测量土体能量吸收装置及方法与流程

本发明涉及岩土工程土体能量吸收特征技术领域，尤其涉及测量土体能量吸收装置及方法。

背景技术：

地基是指建筑物下面支承基础的土体或岩体。作为建筑地基的土层分为岩石、碎石土、砂土、粉土、黏性土和人工填土。地基有天然地基和人工地基两类。天然地基是不需要人加固的天然土层，而人工地基需要人加固处理，常见有石屑垫层、砂垫层、混合灰土回填再夯实等。其不属于建筑物的组成部分，但它对保证建筑物的坚固耐久性具有非常重要的作用。因此地基的承载力的检测十分重要，而目前地基的承载力的检测方法主要是通过做地基土载荷实验来检测地基承载力，操作过程复杂，检测速度慢。基于此，本发明从土体的能量吸收特征角度出发，设计了土体的能量吸收装置以及检测方法。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的测量土体能量吸收装置及方法。

测量土体能量吸收装置，包括基座和与基座垂直安装的支架，所述的支架包括发射球架、接收球架、土体密封盒架、电磁铁固定架，所述的发射球架、接收球架与土体密封盒架不接触，所述的电磁铁固定架固定在土体密封盒架上，所述电磁铁固定架上悬挂有电磁铁，所述电磁铁底部设置有带刻度固定板，所述发射球架上通过摆线悬挂有发射钢球，所述土体密封盒架上悬挂有土体密封盒，所述接收球架上通过摆线悬挂有接收钢球，所述的高速摄像机设置在土体密封盒的正前方，所述的接收钢球的正前方设置有像差测速传感器，所述的支架后面安装有带刻度背景板。

优选的，所述摆线为15～25cm可伸缩的钢杆。

优选的，所述发射钢球的数量为7个，直径为2cm～5cm，且依次相差0.5cm的钢球。

优选的，所述土体密封盒的材料为PC耐力板，形状为圆柱体、长方体和球体中的任意一种，且圆柱体的土体密封盒的圆截面半径2cm、3cm、4cm，长度分别为2cm、3cm、4cm，长方体的土体密封盒的边长分别为4cm、5cm、6cm，长度分别为2cm、3cm、4cm，球体的土体密封盒的球半径分别为3cm、4cm、5cm。

本发明还提出了测量土体能量吸收装置的检测方法，包括以下步骤：步骤一、将发射球悬挂在发射球架，打开电磁铁开关电磁铁将发射球吸附在电磁铁上，测量此时发射球距离发射球架高度为h，测量摆线中点与发射球架的距离h₁，关闭电磁铁让发射钢球自由摆动，锤击装有土体的土体密封盒，能量传递至接收钢球引起接收钢球摆动，用像差测速传感器测定接收钢球的速度与土体密封盒分离时的速度v，用高速摄像机收集土体密封盒与连接杆连接处摆动的信息，对比带刻度背景板测出其摆动的最高处的值h₂；

步骤二、取出土体密封盒中的土体，重复步骤一操作，

步骤三、计算出土体密封盒内装有土体时的发射钢球和摆线提供的输入能量U₁；和计算出计算土体密封盒内不装有土体时的发射钢球和摆线提供的输入能量U₁＇，并用U₁减去U₁＇即为土体能量吸收值。

优选的,当土体密封盒中装有土体时,发射钢球和摆线提供的输入能量U₁的算法为：

发射钢球和摆线提供的输入能量为U₁＝W_发射钢球+W_摆线

其中，W_发射钢球＝m₁g(0.2+r-h)，m₁为发射钢球的质量，r为发射钢球的半径，h为发射钢球的重心与上端支架的距离，g为重力加速度；

W_摆线＝m_Lg(0.1-h₁)，m_L为摆线的质量，h₁摆线中心与上端支架的距离，g为重力加速度；

传递过程中消耗的能量U₂＝W_土体+W_{土体密封盒}+W₁

其中，W_土体为土体吸收的能量，W_{土体密封盒}为土体密封盒吸收的能量，W₁为装有土体的土体密封盒最大重力势能；

W₁＝m_{土体+土体密封盒}gh₂

其中，m_{土体+土体密封盒}为装有土体的土体密封盒的总质量，h₂为土体密封盒摆动的最高值，g为重力加速度；

剩余能量接收钢球与土体密封盒分离时的动能

其中，m₂为接收钢球的质量，v为接收钢球分离时的速度；

且U₁＝U₂+U₃

当土体密封盒内不装有土体时，发射钢球和摆线提供的输入能量U₁＇的算法为：

U₂＇＝W土体密封盒+W₁＇，U′₁＝U′₂+U′₃；

其中，W₁＇＝m_{土体密封盒}gh′₂，U₁＇为发射钢球和摆线提供的输入能量，h′₂为密封盒摆动的最高值，U₂为传递过程中消耗的能量，m₂为接收钢球的质量，v＇为接收钢球分离时的速度g为重力加速度；

两次对比实验之间唯一差别因素是土体密封盒是否装有土体，则U₁减U₁＇就是土体吸收的能量，即

与现有技术相比，本发明提出的测量土体能量吸收装置及方法具有如下有益效果：

1、本发明提出的测量土体能量吸收装置相比于传统的地基土载荷实验所需要的装置所需要的装置材料更常见，价格更廉价，更易获得；

2、本发明提出的测量土体能量吸收装置与传统的地基检测装置相比较，结构简单，容易制造，生产成本低；

3、本发明提出的测量土体能量吸收装置操作简便，易于计算，外在影响因素小，计算的结果更准确，且通过土体能量吸收可以准确反应地基的质量；

4、利用本发明提出的测量土体能量吸收装置所计算的能量吸收系数的单位为J/m₃，相比于《动力机器基础设计规范》中s/m存在显著的区别，且本发明中的J/m₃更易于被人们理解和接受。

附图说明

图1为本发明提出的测量土体能量吸收装置的结构正视图；

图2为本发明提出的测量土体能量吸收装置中支架(2)的结构俯视图。

具体实施方式

实施例，参照图1-2，下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。

本发明提出的测量土体能量吸收装置，所述的支架(2)包括发射球架(21)、接收球架(22)、土体密封盒架(23)、电磁铁固定架(24)，所述的发射球架(21)、接收球架(22)与土体密封盒架(23)不接触，所述的电磁铁固定架(24)固定在土体密封盒架(23)上，所述电磁铁固定架(24)上悬挂有电磁铁(3)，所述电磁铁(3)底部设置有带刻度固定板(4)，所述发射球架(21)上通过摆线悬挂有发射钢球(5)，所述土体密封盒架(23)上悬挂有土体密封盒(6)，所述接收球架(22)上通过摆线悬挂有接收钢球(7)，所述的高速摄像机(8)设置在土体密封盒(6)的正前方，所述的接收钢球(7)的正前方设置有像差测速传感器(9)，所述的支架(2)后面安装有带刻度背景板(10)；所述摆线为长度是15～25cm可伸缩钢杆，所述发射钢球5为一组直径2cm～5cm，且半径依次相差0.5cm的钢球，所述土体密封盒6的材料为PC耐力板，形状为圆柱体、长方体和球体中的任意一种，且圆柱体的土体密封盒6的圆截面半径2cm、3cm、4cm，长度分别为2cm、3cm、4cm，长方体的土体密封盒6的边长分别为4cm、5cm、6cm，长度分别为2cm、3cm、4cm，球体的土体密封盒6的球半径分别为3cm、4cm、5cm；

测量土体能量吸收装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤一、将发射球悬挂在发射球架，打开电磁铁开关电磁铁将发射球吸附在电磁铁上，测量此时发射球距离发射球架高度为h，测量摆线中点与发射球架的距离h₁，关闭电磁铁让发射钢球自由摆动，锤击装有土体的土体密封盒，能量传递至接收钢球引起接收钢球摆动，用像差测速传感器测定接收钢球的速度与土体密封盒分离时的速度v，用高速摄像机收集土体密封盒与连接杆连接处摆动的信息，对比带刻度背景板测出其摆动的最高处的值h₂；

步骤二、取出土体密封盒中的土体，重复步骤一操作，

步骤三、计算出土体密封盒内装有土体时的发射钢球和摆线提供的输入能量U₁；和计算出计算土体密封盒内不装有土体时的发射钢球和摆线提供的输入能量U₁＇，并用U₁减去U₁＇即为土体能量吸收值。

上述步骤中U₁和U₁＇的计算方法如下：

当土体密封盒6中装有土体时：

发射钢球5和摆线提供的输入能量为U₁＝W_发射钢球+W_摆线

其中，W_发射钢球＝m₁g(0.2+r-h)，m₁为发射钢球5的质量，r为发射钢球5的半径，h为发射钢球5的重心与上端支架2的距离，g为重力加速度；

W_摆线＝mLg(0.1-h₁)，m_L为摆线的质量，h₁摆线中心与上端支架2的距离，g为重力加速度；

传递过程中消耗的能量U₂＝W_土体+W_{土体密封盒}+W₁

其中，W_土体为土体吸收的能量，W_{土体密封盒}为土体密封盒6吸收的能量，W₁为装有土体的土体密封盒6最大重力势能；

W₁＝m_{土体+土体密封盒}gh₂

其中，m_{土体+土体密封盒}为装有土体的土体密封盒6的总质量，h₂为土体密封盒6摆动的最高值，g为重力加速度；

剩余能量接收钢球7与土体密封盒6分离时的动能

其中，m₂为接收钢球7的质量，v为接收钢球7分离时的速度；

且U₁＝U₂+U₃

当土体密封盒6内不装有土体时，

U₂^＇＝W土体密封盒+W₁＇，U′₁＝U′₂+U′₃；

其中，W₁＇＝m_{土体密封盒}gh′₂，U₁＇为发射钢球5和摆线提供的输入能量，h′₂为密封盒摆动的最高值，U₂为传递过程中消耗的能量，m₂为接收钢球7的质量，v＇为接收钢球7分离时的速度g为重力加速度；

两次对比实验之间唯一差别因素是土体密封盒6是否装有土体，则U₁减U₁′就是土体吸收的能量，即

由此可知，根据本发明提出的测量土体能量吸收装置以及检测方法所得到的土体的能量吸收系数为其中，V为密封盒的容积，则土体体积作为主要影响因素下土体的能量吸收系数单位为J/m³，相比于《动力机器基础设计规范》中s/m存在显著的区别，且J/m³更易于人们理解。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。