：周健，陈小亮，贾敏才，封渊惟，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：实用新型
国别省市：