專利名稱：一種離心模型擋土墻試驗設備的制作方法
技術領域：
本發明是專門用于在離心機上進行土壓力離心模型試驗，研究土壓力問題的試驗設備， 主要技術領域是土壓力離心模型試驗研究技術領域。
背景技術：
擋土類結構物是土木建筑、水利水電、公路、鐵道交通等工程建設中廣泛應用的一種結 構物，其用途是支撐土體使其保持穩定。土壓力的評價是擋土類結構物結構設計和穩定分析 中的一個基本項目，直接相關工程設計的安全可靠及經濟合理。土壓力理論和應用研究己成 為土力學和巖土工程領域的一個基本課題。土工離心模型試驗在縮小土工構筑物的尺寸的同 時，加大了模型的重力加速度，可以保持模型中土的應力狀態與實際情況一致，因此在模擬 邊坡、土壓力問題等方面具有一定優勢。土壓力離心模型試驗是驗證土壓力計算方法和揭示 土壓力形成的物理機制的重要手段之一。離心模型擋土墻試驗設備是進行土壓力離心模型試 驗不可缺少的重要技術手段。
現有的離心模型擋土墻試驗設備較少，報道的文獻不多。根據《無粘性土中剛性擋土墻 離心模型試驗研究》(期刊重慶交通學院學報；作者唐志成，彭胤宗，宋教吾；發表時間
1988(2) :48-58)報道，唐志成等通過離心模型試驗研究了剛性擋墻在墻后填土為砂土時的主 動土壓力大小及分布，并與庫侖理論進行了對比，但其僅測量了主動狀態時的土壓力分布。 該試驗采用的離心模型擋土墻試驗設備無法控制擋墻的位移量，因此無法研究不同擋墻位移 量時的土壓力大小及分布。根據《壓實粘性填土擋土墻土壓力離心模型試驗》(期刊巖土工 程學報；作者岳祖潤，彭胤宗，張師德；發表時間1992， 114 (6): 90-96)報道，岳祖 潤等研制了一套自制的位移控制液壓裝置，針對墻后填土為壓實粘性土，剛性擋土墻在組合 位移模式下的情況進行了離心模型試驗，分析研究了土壓力大小、分布及其與墻體位移的關 系等問題。該設備采用位移控制液壓裝置來調節擋墻位移的變化。在離心加速度增大到要求 的模型率W后穩定轉速，打開一次電磁閥，使油缸排油。油壓減小，則填土壓力迫使墻體推 著柱塞后移一段微小位移。該方法假定液壓油具有不可壓縮性，忽略了油的壓縮性對于位移 控制的影響，不能在離心加速度增大的過程中控制擋墻保持靜止狀態，并且不能精確控制擋 墻的位移模式。因此試驗中擋墻的位移模式和開始運動的初始狀態較為復雜，無法控制。根 據《各向異性粒狀材料破壞規律與強度準則及應用》(博士學位論文，張連衛，時間2007) 報道，張連衛等針對由橢圓形金屬棒堆積成的二維理想粒狀材料，研制了一套主動土壓力離 心模型試驗設備與相應的測試技術。該設備用氣缸活塞控制模型擋墻水平方向的運動，但是 不能在離心加速度增大的過程中控制擋墻保持靜止狀態，并且不能控制擋墻連續均勻地向主動一側位移，且僅適用于理想粒狀材料，無法進行砂土的試驗。
通過對現有設備的調研可知，現有設備多采用氣缸或者油缸作為擋墻運動的驅動裝置， 忽略了氣和油的壓縮性對于位移控制的影響。土壓力離心模型試驗難度較大，主要技術難點 如下隨著離心加速度的增大，墻后填土對擋墻的側壓力的增大會導致擋墻向主動側位移， 不能保持靜止狀態；擋墻在從靜止狀態到主動狀態的運動過程中較難緩慢均勻連續地運動； 擋墻的運動形式較難控制，很難保持平動。
發明內容
本發明的目的是提供一種離心模型擋土墻試驗設備，使其能夠控制模型擋墻在離心加速 度增大的過程中保持靜止狀態，能夠控制模型擋墻連續均勻緩慢地向主動一側位移，能夠控 制模型擋墻在運動過程中保持平動的位移模式。
本發明的技術方案如下
一種離心模型擋土墻試驗設備，包括驅動系統，模型擋墻結構和測量系統，所述的模型 擋墻結構含有模型擋墻和固定裝置；所述的測量系統含有第一位移傳感器和土壓力盒，所述
的離心模型擋土墻試驗設備還包括模型擋墻位移自動控制系統，該系統含有用于監測離心加 速度增大過程中模型擋墻位移的第二位移傳感器、單片機、用于記錄模型擋墻初始位置和設
定閾值的數碼管以及執行機構，所述的執行機構包括三極管和繼電器；所述的第二位移傳感 器采集的位移信號經放大器放大后進入單片機；所述的數碼管通過限流電阻與單片機連接； 所述的單片機通過限流電阻與三極管相連接；單片機發送指令，通過繼電器的通、斷電來控 制擋墻位移量的變化；所述的第二位移傳感器采用量程為毫米量級，精度高于1%。。
上述技術方案中，所述的固定裝置包括梯形導向架、導向軸、兩個L形支架和底部 鋼板；所述的梯形導向架和兩個L型支架固定在底部鋼板上，所述的導向軸采用四根，且對 稱布置，并固定在兩個L型支架上；模型擋墻通過固定在該擋墻上的滑套沿導向軸滑動；在 所述模型擋墻的頂端設有T形桿，所述的第二位移傳感器設置在T形桿的上部。
本發明的技術特征還在于所述的驅動系統包括電機、減速器以及帶動模型擋墻位移的傳 動機構，所述傳動機構包括傳動軸，軸套，齒輪和齒條，所述的齒條穿過梯形導向架通過連 接件固定在模型擋墻上。
本發明與現有技術相比，具有以下優點及突出性效果
該設備能夠控制模型擋墻在離心加速度增大的過程中保持靜止狀態；能夠控制擋墻均勻 緩慢地向主動一側運動；能夠使擋墻保持平動的位移模式。試驗結果表明，設備性能穩定， 運行可靠，易于操作，適用于剛性擋墻靜止狀態和主動側土壓力的研究。與己有的離心模型 擋土墻試驗設備相比，本發明具有以下特點和優勢在離心模型試驗中采用電機作為擋墻運 動的驅動系統，能夠保證擋墻的位移緩慢而且均勻連續，可確保數據采集系統及非接觸式位 移測量系統較為完整地記錄擋墻運動過程中的土壓力及土體位移場變化過程；研制了可控擋墻位移量的自動控制系統，通過控制電機工作可保證在離心加速度增大的過程中擋墻處于靜
止狀態；設計了合理的模型擋墻機械結構，可控制擋墻的位移模式為平動。
圖1是土壓力離心模型試驗設備原理機構示意圖。
圖2是模型擋墻結構立面圖。
圖3是模型擋墻結構俯視圖。
圖4是土壓力盒布置方式示意圖。
圖5是擋墻位移自動控制系統原理框圖。
圖中1一電機，2 —蝸輪減速器，3 —斜撐，4一第一位移傳感器，5 —齒輪，6 —齒條，7 一梯形導向架，8 —導向軸，9_軸套，IO —傳動軸，ll一第二位移傳感器，12 —模型擋墻， 13 — 土壓力盒，14一位移自動控制系統，15 —模型箱，16 —底部鋼板，17 — T形桿，18—L形 支架，19一鋼板(用于固定電機)，20 —墻后填土， 21—滑套，22 —連接件(連接擋墻與齒條) 23 —固定螺絲
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的原理、具體結構和工作過程作進一歩的說明。
圖1是土壓力離心模型試驗設備原理機構示意圖。本發明主要由四部分組成驅動系統， 模型擋墻結構，測量系統和位移自動控制系統。下面分別加以詳細介紹。
驅動系統包括電機、減速器和帶動模型擋墻位移的傳動機構，傳動機構包括傳動軸10， 軸套9，齒輪5和齒條6。驅動系統的各個組成部分的連接和組裝方式如下如圖1所示，將
傳動軸10插入蝸輪減速器2中，在調整好傳動軸的位置之后，通過頂絲固定傳動軸，使其與 電機1及減速器2剛性連接，將軸套9套在傳動軸的外側，用螺絲將法蘭及軸套9固定在鋼 板19上面，用頂絲將齒輪5固定在傳動軸10上。在鋼板19上面打孔，用鐵皮箍住電機，通 過螺絲將鐵皮和電機固定在鋼板19上，所述的齒條6穿過梯形導向架7通過連接件22固定 在模型擋墻。傳動軸與齒輪剛性連接，通過齒輪與齒條的咬和作用帶動擋墻緩慢勻速運動。
本發明采用較大的加速比，可以使得減速后電機的運轉速度很慢，而且出力較大，從而 保證電機能夠在較大的離心加速度下拖動模型擋墻運動，并且減速后擋墻的運動速度僅為 0.025mm/s，能夠確保數據采集系統及攝像系統較為完整地記錄擋墻運動過程中的土壓力及土 體位移場變化過程。由于傳動軸較長，隨著離心加速度的增大，在土壓力的作用下軸容易發 生彎曲變形。為了限制軸的變形，本發明在傳動軸外側安裝軸套和法蘭，并且在軸套底部安 裝了軸承，如圖1所示。通過軸套增加了傳動軸的剛度，軸承限制了軸的位置，確保了試驗 中軸不會發生彎曲，始終保持直立狀態，從而使得齒輪和齒條能夠很好地咬和。
圖2和圖3給出了模型擋墻結構系統的示意圖。模型擋墻結構包括模型擋墻12和固定裝 置，該固定裝置包括梯形導向架7、導向軸8、 L形支架18和底部鋼板16。模型擋墻結構的各個組成部分的連接和組裝方式如下如圖1、圖2和圖3所示，用螺母將四根導向軸8固定 在兩個L型支架18上，對稱布置。將兩個L型支架18、梯形導向架7和模型擋墻12放置在 底部鋼板16上。將齒條穿過梯形導向架，調整兩個L型支架18和梯形導向架7的位置，使 得模型擋墻12能夠通過滑套21沿導向軸8在底部鋼板16上能夠順暢地滑動，然后用螺絲將 L型支架18和梯形導向架7固定在底部鋼板16上。用螺絲將T形桿件17固定在模型擋墻12 的頂部。中央的梯形導向架和四周的四根導向軸均限制了齒條的偏轉，使模型擋墻只能沿直 線方向運動，保持了模型擋墻的平動模式。L形支架用以固定四根定位軸。模型擋墻上部的T 形桿件與擋墻通過螺絲剛性連接。
本發明的測量元件主要包括土壓力盒與第一位移傳感器4，分別用于測量擋墻上作用的 土壓力大小以及擋墻的位移量。土壓力盒在擋墻上的布置方式如圖4所示。按照上壓力盒的 尺寸在模型擋墻上鑿孔，從擋墻頂部到底部沿中線的兩側共布置了 IO個土壓力盒。本發明采 用的第一位移傳感器4量程為士15nun，精度為1%。，用于測量擋墻向主動側運動過程中的位 移量。兩類位移傳感器均采用彈簧式的探頭。
測量系統的安裝與布置方式如下如圖1所示，土壓力盒是在模型擋墻上鑿相應尺寸的 孔然后嵌入的，土壓力盒的信號線和電源線均連接在數據采集卡上。此傳感器的信號線和電 源線均焊接在擋墻位移自動控制系統的內部，其信號線和單片機連接。安裝第一位移傳感器 4需要在模型箱側壁的鋁板上打孔，將位移傳感器插入模型箱，其探頭與模型擋墻相接觸。
離心加速度增大的過程中填土的重力會逐漸增大，因此擋墻上的土壓力也隨之增大，會 導致擋墻發生微小的位移，少則0.3mm，多則lmm，使其不能保持靜止狀態。而達到主動狀 態所需的位移量很小，根據Terzaghi (1934)的研究結果，其數量級約為1%。H(H為墻高)。 對于240mm的模型擋墻，達到主動狀態的位移量約為0.24mm。所以在加速度50g條件下啟 動電機控制擋墻運動之前墻后填土會由于離心加速度增大的過程中擋墻的位移量而達到主動 狀態或者處于靜止狀態與主動狀態之間，導致試驗開始時擋墻的初始狀態不能確定。因此， 在離心加速度增大的過程中使擋墻保持靜止狀態具有十分重要的意義。為了解決這一問題， 本發明研制了可控擋墻位移的自動控制系統14。整個系統的工作原理見圖5。
如圖5所示，該系統含有用于監測離心加速度增大過程中模型擋墻位移的第二位移傳感 器ll、單片機、用于記錄模型擋墻初始位置和設定閾值的數碼管以及執行機構。所述的第二 位移傳感器11是用一個鋁制支架固定在模型箱上的，它的探頭正好頂在模型擋墻頂部的T形 桿件17上，用以監測擋墻的位移量。為了能更精確地測量模型擋墻的位移量，第二位移傳感
器量程X用毫米量級，精度應高于1%。。所述的執行機構包括三極管和繼電器。所述的位移 傳感器采集的模型擋墻位移信號經放大器放大后進入單片機；所述的數碼管記錄模型擋墻的
初始位置并設定閾值(一般小于等于0.05mm)后，將信號輸入單片機。單片機上面燒寫著控 制程序，其主要功能是根據傳感器監測的信號得到離心加速度增大的過程中模型擋墻的當前位置，將其與模型擋墻的初始位置加以比較，如果發現模型擋墻偏離初始位置的位移量超過 我們設定的閾值，則向執行機構發出控制指令，啟動電機正轉或反轉，推或拉模型擋墻回到 初始位置。 一直持續這一控制過程，直至模型擋墻偏離初始位置的位移量小于我們設定的閾 值，然后單片機發出指令關閉電機。執行機構的主要元件是三個繼電器，分別控制電機正轉、 反轉和剎車的三路電流。其主要功能是接收單片機發來的指令，導通或者切斷任意一路電流。 由于單片機上僅限通過微弱的電流，因此在系統中加入了三極管，作為驅動器，用于放大電
流，驅動繼電器工作。
做試驗時按照圖l、圖2和圖3組裝好整套設備。具體順序如下組裝好模型擋墻結構， 放入模型箱；用螺絲將驅動系統固定在模型箱上，注意保證齒條和齒輪較好得咬和；將斜撐 用螺絲固定在模型箱側壁；在模型箱的側壁涂抹硅油，并且在鋁制的一側貼聚四氟乙烯薄膜， 用以減小土體和側壁的摩擦；模型擋墻的底部需涂抹適量黃油，以減小擋墻運動過程中的摩 擦力；在擋墻與模型箱側壁的縫隙之間涂適量真空泥，防止試驗過程中砂土從縫隙中漏出； 如圖l在模型擋墻后部填土制備好試樣，然后將模型箱吊入離心機吊藍屮；將位移自動控制 系統安裝在離心機轉臂上；離心機滑環上有220V供電電源，將位移自動控制系統的電源線以 及電機的電源線、正轉線路、反轉線路和剎車線連接在離心機滑環上的電源；在連接好電機 及擋墻位移自動控制系統的供電電路后，可以開啟離心機。
試驗中離心加速度從lg增大到一定的模型相似率/V，比如50g，穩定大約5分鐘，然后 在該離心加速度下關閉位移自動控制系統，啟動電機，通過齒輪的轉動，帶動齒條及模型擋 墻向主動側緩慢運動。試驗過程中通過土壓力盒和位移傳感器可以實時測量作用在擋墻上的 土壓力以及擋墻的位移，并通過離心機數據采集系統記錄這些數據。在對數據的分析基礎上 可以得到土壓力隨擋墻位移的變化規律。
權利要求
1.一種離心模型擋土墻試驗設備，包括驅動系統，模型擋墻結構和測量系統，所述的模型擋墻結構含有模型擋墻(12)和固定裝置；所述的測量系統含有第一位移傳感器和土壓力盒(13)，其特征在于所述的離心模型擋土墻試驗設備還包括模型擋墻位移自動控制系統(14)，該系統含有用于監測離心加速度增大過程中模型擋墻位移的第二位移傳感器(11)、單片機、用于記錄模型擋墻初始位置和設定閾值的數碼管以及執行機構，所述的執行機構包括三極管和繼電器；所述的第二位移傳感器采集的位移信號經放大器放大后進入單片機；所述的數碼管通過限流電阻與單片機連接；所述的單片機通過限流電阻與三極管相連接；單片機發送指令，通過繼電器的通、斷電來控制擋墻位移量的變化；所述的第二位移傳感器采用量程為毫米量級，精度高于1‰。
2. 按照權利要求1所述的離心模型擋十.墻試驗設備，其特征在于所述的固定裝置包括 梯形導向架(7)、導向軸(8)、兩個L形支架(18)和底部鋼板(16);所述的梯形導向架(7) 和兩個L型支架(18)固定在底部鋼板(16)上，所述的導向軸(8)采用四根，且對稱布置， 并固定在兩個L型支架(18)上；模型擋墻通過固定在該擋墻上的滑套(21)沿導向軸(8) 滑動；在所述模型擋墻的頂端設有T形桿(17)，所述的第二位移傳感器(11)設置在T形 桿的上部。
3. 按照權利要求2所述的離心模型擋土墻試驗設備，其特征在于所述的驅動系統包括 電機、減速器以及帶動模型擋墻位移的傳動機構，所述傳動機構包括傳動軸(10)，軸套(9)， 齒輪(5)和齒條(6)，所述的齒條(6)穿過梯形導向架(7)通過連接件(22)固定在模型擋 墻上。
全文摘要
一種離心模型擋土墻試驗設備，屬于土壓力離心模型試驗研究技術領域。該設備包括驅動系統，模型擋墻結構、測量系統以及模型擋墻位移自動控制系統。增加的模型擋墻位移自動控制系統可保證模型擋墻在離心加速度增大的過程中處于靜止狀態；采用電機作為驅動系統，能夠保證模型擋墻的位移緩慢而且均勻連續，可確保數據采集系統完整地記錄模型擋墻運動過程中的土壓力及土體位移場變化過程；改進的模型擋墻結構使模型擋墻能夠保持平動的位移模式。初步試驗結果表明，設備性能穩定，運行可靠，易于操作，適用于剛性擋墻靜止狀態和主動側土壓力的研究。
文檔編號G01M99/00GK101526440SQ20091013128
公開日2009年9月9日 申請日期2009年4月13日 優先權日2009年4月13日
發明者超 劉, 飛 宋, 嘎 張, 張建民, 鄭瑞華 申請人:清華大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
