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一种用于大型 振动台实验平台的土体流动模型试验系统

阅读：284发布：2024-01-01

专利汇可以提供一种用于大型振动台实验平台的土体流动模型试验系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种用于大型振动台实验平台的土体流动模型试验系统，该试验系统包括：模型箱：用以模拟不同坡度的山体表面和不同摩擦强度下，土体在地震荷载作用下的运动情况；数据采集装置：包括计算机、设置在模型箱正面且与计算机连接的高速摄像机、设置在模型箱一侧的三维激光扫描仪以及分别通过数据线与现有的大型振动台数据采集装置连接的埋设在模型箱土体内的传感器、设置在模型箱侧面和底部的监控摄像机。与现有技术相比，本发明具有方便自动、开门便捷可调、避免撞击和摇摆、准确捕捉数据等优点。，下面是一种用于大型振动台实验平台的土体流动模型试验系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于大型振动台实验平台的土体流动模型试验系统，其特征在于，该试验系统包括：
模型箱(1)：用以模拟不同坡度的山体表面和不同摩擦强度下，土体在地震荷载作用下的运动情况，所述的模型箱(1)包括模型箱框架(101)、设置在模型箱框架(101)四面的钢化玻璃(102)以及设置在模型箱框架(101)底面的模型箱底板(104)，所述的模型箱(1)底部通过压板(103)与振动台固定，其内部设有挡板(2)和倾斜滑面(3)，当挡板(2)关闭时，其与倾斜滑面(3)形成放置土体的空间，所述的挡板(2)通过自动开门装置(4)控制挡板(2)开闭，所述的挡板(2)包括固定在模型箱框架(101)上的挡板转轴(201)以及绕挡板转轴(201)转动且相互呈直角设置的伸缩钢板(202)和固定架(202-1)，所述的伸缩钢板(202)由通过销钉(202-4)相互连接且上下错位的上部挡板(202-3)和下部挡板(202-5)，所述的上部挡板(202-3)顶部与挡板转轴(201)连接，所述的下部挡板(202-5)顶部通过定位螺杆(202-2)与固定架(202-1)连接，用以调节下部挡板(202-5)的伸缩长度，所述的倾斜滑面(3)包括滑面底板(301)、滑面支撑梁(302)以及与滑面支撑梁(302)连接的滑面变角度螺杆(303)，所述的滑面支撑梁(302)通过螺栓与模型箱框架(101)连接，所述的滑面底板(301)通过改变滑面变角度螺杆(303)的长度实现滑面角度的调节，所述的自动开门装置(4)包括旋转力臂(402)、耗能限位器(404)和步进电机(403)，所述的步进电机(403)通过旋转力臂(402)带动挡板转轴(201)转动，并且通过变速器(401)调节转速，所述的步进电机(403)的步进电机转轴(403-1)上设有焊接限位块(403-2)，所述的焊接限位块(403-2)随步进电机转轴(403-1)转动带动旋转力臂(402)动作，所述的耗能限位器(404)包括连接杆(404-1)、引导槽(404-
2)、限位开关(404-3)和耗能橡胶底座(404-4)，所述的引导槽(404-2)为U型结构，并通过连接杆(404-1)固定在模型箱框架(101)上，其开口方向正对旋转力臂(402)，所述的限位开关(404-3)和耗能橡胶底座(404-4)分别设置在引导槽(404-2)内，所述的限位开关(404-3)为单向开关，当旋转力臂(402)从关门状态向开门状态旋转时自动打开，反向时则关闭，用以保证土体流动过程中挡板(2)处于打开状态；
数据采集装置：包括计算机(6)、设置在模型箱(1)正面且与计算机(6)连接的高速摄像机(5)、设置在模型箱一侧的三维激光扫描仪(8)以及分别通过数据线(10)与大型振动台数据采集装置连接的埋设在模型箱(1)土体内的传感器、设置在模型箱(1)侧面和底部的监控摄像机(7)；
该实验系统的工作流程包括以下步骤：
1)采用高强螺栓通过模型箱的底部压板与振动台台面连接，保证模型箱与振动台同步运动；
2)调节滑面变角度螺杆使滑面倾角达到所需角度，并且通过调节挡板的定位螺杆使挡板的高度达到预设高度，保证挡板与倾斜滑面组成密封空间；
3)架设并调节设置高速摄像机，保证采集高质量的土体流动照片，并在模型箱周围架设并调试监控摄像机，观测土体流动的局部特征，架设并调试三维激光扫描仪，保证准确捕捉土体流动堆积后的三维构型；
4)关闭挡板，调节步进电机转轴上焊接限位块的位置，使焊接限位块与旋转力臂紧密连接，试验开始前挡板处于关闭状态；调节耗能限位器的位置，保证旋转力臂下落后能够准确进入引导槽，从而使土体流动过程中挡板处于打开状态；
5)按试验所需密实度，分层将土体填入滑面顶部，击实至预定高度，并在预定位置埋设传感器，将传感器与数据采集装置相连，打开高速摄像机、监控摄像机及数据采集装置，准备开始试验；
6)调节变速器的调速旋钮，在振动台施加所需地震荷载时，接通步进电机的电源，使步进电机在预定速度下旋转，旋转力臂与焊接限位块脱开，旋转力臂在惯性下开始摆动，带动挡板转轴旋转，使挡板打开，当旋转力臂运动到耗能限位器处，旋转力臂底部推开限位开关，进入引导槽，限位开关关闭，旋转力臂与耗能橡胶底座碰撞后减速静止，挡板处于打开状态；
7)挡板打开后，土体在重力和地震荷载作用下开始大变形流动，在此过程中，通过传感器记录土体破坏前的动力响应，采用高速摄像机记录土体流动全过程的流动行为，监控摄像机采集土体流动局部特征，土体流动停止后，通过打开限位开关，使旋转力臂与步进电机转轴处的焊接限位块紧密靠接，从而关闭挡板；打开三维激光扫描仪，扫描土体堆积体的三维构型；
8)存储振动台数据采集仪、高速摄像机、监控摄像机及三维激光扫描仪的试验数据，试验过程结束。

说明书全文

一种用于大型振动台实验平台的土体流动模型试验系统

技术领域

[0001] 本发明涉及工程地质领域，尤其是涉及一种用于大型振动台实验平台的土体流动模型试验系统。

背景技术

[0002] 地震触发土体大变形流动，如高速远程滑坡、碎屑流、砂土液化等，因其具有运动速度快、波及范围广、致灾能力强等特点，往往导致大规模的建(构)筑完全摧毁甚至直接掩埋，造成毁灭性的灾难后果。因此，开展地震作用下土体流动行为研究，对于此类灾害的防灾减灾具有重要作用。基于严格相似设计的模型试验，因其具有较高的安全性、可重复性及可控性，克服了现场观测危险性高、不确定性强及数值计算复杂等缺点，成为研究土体流动问题的重要手段。目前关于动力作用下土体流动问题的研究主要基于小型简易振动台开展，通过手动抽挡板或者直接通过电机转轴带动挡板打开的方式进行试验，初步探讨了动力作用下土体流动的规律。但是，该类振动台仅可产生正弦激震，无法模拟真实地震动；其次，此类试验由于尺寸太小，边界效应明显，严重影响试验效果。大型振动台作为研究地震地质灾害最先进的研究手段，逐渐受到国内外学者的广泛关注。然而，目前尚缺少一种可直接在大型振动台实验平台上使用的土体流动模型试验系统。

[0003] 此类系统的研制的难点在于：

[0004] (1)随着模型尺寸急剧增大，土体在斜面上产生的下滑力将急剧增加，直接采用电机自身的自锁力将无法平衡土体产生的下滑力，因此如何保证制样时挡板处于关闭紧锁状态是该系统研制的难点之一；

[0005] (2)在强地震荷载作用下，如何保证挡板快速打开并进入固定状态，使土体开始在地震作用下产生流动，是该系统研制的另一难点；

[0006] (3)坡面角度是影响滑坡运动行为的关键因素，传统技术常通过螺杆等直接改变模型箱实现坡面角度的改变，但随着模型质量增加，惯性力不断增强，该方式无法保证模型箱与振动台的紧固连接，从而影响地震动的施加，因此可靠的变角度功能是该系统必须具备的功能；

[0007] (4)基于大型振动台的模型试验需进行时间缩尺，如何保证在极短的时间内准确获取地震作用下土体流动的高精度图像资料是保证试验成功的关键。因此，亟待解决上述关键技术难题，发明一种能够用于振动台实验平台的土体流动模型试验系统，从而深入研究地震作用下土体流动行为，揭示其流动演化规律，为此类地质灾害的防灾减灾提供科学依据。

发明内容

[0008] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于大型振动台实验平台的土体流动模型试验系统。

[0009] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

[0010] 一种用于大型振动台实验平台的土体流动模型试验系统，该试验系统包括：

[0011] 模型箱：用以模拟不同坡度的山体表面和不同摩擦强度下，土体在地震荷载作用下的运动情况；

[0012] 数据采集装置：包括计算机、设置在模型箱正面且与计算机连接的高速摄像机、设置在模型箱一侧的三维激光扫描仪以及分别通过数据线与现有的大型振动台数据采集装置连接的埋设在模型箱土体内的传感器、设置在模型箱侧面和底部的监控摄像机。

[0013] 所述的模型箱包括模型箱框架、设置在模型箱框架四面的钢化玻璃以及设置在模型箱框架底面的模型箱底板，所述的模型箱底部通过压板与振动台固定，其内部设有挡板和倾斜滑面，当挡板关闭时，其与倾斜滑面形成放置土体的空间，所述的挡板通过自动开门装置控制挡板开闭。

[0014] 所述的挡板包括固定在模型箱框架上的挡板转轴以及绕挡板转轴转动且相互呈直角设置的伸缩钢板和固定架。

[0015] 所述的伸缩钢板由通过销钉相互连接且上下错位的上部挡板和下部挡板，所述的上部挡板顶部与挡板转轴连接，所述的下部挡板顶部通过定位螺杆与固定架连接，用以调节下部挡板的伸缩长度。

[0016] 所述的倾斜滑面包括滑面底板、滑面支撑梁以及与滑面支撑梁连接的滑面变角度螺杆，所述的滑面支撑梁通过螺栓与模型箱框架连接，所述的滑面底板通过改变滑面变角度螺杆的长度实现滑面角度的调节。

[0017] 所述的自动开门装置包括旋转力臂、耗能限位器和步进电机，所述的步进电机通过旋转力臂带动挡板转轴转动，并且通过变速器调节转速。

[0018] 所述的步进电机的步进电机转轴上设有焊接限位块，所述的焊接限位块随步进电机转轴转动带动旋转力臂动作。

[0019] 所述的耗能限位器包括连接杆、引导槽、限位开关和耗能橡胶底座，所述的引导槽为U型结构，并通过连接杆固定在模型箱框架上，其开口方向正对旋转力臂，所述的限位开关和耗能橡胶底座分别设置在引导槽内。

[0020] 所述的限位开关为单向开关，当旋转力臂从关门状态向开门状态旋转时自动打开，反向时则关闭，用以保证土体流动过程中挡板处于打开状态。

[0021] 该实验系统的工作流程包括以下步骤：

[0022] 1)采用高强螺栓通过模型箱的底部压板与振动台台面连接，保证模型箱与振动台同步运动；

[0023] 2)调节滑面变角度螺杆使滑面倾角达到所需角度，一般为25°至45°，并且通过调节挡板的定位螺杆使挡板的高度达到预设高度，保证挡板与倾斜滑面组成密封空间；

[0024] 3)架设并调节设置高速摄像机，保证采集高质量的土体流动照片，并在模型箱周围架设并调试监控摄像机，观测土体流动的局部特征，架设并调试三维激光扫描仪，保证准确捕捉土体流动堆积后的三维构型；

[0025] 4)关闭挡板，调节步进电机转轴上焊接限位块的位置，使焊接限位块与旋转力臂紧密连接，试验开始前挡板处于关闭状态；调节耗能限位器的位置，保证旋转力臂下落后能够准确进入引导槽，从而使土体流动过程中挡板处于打开状态；

[0026] 5)按试验所需密实度，分层将土体填入滑面顶部，击实至预定高度，并在预定位置埋设传感器，将传感器与数据采集装置相连，打开高速摄像机、监控摄像机及数据采集装置，准备开始试验；

[0027] 6)调节变速器的调速旋钮，在振动台施加所需地震荷载时，接通步进电机的电源，使步进电机在预定速度下旋转，旋转力臂与焊接限位块脱开，旋转力臂在惯性下开始摆动，带动挡板转轴旋转，使挡板打开，当旋转力臂运动到耗能限位器处，旋转力臂底部推开限位开关，进入引导槽，限位开关关闭，旋转力臂与耗能橡胶底座碰撞后减速静止，挡板处于打开状态；

[0028] 7)挡板打开后，土体在重力和地震荷载作用下开始大变形流动，在此过程中，通过传感器记录土体破坏前的动力响应，采用高速摄像机记录土体流动全过程的流动行为，监控摄像机采集土体流动局部特征，土体流动停止后，通过打开限位开关，使旋转力臂与步进电机转轴处的焊接限位块紧密靠接，从而关闭挡板；打开三维激光扫描仪，扫描土体堆积体的三维构型；

[0029] 8)存储振动台数据采集仪、高速摄像机、监控摄像机及三维激光扫描仪的试验数据，试验过程结束。

[0030] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：

[0031] 一、方便自动：鉴于目前研究设备中缺少专门基于大型振动台进行地震作用下土体流动行为研究的试验系统，本发明基于大型振动台试验平台，设计开发了一套可用于研究地震荷载作用下土体流动行为的试验系统。该系统可方便的实现不同试验条件(滑面倾角、土体质量、滑面摩擦条件)下土体在地震荷载下的运动行为，自动化地采集存储土体运动图像及三维表面构型，进一步可揭示地震荷载作用下土体运动的动力特征；

[0032] 二、开门便捷可调：本发明创新性的采用旋转力臂控制开门，实现了采用较小的步进电机自锁力平衡大量土体产生的下滑力，克服了传统直接将电机与挡板转轴相连而导致装样时挡板脱开的缺点，进一步借助调速器，实现了以不同旋转速度开门的目标；

[0033] 三、避免撞击和摇摆：本发明创新性的设置了耗能限位器，保证挡板打开后准确进入预定位置，同时避免产生撞击及摇摆现象；

[0034] 四、准确捕捉数据：本发明通过布置传感器、高速摄像机及三维激光扫描仪，实现了地震荷载作用下土体动力响应、流动行为及堆积特性的准确捕捉附图说明

[0035] 图1为本发明的模型试验系统总体示意图

[0036] 图2为模型试验装置示意图，其中，图(2a)右侧正视图，图(2b)左侧正视图，图(2c)后视图

[0037] 图3为伸缩挡板示意图

[0038] 图4为耗能限位器示意图

[0039] 图5为步进电机与旋转力臂连接示意图

[0040] 图中标记说明：

[0041] 1、模型箱；2、挡板；3、倾斜滑面；4、自动开门装置；401、变压器及变速器控制箱；5、高速摄像机；6、计算机；7、监控摄像机；8、三维激光扫描仪；9、三维激光扫描仪工作平台；10、连接线；101、模型箱框架；102、钢化玻璃；103、压板；104、模型箱底板；201、挡板转轴；
202、伸缩钢板；202-1、定位螺杆固定梁；202-2、定位螺杆；202-3、上部挡板；202-4、销钉；
202-5、下部挡板；301、滑面底板；302、滑面支撑梁；303、滑面变角度螺杆；401、变速器，402、旋转力臂；403、步进电机；404、耗能限位器；404-1、连接杆；404-2、引导槽；404-3、限位开关；404-4、耗能橡胶底座；403-1、步进电机转轴；403-2、焊接限位块；402、旋转力臂。

具体实施方式

[0042] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

[0043] 实施例

[0044] 如图1所示的一种用于大型振动台实验平台的土体流动模型试验系统，该系统包括模型箱1、挡板2、倾斜滑面3、自动开门装置4、变压器及变速器控制箱401、高速摄像机5、计算机6、监控摄像机7、三维激光扫描仪8、三维激光扫描仪工作平台9、连接线10、模型箱框架101、钢化玻璃102、压板103、模型箱底板104、挡板转轴201、伸缩钢板202、滑面底板301、滑面支撑梁302、滑面变角度螺杆303、旋转力臂402、步进电机403、耗能限位器404、连接杆404-1、引导槽404-2、限位开关404-3、耗能橡胶底座404-4、步进电机转轴403-1、焊接限位块4.3-2。模型箱1通过底部及四周模型箱框架101进行搭建，模型箱框架101四周通过安装钢化玻璃102实现密封，同时便于高速摄像设备采集数据，模型箱框架101底部通过焊接钢板形成平整模型箱底板104，便于铺设不同材料形成不同摩擦表面，用于研究不同摩擦强度下，土体在地震荷载作用下的运动情况；模型箱1通过在底部四周设置压板103，压板103通过高强度螺栓与振动台实验平台进行连接，保证振动台产生的地震荷载真实有效的施加在模型箱1上；模型箱1通过设置倾斜滑面3模拟不同坡度的山体表面；模型箱1一侧设置挡板
2，与倾斜滑面3形成密封空间，用于装填试验所用土体；挡板2可通过自动开门装置4打开，使土体在地震荷载和重力作用下进行流动；土体在地震荷载下的动力响应(如加速度、土压力等)，可通过埋置于土中的传感器进行测量，传感器通过数据连接线10与现有的大型振动台数据采集装置相连，实现数据的自动采集与记录；为观测土体在地震荷载下的流动行为，通过在模型箱正面设置高速摄像机5进行图像采集，高速摄像机5通过数据线10与计算机6相连，实现高速摄像机5的设置与数据采集存储；同时在侧面和顶部设置监控摄像机7，观测土体运动带特定位置行为特性；同时为准确观测土体滑动后的整体构型，通过在模型箱一侧架设三维激光扫描仪8准确记录土体滑动后的三维高程数据；三维激光扫描仪8放置于一定高度的三维激光扫描仪工作平台9上，保证能够捕捉到土体的整体构型。

[0045] 倾斜滑面3通过滑面变角度螺杆303与滑面支撑梁302进行连接，滑面支撑梁302通过两侧螺栓与模型箱1进行连接，通过调节滑面变角度螺杆303的长度，实现滑面不同角度的调节；

[0046] 如图3所述，挡板2通过挡板转轴201与模型箱1连接，底部为伸缩钢板202，伸缩钢板202为两块钢板通过销钉202-4连接，上部挡板202-3直接与挡板转轴201相连，下部挡板202-5通过定位螺杆202-2与挡板转轴201相连，通过定位螺杆202-2可调节下部挡板202-5的伸缩长度，实现挡板2长度的调节；

[0047] 自动开门装置4由旋转力臂402、耗能限位器404和步进电机403组成。旋转力臂402一端与挡板转轴201相连，一端与步进电机403的转轴相连，通过设置旋转力臂402，实现了通过较小的步进电机403自锁力控制挡板自动打开关闭的功能；

[0048] 如图4所示，耗能限位器404主要由连接杆404-1、引导槽404-2、限位开关404-3及耗能橡胶底座404-4组成，耗能限位器404通过连接杆404-1与模型箱1相连；引导槽404-2保证旋转力臂402准确进入预定位置，避免与模型箱1碰撞；限位开关404-3为单向装置，仅当旋转力臂402从关门状态向开门状态旋转时自动打开，反向时无法自动打开，从而保证土体流动过程中挡板2处于打开状态；耗能橡胶底座404-4可有效降低高速旋转力臂402开门时产生的冲击力，保证旋转力臂402快速降低速度进入固定状态；

[0049] 如图5所示，步进电机转轴403-1通过焊接限位块403-2与旋转力臂相连，通过转轴旋转可实现焊接限位块403-2与旋转力臂402的自动脱离；并且步进电机403供电电压在人体所能承受的电压只能，保证了试验过程中的人员与设备安全；此外步进电机通过与变速器401连接，可实现不同的开门速度，从而可以模拟不同破坏状态下的土体运动；

[0050] 图像采集系统由放置在模型箱1正前方的高速摄像机5及若干监控摄像机7组成，高速摄像机5用于捕捉土体在地震荷载作用下的流动全过程高清图像，进一步结合图像粒子测速技术(PIV)可获得不同时刻土体表面的速度场；监控摄像机7可架设在不同位置，用于监测局部位置土体运动特征。

[0051] 在实际应用时，本发明的工作流程如下：

[0052] 1)采用高强螺栓通过模型箱1底部压板103与振动台台面连接，保证模型箱1与振动台能够同步运动；

[0053] 2)通过调节滑面变角度螺杆303使滑面3倾角达到所需角度，进一步通过调节挡板的定位螺杆202-2使挡板2的高度达到预设高度，保证挡板2与倾斜滑面3组成密封空间；

[0054] 3)架设并调节设置高速摄像机5，保证其能够采集到高质量的土体流动照片，并在模型箱周围架设并调试监控摄像机7，观测土体流动的局部特征；架设并调试三维激光扫描仪8，保证其能准确捕捉土体流动堆积后的三维构型；

[0055] 4)关闭挡板2，调节步进电机403转轴上的焊接限位块403-1位置，使焊接限位块403-1与旋转力臂402紧密连接，保证试验开始前挡板2处于关闭状态；调节耗能限位器404位置，保证旋转力臂402下落后能够准确进入引导槽404-2，从而使土体流动过程中挡板2处于打开状态；

[0056] 5)按试验所需密实度，分层将土体填入滑面顶部，击实至预定高度，并在预定位置埋设传感器，将传感器与振动台数据采集系统相连；打开高速摄像机、监控摄像机及振动台数据采集系统，准备开始试验；

[0057] 6)调节变速器401的调速旋钮，在振动台施加所需地震荷载时，接通步进电机403电源，使步进电机403在预定速度下旋转，旋转力臂402与焊接限位块403-2脱开，旋转力臂402在惯性下开始摆动，带动挡板转轴201旋转，使挡板打开，当旋转力臂402运动到耗能限位器404处，旋转力臂402底部推开限位开关，进入引导槽404-2，限位开关关闭，旋转力臂
402与耗能橡胶底座404-4碰撞后减速静止，挡板2处于打开状态；

[0058] 7)挡板2打开后，土体在重力和地震荷载作用下开始大变形流动；在此过程中，通过传感器记录土体破坏前的动力响应，采用高速摄像机5记录土体流动全过程的流动行为，借助监控摄像机7采集土体流动局部特征；土体流动停止后，通过打开限位开关404-4，使旋转力臂402与步进电机403转轴处的焊接限位块403-2紧密连接，从而关闭挡板；打开三维激光扫描仪8，扫描土体堆积体的三维构型；

[0059] 8)存储振动台数据采集仪、高速摄像机5、监控摄像机7及三维激光扫描仪8的试验数据，试验过程结束。

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