[發明專利]一種用于探究粗顆粒土振動壓實機理的試驗裝置和方法

在審

• 申請號: 202010165694.X
• 申請日: 2020-03-11
• 公開（公告）號: CN111272614A
• 公開（公告）日: 2020-06-12
• 發明（設計）人: 劉順凱;聶志紅;龔健;高翔;鄒國峰
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G01N15/00
• 分類號: G01N15/00;G01N19/00;G01N21/84
• 代理公司: 長春市恒譽專利代理事務所(普通合伙) 22212
• 代理人: 鞠傳龍

1.一種用于探究粗顆粒土振動壓實機理的試驗裝置，其特征在于：包括有箱體、振動電機、動態數據采集儀、電腦和攝像頭，其中箱體的上部設置有荷載板，荷載板的上部在箱體頂部的兩個側邊上跨設有導軌，導軌頂端的橫梁上穿設有限位桿，振動電機的底座穿設在限位桿的底端，對應振動電機底座的荷載板上裝配有動壓力傳感器，荷載板上還設置有動位移傳感器，動壓力傳感器和動位移傳感器與動態數據采集儀相連接，動壓力傳感器和動位移傳感器能夠把采集到的數據實時傳輸給動態數據采集儀，動態數據采集儀與電腦相連接，動態數據采集儀能夠把收集到的數據實時傳輸到電腦進行儲存和處理，箱體前后的兩側板由鋼化玻璃組成，攝像頭對應鋼化玻璃的側板設置，攝像頭與電腦相連接，攝像頭能夠把箱體內土體的實時影像傳輸到電腦進行儲存和處理。

2.根據權利要求1所述的一種用于探究粗顆粒土振動壓實機理的試驗裝置，其特征在于：所述的箱體的下部設置有活動擋板，活動擋板處設置有出料口，由鋼化玻璃組成的箱體側板上設置有刻度尺。

3.根據權利要求1所述的一種用于探究粗顆粒土振動壓實機理的試驗裝置，其特征在于：所述的振動電機還連接有調頻器，通過調頻器調節振動電機的振動頻率，振動電機的底部連接有荷載傳遞板，荷載傳遞板的底部與動壓力傳感器的頂端相連接，動壓力傳感器的底部設在荷載板頂面的限位環內。

4.根據權利要求1所述的一種用于探究粗顆粒土振動壓實機理的試驗裝置，其特征在于：所述的限位桿設置有四根，限位桿與導軌橫梁的連接處設置有自攻螺絲口進行連接，限位桿在自攻螺絲口處通過螺栓固定和調節位置高度，通過四根限位桿限制振動電機沿限位桿進行上下振動。

5.根據權利要求1所述的一種用于探究粗顆粒土振動壓實機理的試驗裝置，其特征在于：所述的動位移傳感器設置有四個，分別設在荷載板對角線1/3位置處，每個動位移傳感器均裝配在磁性座里面。

6.根據權利要求1所述的一種用于探究粗顆粒土振動壓實機理的試驗裝置，其特征在于：所述的攝像頭的型號為Teli 12M25BMP，攝像頭為高速高清攝像頭。

7.一種用于探究粗顆粒土振動壓實機理的試驗方法，其特征在于：其方法如下所述：

步驟一、將可視化箱體放置在一個光線充足、地面平整且周圍無擾動的室內，并將篩選好的粗顆粒土均勻按設定厚度分層鋪裝在箱體內，在鋪裝過程中測定粗粒土質量，其鋪裝高度通過鋼化玻璃上的刻度尺讀數控制，且保證上表面平整；

步驟二、在鋪裝好的粗粒土上方，從下到上依次安裝荷載板、動壓力傳感器、荷載傳遞板和振動電機，并將限位桿從導軌頂端橫梁上的自攻螺絲口穿入，并使限位桿的底端插設到振動電機底座的螺栓孔內，在限位桿的底部到達荷載板上方10mm處停止，并通過導軌橫梁上的自攻螺絲口處用螺栓把限位桿進行固定；

步驟三、將動位移傳感器用磁性座固定在箱體左右兩側板上，并將探頭分別搭載在荷載板對角線1/3位置處；

步驟四、將調頻器與振動電機連接，以控制振動電機輸出頻率和振幅大小；

步驟五、將動壓力傳感器、動位移傳感器與動態數據采集儀相連，并連接到電腦，通過采集軟件設定采集頻率與振動電機輸出頻率一致；

步驟六、將攝像頭固定在箱體鋼化玻璃面正前方，并連接到電腦，設定拍攝頻率與振動電機輸出頻率一致，自動采集試驗過程中的數字圖像并存儲到電腦；

步驟七、啟動振動電機開始試驗，當動位移傳感器讀數達到指定值或在一定時間內維持不變時，停止試驗，按安裝順序反向拆除各設備，抽開箱體底部活動擋板將顆粒土體取出；

步驟八、更換不同顆粒土體或改變荷載組合，即不同的荷載或頻率，重復步驟一到步驟七；

步驟九、對采集的數據和數字圖像進行處理。

8.根據權利要求7所述的一種用于探究粗顆粒土振動壓實機理的試驗方法，其特征在于：所述的步驟九中的處理方法如下：

①、取四個動位移傳感器平均值作為粗粒土的整體位移，并用該數據作為粗粒土壓實度變化指標，并作壓實度-時間曲線；

②、同一時刻讀取的動壓力傳感器讀數與動位移傳感器讀數的平均值的乘積作為粗粒土該時刻的瞬時能量耗散，并作瞬時能量耗散-時間曲線，曲線從前一時刻到后一時刻的積分值即為該時間段內能量耗散值；

③、對數字圖像進行處理，具體處理方式為利用電腦中的圖像分析系統PhotoInfor和結果后處理系統PostViewer對數字圖像中的顆粒滑移和轉動參數進行提取，統計顆粒運動情況，即滑移和轉動量，分別建立顆粒位移量-時間曲線和顆粒轉動量-時間曲線；

④、將①中壓實度按等差值進行劃分成i等分，并標記為壓實度區間n1,n2…ni，并結合各時間段內顆粒運動量來看，找出該區間內對壓實起主導作用的顆粒運動方式，即滑移和轉動；

⑤、根據②中曲線分別計算t1,t2,…ti時間內能量耗散大小E1，E2…Ei，在忽略其他相對較小的可能的能量耗散途徑之后，根據各區間內能量耗散大小和各運動情況，即滑移和轉動量，建立滑移量和轉動量與能量耗散之間的相關性；

⑥、通過④和⑤的結果將顆粒的微觀運動情況與宏觀的能量耗散相結合，從而從宏觀層面探究粗顆粒土的壓實機理。