小型振動臺可視化細觀結構動態測量系統的製作方法

2023-06-22 16:32:46

專利名稱：小型振動臺可視化細觀結構動態測量系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種土體擬正弦動力荷載作用時對土體的細觀結構和宏觀特性進行動態觀測的試驗儀器，特別是對砂土細觀結構進行動態觀測和記錄的小型振動臺可視化細觀結構動態測量系統。
背景技術：
針對砂土液化的試驗研究主要有動三軸試驗、動單剪儀試驗、動扭剪儀試驗、振動臺試驗和動力離心機試驗。以往的試驗主要從超孔隙水壓力、土層加速度響應和土層位移等宏觀試驗現象研究砂土液化宏觀機理。土是由散粒狀介質組成的顆粒集合體，外荷載作用下土體微結構的變化是引發土體宏觀力學性狀的真正內因，而現有的試驗設備很難在試驗過程中監測到土體顆粒微結構的變化。本實用新型製作加工了一臺小型振動臺和可視化模型箱，並設計了一套動態同步細觀結構測量系統，利用其可同步動態記錄振動荷載作用下砂土液化發生和發展過程中顆粒微細觀結構的變化，通過細觀圖像信息處理技術對細觀觀測區域進行砂土細觀組構分析，揭示Ig重力場條件下砂土液化宏細觀機理。
發明內容為了填補現有研究設備中無法觀測砂土液化瞬間顆粒運動特徵及液化過程細觀組構演化的空白，本實用新型的目的在於提供一種小型振動臺可視化細觀結構動態測量系統，土體受到擬正弦激振力作用時，不僅能測得宏觀應力應變的變化，同時能對土體的細觀結構進行動態觀測和記錄。為了達到以上目的，本實用新型採用的技術方案如下一種小型振動臺可視化細觀結構動態測量系統，包括振動臺和觀測系統,振動臺包括電機、偏心輪和振動臺底座，電機設有主動皮帶輪，偏心輪設有被動皮帶輪，主動皮帶輪和被動皮帶輪之間由皮帶連接；偏心輪通過連杆與振動臺底座相連，振動臺底座下方設有個帶凹槽的輪子，輪子與底部的凸形導軌點接觸；觀測系統模型箱、高清數位相機、高速細觀攝像機和輔助光源，模型箱置于振動臺底座之上，模型箱的前後兩面採用透明有機玻璃，一面設有透過該面透明有機玻璃對砂土進行觀測的高速細觀攝像機和輔助光源，另一面設有透過該另一面透明有機玻璃對砂土進行觀測的高清數位相機。所述電機功率為3kw的三相交流電機與擺線針輪減速機。所述主動皮帶輪和被動皮帶輪分別設有三個大小不同的皮帶槽，皮帶在主動皮帶輪和被動皮帶輪2的不同槽之間切換可以分別獲得1Ηζ、2Ηζ和3Hz三種水平振動頻率。所述偏心輪在曲柄圓盤開槽。所述凸形導軌採用經過熱處理的鋼材加工製作而成，表面經過打磨光滑處理，安裝過程採用水準尺進行調平。所述高速細觀攝像機採用螺栓固定在模型箱的側壁上。所述測輔助光源採用工業LED環形光源。述模型箱內部尺寸為660mmX640mmX680mm,前後兩面均選用厚度為20mm的透
明有機玻璃，且模型箱左右側面底部設有四個排水閥。所述透明有機玻璃的細觀觀測的位置設置三塊鋼化玻璃。由於採用上述技術方案，本發明具有以下有益效果實現了土樣在受到激振力作用時，不僅能夠測試土樣的應力應變等宏觀力學量變化，而且能夠直觀的動態的觀測到土體細觀結構的變化；且本實用新型具有試驗簡便、試驗結果直觀，可以進行土樣的全過程動態觀測的特點。

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具體實施方式
本實用新型的小型振動臺系統，包括三相交流電機3、偏心輪4和振動臺底座5，三相交流電機3設有主動皮帶輪8，偏心輪4設有被動皮帶輪12，主動皮帶輪8和被動皮帶輪 12之間由皮帶連接，從而三相交流電機3可以驅動偏心輪4 ;偏心輪4通過連杆9與振動臺底座5相連，振動臺底座5下方設有4個帶凹槽的輪子10，輪子10與底部的凸形導軌11點接觸，從而連杆9可帶動振動臺底座5周期運動，模擬地震荷載，其中，點接觸可有效減少振動臺往復運動時的摩擦力。優選地,本實用新型中的三相交流電機3作為動力來源，選用功率為3kw的電機與擺線針輪減速機以獲得輸出轉速為120r/min。主動皮帶輪8和被動皮帶輪12則分別設有三個大小不同的皮帶槽，皮帶在主動皮帶輪8和被動皮帶輪12的不同槽之間切換可以分別獲得1Ηζ、2Ηζ和3Hz三種水平振動頻率。偏心輪4通過在曲柄圓盤開槽，使曲柄半徑R值的大小可調，其調節範圍為20mm-100mm;採用螺杆可以實現半徑R值的無級調整，可以根據試驗需要連續變換水平振動臺的振幅。振動臺底座5採用8號角鋼焊接而成。凸形導軌11採用經過熱處理的鋼材加工製作而成，表面經過打磨光滑處理，安裝過程採用水準尺進行調平，儘量減少凸形導軌11對臺面振動的影響。觀測系統包括模型箱6、高清數位相機、高速細觀攝像機I和觀測輔助光源2，模型箱6置於小型振動臺系統的振動臺底座5之上，模型箱6的前後兩面採用透明有機玻璃， 高速細觀攝像機和觀測輔助光源2可固定於模型箱6的側壁，透過前(後)面有機玻璃對砂土進行觀測，則後(前)面有機玻璃處設高清數位相機，同時對砂土進行觀測。優選地， 本實用新型的高速細觀攝像機I的採用螺栓固定在模型箱6的側壁上，連接牢固，有效的避免了在振動荷載施加過程中攝像機的晃動，採用螺栓連接非常方便移動高速細觀攝像機 I的位置，可以觀察不同位置的砂土細觀結構變化，其拍攝幀率為90幀/秒(比如由日本 JAI公司專門設計的攝像機，尺寸為44x29x75 (mm)，焦距為90mm，光圈範圍F4. 5-F22C，有效像素為656x 494，滿像素最高拍攝頻率為90幀/秒，電子快門為1/90秒-1/10000秒； 另配日本computar公司變倍鏡頭MLM3X-MP，此鏡頭最大放大率為0. 3X-1X，鏡頭直徑與焦距之比是I : 4. 5，焦距為90mm，光圈範圍F4. 5-F22C ;)，能夠在短時間內拍攝到基本反映砂土顆粒運動特徵所需數量的清晰細觀照片，能夠動態觀測並定量測試土體細觀結構在動力荷載作用下的變化特徵。觀測輔助光源2採用工業LED環形光源，提供高亮和穩定的光源，保證高速細觀攝像機I在短曝光時間內拍攝到清晰的圖像。模型箱6內部尺寸為 660mmX 640mmX 680mm,模型箱6前後兩面均選用厚度為20mm的透明有機玻璃,在模型箱6 左右側面底部設有四個排水閥，如果採用空中落砂法制樣，四個排水閥可以作為進水管，自由水面慢慢從底部上升到頂部，製成飽和度較高的試樣。由於模型箱6的前後兩面為透明有機玻璃，一面通過高清數位相機拍攝砂土液化宏觀照片，觀測液化發生發展過程中的宏觀液化現象；另一面通過高速細觀攝像機I實時動態記錄砂土顆粒運動細觀圖像，從細觀層面揭示砂土液化機理。由於有機玻璃耐磨性較差，多次試驗後可能會刮花，從而影響到細觀圖像的拍攝效果，所以在需要進行細觀觀測的位置設置三塊耐磨性較好的鋼化玻璃7，試驗過程中分別記錄飽和砂土地層不同位置的顆粒細觀組構變化。圖4和圖5分別為小型振動臺理論加速度和實測加速度，比較實測和理論加速度曲線發現，實測加速度曲線出現了「尖刺」形波峰和波谷，而理論加速度曲線在峰值階段表現的比較平滑。圖5實測的加速度峰值除去個別值外大部分為O. 23g，比理論加速度大
9.52%，說明小型振動臺的設計是合理的，且滿足試驗的定性研究要求。試驗過程中，打開觀測輔助光源2，由高速細觀攝像機I全程動態攝入砂土細觀結構變化，並自動傳輸並儲存在計算機中，在攝錄錄像中截取某些特定時刻的數字圖像照片， 導入數字圖像細觀結構分析系統，在得到土體宏觀試驗現象的同時，得到砂土顆粒細觀組構參量的定量演化統計結果。下面結合福建標準砂液化試驗的具體試驗內容，對本實用新型的具體實施方式
和操作步驟作進一步描述。試驗過程與內容如下(I)試樣製備試驗材料為福建標準砂，平均粒徑O. 34mm,不均勻係數I. 542，曲率係數I. 104，屬級配均勻的中砂。水中落砂法製備試樣，控制相對密度40%，制樣到相應高度時埋設孔壓計和土壓計，砂樣高度為450mm,頂層覆蓋一層50mm厚飽和粘土。(2)連接和調試好各採集儀器，將應變式傳感器通電預熱，孔壓計應於每次試驗前進行標定，保證測試結果滿足線性要求，不出現漂移。加速計採集儀設定好保存路徑和採樣頻率。(3)安裝好高速細觀攝像機I和開啟觀測輔助光源2，調節焦距使高速細觀攝像機 I能拍攝到清晰的顆粒圖像。在模型箱6的另一側固定和架設好高清數位相機和燈源，調試好相機，通過計算機控制相機快門並設定拍攝間隔。保證相機垂直於模型箱側面。(4)實驗過程中採用秒表進行計時。同時調整動態採集儀和加速度採集儀的開始工作時間一致，以助於同組試驗的橫向比較。(5)在施加振動荷載前，全面檢查一次所有儀器工作是否正常。在所有準備工作都完成後，開啟聞速細觀攝像機開始米集細觀圖像，施加振動荷載，用秒表記錄試驗時間。確保所有儀器同時開始採集數據。(6)試驗結束後，及時按各個試驗編號保存數據，洗乾淨模型箱，孔壓計浸泡在水中，以便下一次試驗。[0032](7)數字圖像分析從攝錄錄像中截取某些特定時刻的數字圖像照片(譬如，液化前、液化時、液化後)，將這些照片導入數字圖像細觀結構分析系統，分析得到細觀組構參量的定量演化統計規律。本實例的技術參數如下I、土樣條件可以完成粉土、砂土、含粉粒砂土等均一土樣以及分層土的宏細觀試驗，可以完成原狀試樣和重塑試樣的宏細觀試驗。2、施加激振力底部施加的激振波形可以通過調整R值調整振動強度，並通過變化皮帶輪的組合調整激振頻率1Ηζ，2Ηζ和3Hz。3、施加歷史可以模擬各種加載歷史，比如先小震再大震或者先大震再小震；4、土樣的細觀結構觀測通過對對小型振動臺的改進，在透明玻璃側壁安裝高速細觀攝像機開發遠程控制系統，可以實時動態攝錄試驗全過程土樣的細觀結構變化，結合數字圖像細觀結構分析系統可以分析得到砂土顆粒各主要細觀組構參量的定量演化規律。以上顯示和描述了本實用新型的基本原理、主要特徵和本實用新型的優點。本行業的技術人員應該了解，本實用新型不受上述實例的限制，上述實例和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和範圍的前提下，本實用新型還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型範圍內。本實用新型要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
權利要求1.一種小型振動臺可視化細觀結構動態測量系統，其特徵在於包括振動臺和觀測系統，振動臺包括電機、偏心輪和振動臺底座，電機設有主動皮帶輪，偏心輪設有被動皮帶輪， 主動皮帶輪和被動皮帶輪之間由皮帶連接；偏心輪通過連杆與振動臺底座相連，振動臺底座下方設有個帶凹槽的輪子，輪子與底部的凸形導軌點接觸；觀測系統模型箱、高清數位相機、高速細觀攝像機和輔助光源，模型箱置于振動臺底座之上，模型箱的前後兩面採用透明有機玻璃，一面設有透過該面透明有機玻璃對砂土進行觀測的高速細觀攝像機和輔助光源，另一面設有透過該另一面透明有機玻璃對砂土進行觀測的高清數位相機。
2.如權利要求I所述的小型振動臺可視化細觀結構動態測量系統，其特徵在於所述電機功率為3kw的三相交流電機與擺線針輪減速機。
3.如權利要求I所述的小型振動臺可視化細觀結構動態測量系統，其特徵在於所述主動皮帶輪和被動皮帶輪分別設有三個大小不同的皮帶槽，皮帶在主動皮帶輪和被動皮帶輪的不同槽之間切換可以分別獲得1Ηζ、2Ηζ和3Hz三種水平振動頻率。
4.如權利要求I所述的小型振動臺可視化細觀結構動態測量系統，其特徵在於所述偏心輪在曲柄圓盤開槽。
5.如權利要求I所述的小型振動臺可視化細觀結構動態測量系統，其特徵在於所述凸形導軌採用經過熱處理的鋼材加工製作而成，表面經過打磨光滑處理，安裝過程採用水準尺進行調平。
6.如權利要求I所述的小型振動臺可視化細觀結構動態測量系統，其特徵在於所述高速細觀攝像機採用螺栓固定在模型箱的側壁上。
7.如權利要求I所述的小型振動臺可視化細觀結構動態測量系統，其特徵在於所述測輔助光源採用工業LED環形光源。
8.如權利要求I所述的小型振動臺可視化細觀結構動態測量系統，其特徵在於所述模型箱內部尺寸為660mmX640mmX680mm,前後兩面均選用厚度為20mm的透明有機玻璃， 且模型箱左右側面底部設有四個排水閥。
9.如權利要求I所述的小型振動臺可視化細觀結構動態測量系統，其特徵在於所述透明有機玻璃的細觀觀測的位置設置三塊鋼化玻璃。
專利摘要本實用新型公開了一種小型振動臺可視化細觀結構動態測量系統，包括電機、偏心輪、振動臺底座、模型箱、高清數位相機、高速細觀攝像機和輔助光源，電機設有主動皮帶輪，偏心輪設有被動皮帶輪，主動皮帶輪和被動皮帶輪之間由皮帶連接；偏心輪通過連杆與振動臺底座相連，振動臺底座下方設有個帶凹槽的輪子，輪子與底部的凸形導軌點接觸；模型箱置于振動臺底座之上，模型箱的前後兩面採用透明有機玻璃，一面設有透過該面透明有機玻璃對砂土進行觀測的高速細觀攝像機和輔助光源，另一面設有透過該另一面透明有機玻璃對砂土進行觀測的高清數位相機。本實用新型不僅能測試土樣的應力應變等宏觀力學量變化，還能直觀動態的觀測到土體細觀結構的變化。
文檔編號G01N21/85GK202351181SQ201120511238
公開日2012年7月25日 申請日期2011年12月9日 優先權日2011年12月9日
發明者周健, 封淵惟, 賈敏才, 陳小亮 申請人:同濟大學