[發明專利]一種用于土工離心試驗的塔式多功能自動化土體加速裝置

在審

• 申請號: 202010111268.8
• 申請日: 2020-02-24
• 公開（公告）號: CN111337221A
• 公開（公告）日: 2020-06-26
• 發明（設計）人: 黃雨;張貝
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00;G01N33/24
• 代理公司: 上?？剖⒅R產權代理有限公司 31225
• 代理人: 宣慧蘭

本發明涉及一種用于土工離心試驗的塔式多功能自動化土體加速裝置，包括：設置在離心機吊籃上的底板；模型箱，設置在底板上，用于模擬流體?結構相互作用；加速裝置，包括加速通道、擋板、多功能電機，加速通道豎直設置且下端與模型箱的頂部連通，擋板可轉動的設置在加速通道中，用于初始承載土樣，多功能電機的電機絲桿控制擋板的開合；圖像采集裝置，包括高速相機和光源，高速相機通過相機架設置在底板上。與現有技術相比，本發明不僅可以還原大變形土體流動地質災害的高速特征，還具備不同的加速等級，有利于研究沖擊速度對致災機制的影響，可以不借助外部荷載進行加速，充分利用離心機營造的超重力離心場，因此經濟性好且操作簡便。

技術領域

本發明涉及工程地質領域，尤其是涉及一種用于土工離心試驗的塔式多功能自動化土體加速裝置。

背景技術

近年來，泥石流、碎屑流、高速遠程滑坡等地質災害頻發，造成了嚴重的人員傷亡和經濟損失。此類大變形土體流動型災害一個顯著的特點在于超高的運動速度，例如2015年深圳光明新區重大滑坡，最大速度超過20m/s；青川東河口高速遠程滑坡平均運動速度超過25m/s。超高的運動速度攜帶著巨大的沖擊能量，因此破壞力極大，造成運動路徑上的工程結構大量被沖毀。關于其防治理論與技術一直是全世界范圍內的一大難題?；诔Ｒ幹亓Φ奈锢砟Ｐ驮囼炇悄壳把芯看祟惖刭|災害的主要手段，但是存在兩個問題：其一，1g重力條件下的縮尺模型難以再現大變形土體流動的高速特征或實現難度較大；其二，常規重力模型試驗難以有效反映巖土材料與應力相關的變形特征。離心模型試驗通過虛擬的高倍重力場不僅可以還原原型的空間維度，還可以提供與原型相似的應力場，因此有效解決了上述兩個問題。但是離心試驗目前并未在這一方面得到有效利用，其中一個重要的原因在于缺少用以還原大變形土體流動地質災害的高速特征的土體加速裝置。

此類裝置的難點在于：

(1)目前，世界范圍內正在服役的離心機可搭載的模型箱大都較小，在狹小的空間內，土體加速行程十分有限，因此要獲得不同水平的土體運動速度難度較大，即功能性比較差；

(2)離心機運轉時，土體受到巨大的離心力，對土體加速時，附加荷載必須滿足幾個條件：其一，加載速度要足夠快且要自動化控制，擋板開啟的同時，荷載瞬間施加；其二，加速完成后，附加荷載要能及時解除；其三，附加荷載的量級至少要與離心力在一個水平。滿足以上三個條件要求的加載方式大都實現代價比較大，即經濟性不足；

(3)高倍重力環境下，對離心機吊籃上的附加裝置安全性的要求也會大幅增加，因此，附加裝置的固定至關重要，即如何滿足安全性要求；

(4)超重力環境下，初始狀態時土體對擋板的壓力較1g重力下呈幾十倍的增加，巨大的壓力下，如何固定擋板保持其緊鎖狀態是一大技術難題，而且如何快速開啟擋板，防止擋板開啟速度過慢影響土體運動是另一大技術難題；

(5)全封閉的試驗環境下，土體加速過程如何實現遠程自動化操作也是一項技術難題。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的難以還原大變形土體流動地質災害的高速特征的缺陷而提供一種用于土工離心試驗的塔式多功能自動化土體加速裝置。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種用于土工離心試驗的塔式多功能自動化土體加速裝置，包括設置在離心機吊籃上的底板，還包括：

模型箱，設置在所述底板上，用于模擬流體-結構相互作用；

加速裝置，包括加速通道、擋板、多功能電機，所述加速通道豎直設置且下端與所述模型箱的頂部連通，所述擋板可轉動的設置在加速通道中，用于初始承載土樣，所述多功能電機的電機絲桿控制所述擋板的開合；

圖像采集裝置，包括高速相機和光源，所述高速相機通過相機架設置在所述底板上。