专利名称：小型振动台可视化细观结构动态测量系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种土体拟正弦动力荷载作用时对土体的细观结构和宏观特性进行动态观测的试验仪器，特别是对砂土细观结构进行动态观测和记录的小型振动台可视化细观结构动态测量系统。
背景技术：
针对砂土液化的试验研究主要有动三轴试验、动单剪仪试验、动扭剪仪试验、振动台试验和动力离心机试验。以往的试验主要从超孔隙水压力、土层加速度响应和土层位移等宏观试验现象研究砂土液化宏观机理。土是由散粒状介质组成的颗粒集合体，外荷载作用下土体微结构的变化是引发土体宏观力学性状的真正内因，而现有的试验设备很难在试验过程中监测到土体颗粒微结构的变化。本实用新型制作加工了一台小型振动台和可视化模型箱，并设计了一套动态同步细观结构测量系统，利用其可同步动态记录振动荷载作用下砂土液化发生和发展过程中颗粒微细观结构的变化，通过细观图像信息处理技术对细观观测区域进行砂土细观组构分析，揭示Ig重力场条件下砂土液化宏细观机理。
发明内容为了填补现有研究设备中无法观测砂土液化瞬间颗粒运动特征及液化过程细观组构演化的空白，本实用新型的目的在于提供一种小型振动台可视化细观结构动态测量系统，土体受到拟正弦激振力作用时，不仅能测得宏观应力应变的变化，同时能对土体的细观结构进行动态观测和记录。为了达到以上目的，本实用新型采用的技术方案如下一种小型振动台可视化细观结构动态测量系统，包括振动台和观测系统,振动台包括电机、偏心轮和振动台底座，电机设有主动皮带轮，偏心轮设有被动皮带轮，主动皮带轮和被动皮带轮之间由皮带连接；偏心轮通过连杆与振动台底座相连，振动台底座下方设有个带凹槽的轮子，轮子与底部的凸形导轨点接触；观测系统模型箱、高清数码相机、高速细观摄像机和辅助光源，模型箱置于振动台底座之上，模型箱的前后两面采用透明有机玻璃，一面设有透过该面透明有机玻璃对砂土进行观测的高速细观摄像机和辅助光源，另一面设有透过该另一面透明有机玻璃对砂土进行观测的高清数码相机。所述电机功率为3kw的三相交流电机与摆线针轮减速机。所述主动皮带轮和被动皮带轮分别设有三个大小不同的皮带槽，皮带在主动皮带轮和被动皮带轮2的不同槽之间切换可以分别获得1Ηζ、2Ηζ和3Hz三种水平振动频率。所述偏心轮在曲柄圆盘开槽。所述凸形导轨采用经过热处理的钢材加工制作而成，表面经过打磨光滑处理，安装过程采用水准尺进行调平。所述高速细观摄像机采用螺栓固定在模型箱的侧壁上。所述测辅助光源采用工业LED环形光源。述模型箱内部尺寸为660mmX640mmX680mm,前后两面均选用厚度为20mm的透
明有机玻璃，且模型箱左右侧面底部设有四个排水阀。所述透明有机玻璃的细观观测的位置设置三块钢化玻璃。由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果实现了土样在受到激振力作用时，不仅能够测试土样的应力应变等宏观力学量变化，而且能够直观的动态的观测到土体细观结构的变化；且本实用新型具有试验简便、试验结果直观，可以进行土样的全过程动态观测的特点。
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具体实施方式
本实用新型的小型振动台系统，包括三相交流电机3、偏心轮4和振动台底座5，三相交流电机3设有主动皮带轮8，偏心轮4设有被动皮带轮12，主动皮带轮8和被动皮带轮 12之间由皮带连接，从而三相交流电机3可以驱动偏心轮4 ;偏心轮4通过连杆9与振动台底座5相连，振动台底座5下方设有4个带凹槽的轮子10，轮子10与底部的凸形导轨11点接触，从而连杆9可带动振动台底座5周期运动，模拟地震荷载，其中，点接触可有效减少振动台往复运动时的摩擦力。优选地,本实用新型中的三相交流电机3作为动力来源，选用功率为3kw的电机与摆线针轮减速机以获得输出转速为120r/min。主动皮带轮8和被动皮带轮12则分别设有三个大小不同的皮带槽，皮带在主动皮带轮8和被动皮带轮12的不同槽之间切换可以分别获得1Ηζ、2Ηζ和3Hz三种水平振动频率。偏心轮4通过在曲柄圆盘开槽，使曲柄半径R值的大小可调，其调节范围为20mm-100mm;采用螺杆可以实现半径R值的无级调整，可以根据试验需要连续变换水平振动台的振幅。振动台底座5采用8号角钢焊接而成。凸形导轨11采用经过热处理的钢材加工制作而成，表面经过打磨光滑处理，安装过程采用水准尺进行调平，尽量减少凸形导轨11对台面振动的影响。观测系统包括模型箱6、高清数码相机、高速细观摄像机I和观测辅助光源2，模型箱6置于小型振动台系统的振动台底座5之上，模型箱6的前后两面采用透明有机玻璃， 高速细观摄像机和观测辅助光源2可固定于模型箱6的侧壁，透过前(后)面有机玻璃对砂土进行观测，则后(前)面有机玻璃处设高清数码相机，同时对砂土进行观测。优选地， 本实用新型的高速细观摄像机I的采用螺栓固定在模型箱6的侧壁上，连接牢固，有效的避免了在振动荷载施加过程中摄像机的晃动，采用螺栓连接非常方便移动高速细观摄像机 I的位置，可以观察不同位置的砂土细观结构变化，其拍摄帧率为90帧/秒(比如由日本 JAI公司专门设计的摄像机，尺寸为44x29x75 (mm)，焦距为90mm，光圈范围F4. 5-F22C，有效像素为656x 494，满像素最高拍摄频率为90帧/秒，电子快门为1/90秒-1/10000秒； 另配日本computar公司变倍镜头MLM3X-MP，此镜头最大放大率为0. 3X-1X，镜头直径与焦距之比是I : 4. 5，焦距为90mm，光圈范围F4. 5-F22C ;)，能够在短时间内拍摄到基本反映砂土颗粒运动特征所需数量的清晰细观照片，能够动态观测并定量测试土体细观结构在动力荷载作用下的变化特征。观测辅助光源2采用工业LED环形光源，提供高亮和稳定的光源，保证高速细观摄像机I在短曝光时间内拍摄到清晰的图像。模型箱6内部尺寸为 660mmX 640mmX 680mm,模型箱6前后两面均选用厚度为20mm的透明有机玻璃,在模型箱6 左右侧面底部设有四个排水阀，如果采用空中落砂法制样，四个排水阀可以作为进水管，自由水面慢慢从底部上升到顶部，制成饱和度较高的试样。由于模型箱6的前后两面为透明有机玻璃，一面通过高清数码相机拍摄砂土液化宏观照片，观测液化发生发展过程中的宏观液化现象；另一面通过高速细观摄像机I实时动态记录砂土颗粒运动细观图像，从细观层面揭示砂土液化机理。由于有机玻璃耐磨性较差，多次试验后可能会刮花，从而影响到细观图像的拍摄效果，所以在需要进行细观观测的位置设置三块耐磨性较好的钢化玻璃7，试验过程中分别记录饱和砂土地层不同位置的颗粒细观组构变化。图4和图5分别为小型振动台理论加速度和实测加速度，比较实测和理论加速度曲线发现，实测加速度曲线出现了“尖刺”形波峰和波谷，而理论加速度曲线在峰值阶段表现的比较平滑。图5实测的加速度峰值除去个别值外大部分为O. 23g，比理论加速度大
9.52%，说明小型振动台的设计是合理的，且满足试验的定性研究要求。试验过程中，打开观测辅助光源2，由高速细观摄像机I全程动态摄入砂土细观结构变化，并自动传输并储存在计算机中，在摄录录像中截取某些特定时刻的数字图像照片， 导入数字图像细观结构分析系统，在得到土体宏观试验现象的同时，得到砂土颗粒细观组构参量的定量演化统计结果。下面结合福建标准砂液化试验的具体试验内容，对本实用新型的具体实施方式
和操作步骤作进一步描述。试验过程与内容如下(I)试样制备试验材料为福建标准砂，平均粒径O. 34mm,不均匀系数I. 542，曲率系数I. 104，属级配均匀的中砂。水中落砂法制备试样，控制相对密度40%，制样到相应高度时埋设孔压计和土压计，砂样高度为450mm,顶层覆盖一层50mm厚饱和粘土。(2)连接和调试好各采集仪器，将应变式传感器通电预热，孔压计应于每次试验前进行标定，保证测试结果满足线性要求，不出现漂移。加速计采集仪设定好保存路径和采样频率。(3)安装好高速细观摄像机I和开启观测辅助光源2，调节焦距使高速细观摄像机 I能拍摄到清晰的颗粒图像。在模型箱6的另一侧固定和架设好高清数码相机和灯源，调试好相机，通过计算机控制相机快门并设定拍摄间隔。保证相机垂直于模型箱侧面。(4)实验过程中采用秒表进行计时。同时调整动态采集仪和加速度采集仪的开始工作时间一致，以助于同组试验的横向比较。(5)在施加振动荷载前，全面检查一次所有仪器工作是否正常。在所有准备工作都完成后，开启闻速细观摄像机开始米集细观图像，施加振动荷载，用秒表记录试验时间。确保所有仪器同时开始采集数据。(6)试验结束后，及时按各个试验编号保存数据，洗干净模型箱，孔压计浸泡在水中，以便下一次试验。[0032](7)数字图像分析从摄录录像中截取某些特定时刻的数字图像照片(譬如，液化前、液化时、液化后)，将这些照片导入数字图像细观结构分析系统，分析得到细观组构参量的定量演化统计规律。本实例的技术参数如下I、土样条件可以完成粉土、砂土、含粉粒砂土等均一土样以及分层土的宏细观试验，可以完成原状试样和重塑试样的宏细观试验。2、施加激振力底部施加的激振波形可以通过调整R值调整振动强度，并通过变化皮带轮的组合调整激振频率1Ηζ，2Ηζ和3Hz。3、施加历史可以模拟各种加载历史，比如先小震再大震或者先大震再小震；4、土样的细观结构观测通过对对小型振动台的改进，在透明玻璃侧壁安装高速细观摄像机开发远程控制系统，可以实时动态摄录试验全过程土样的细观结构变化，结合数字图像细观结构分析系统可以分析得到砂土颗粒各主要细观组构参量的定量演化规律。以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
权利要求1.一种小型振动台可视化细观结构动态测量系统，其特征在于包括振动台和观测系统，振动台包括电机、偏心轮和振动台底座，电机设有主动皮带轮，偏心轮设有被动皮带轮， 主动皮带轮和被动皮带轮之间由皮带连接；偏心轮通过连杆与振动台底座相连，振动台底座下方设有个带凹槽的轮子，轮子与底部的凸形导轨点接触；观测系统模型箱、高清数码相机、高速细观摄像机和辅助光源，模型箱置于振动台底座之上，模型箱的前后两面采用透明有机玻璃，一面设有透过该面透明有机玻璃对砂土进行观测的高速细观摄像机和辅助光源，另一面设有透过该另一面透明有机玻璃对砂土进行观测的高清数码相机。
2.如权利要求I所述的小型振动台可视化细观结构动态测量系统，其特征在于所述电机功率为3kw的三相交流电机与摆线针轮减速机。
3.如权利要求I所述的小型振动台可视化细观结构动态测量系统，其特征在于所述主动皮带轮和被动皮带轮分别设有三个大小不同的皮带槽，皮带在主动皮带轮和被动皮带轮的不同槽之间切换可以分别获得1Ηζ、2Ηζ和3Hz三种水平振动频率。
4.如权利要求I所述的小型振动台可视化细观结构动态测量系统，其特征在于所述偏心轮在曲柄圆盘开槽。
5.如权利要求I所述的小型振动台可视化细观结构动态测量系统，其特征在于所述凸形导轨采用经过热处理的钢材加工制作而成，表面经过打磨光滑处理，安装过程采用水准尺进行调平。
6.如权利要求I所述的小型振动台可视化细观结构动态测量系统，其特征在于所述高速细观摄像机采用螺栓固定在模型箱的侧壁上。
7.如权利要求I所述的小型振动台可视化细观结构动态测量系统，其特征在于所述测辅助光源采用工业LED环形光源。
8.如权利要求I所述的小型振动台可视化细观结构动态测量系统，其特征在于所述模型箱内部尺寸为660mmX640mmX680mm,前后两面均选用厚度为20mm的透明有机玻璃， 且模型箱左右侧面底部设有四个排水阀。
9.如权利要求I所述的小型振动台可视化细观结构动态测量系统，其特征在于所述透明有机玻璃的细观观测的位置设置三块钢化玻璃。
专利摘要本实用新型公开了一种小型振动台可视化细观结构动态测量系统，包括电机、偏心轮、振动台底座、模型箱、高清数码相机、高速细观摄像机和辅助光源，电机设有主动皮带轮，偏心轮设有被动皮带轮，主动皮带轮和被动皮带轮之间由皮带连接；偏心轮通过连杆与振动台底座相连，振动台底座下方设有个带凹槽的轮子，轮子与底部的凸形导轨点接触；模型箱置于振动台底座之上，模型箱的前后两面采用透明有机玻璃，一面设有透过该面透明有机玻璃对砂土进行观测的高速细观摄像机和辅助光源，另一面设有透过该另一面透明有机玻璃对砂土进行观测的高清数码相机。本实用新型不仅能测试土样的应力应变等宏观力学量变化，还能直观动态的观测到土体细观结构的变化。
文档编号G01N21/85GK202351181SQ201120511238
公开日2012年7月25日 申请日期2011年12月9日 优先权日2011年12月9日
发明者周健, 封渊惟, 贾敏才, 陈小亮 申请人:同济大学
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