专利名称：用于离心设备的颗粒状物质抛撒和动态回填装置及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及岩土工程中的离心模型试验装置，尤其是涉及一种用于离心设备的颗 粒状物质抛撒和动态回填装置以及离心颗粒状物质模拟系统。
背景技术：
回填土在实际工程中广泛存在，例如应用在挡土墙、基坑、埋管等工程中。回填土 体的受力变形特性及其对附近结构的影响是岩土工程中的重要问题，已经进行了较广泛的 研究。离心模型试验是岩土工程的重要研究手段之一，在国内外被广泛采用。然而，由于离 心模型试验中模型箱在离心机中高速运转，土所受的离心加速度高达几十甚至上百倍的重 力加速度，自由下落土粒在其作用下会高速运动，且相应的控制机构运动较Ig困难很多， 因此在离心模型试验中控制土的回填速度、高度以及模拟实际施工顺序等方面面临着较大 挑战。已有的回填离心模型试验多是在Ig条件下做好回填土模型，然后再增大离心加 速度模拟实际的回填土工程。这相当于回填土模型在几何上不断放大，但无法真实模拟其 实际回填过程。也就是说，这种模拟方法不能模拟实际回填土的应力路径变化，对于应力应 变关系显著依赖于应力路径的土体来说可能会导致与实际工程较大的偏差。因此，有必要 研制能够在离心机高速转动过程中的动态回填模拟系统，从而通过离心模型试验研究回填 土体及其周围结构的应力变形规律。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的第一个目 的在于提出一种可实现对砂土供给速率的控制的离心模型试验中的用于离心设备的颗粒 状物质抛撒和动态回填装置，该设备可以满足高速旋转的离心设备的砂土回填要求。根据本发明的第一方面实施例的一种用于离心设备的颗粒状物质抛撒和动态回 填装置，包括基座，所述基座包括底座与设在底座上的多个竖直的支架；模拟井，所述模 拟井形成为一面开口的空心半圆柱体，且轴线大致垂直于所述底座表面，且其下端固定在 所述底座上；测力杆，所述测力杆上端固定并连接有载荷传感器，且下端伸入到所述模拟井 内并与重码相连接以保持竖直；导板，所述导板透明且封闭所述模拟井的开口面以形成上 端开口的半空心柱，所述导板与所述模拟井配合的内表面的纵向中心处形成有适于测力杆 上下滑动的导向槽，且所述内表面的下部形成有与所述导向槽相通的、适于所述重码上下 移动的凹部，所述凹部的高度大于所述重码的高度；以及颗粒状物质供给装置，所述颗粒状 物质供给装置固定在所述支架的上端且其颗粒状物质供给口位于所述模拟井上方以向所 述模拟井内抛撒颗粒状物质。根据本发明的颗粒状物质抛撒和动态回填装置，能够在离心模型试验过程中实现 对砂土回填量和回填速率的控制，而且可用于多种砂土及其他颗粒状物质，通用性强。另外，根据本发明的颗粒状物质抛撒和动态回填装置还具有如下附加技术特征
所述颗粒状物质供给装置包括至少一个颗粒状物质容器，所述颗粒状物质容器 的底部设置有颗粒状物质供给口，被容纳于所述颗粒状物质容器中的颗粒状物质通过所述 颗粒状物质供给口被向外供给；与颗粒状物质容器对应并与所述颗粒状物质容器固定的至 少一个颗粒状物质供给口开关单元，每个颗粒状物质供给口开关单元包括气缸，所述气缸 内设置有活塞；以及控制杆，所述控制杆的一端连接至所述活塞，以在气缸的作用下控制所 述颗粒状物质供给口的开闭；气源，所述气源通过离心机滑环与所述气缸相连，用于驱动所 述活塞沿着纵向方向移动。所述颗粒状物质供给装置进一步包括延长杆，所述延长杆连接在所述控制杆下 端，可随控制杆的伸缩而上下移动，且其向下移动可封闭所述颗粒状物质供给口。所述颗粒状物质供给口向下具有预定的锥度，且直径向下逐渐变小，所述控制杆 的直径大于所述颗粒状物质供给口处的最小直径。所述颗粒状物质抛撒和动态回填装置进一步包括用于支撑气缸的第一支撑板， 所述第一支撑板固定在所述支架上；第二支撑板，所述第二支撑板位于所述第一支撑板下 方，用于支撑颗粒状物质容器的下端防止颗粒状物质容器的摆动而影响离心试验的效果。所述气缸设置有设置在活塞两侧的第一进气口和第二进气口，所述第一进气口 和第二进气口适于与外部气压力控制系统分别连通，以让气缸推动所述控制杆进行竖向伸 缩运动。所述导向槽的半径大于所述测力杆的半径，且所述导向槽与所述测力杆之间的间 隙不大于0. Olmm,以防止导向槽内进入颗粒状物质而导致测力杆摆动。所述模拟井的外表面为半圆柱形。所述模拟井与所述导板配合的表面之间设有密封材料以防止泄漏颗粒状物质。所述颗粒状物质抛撒和动态回填装置还进一步包括固定板，所述固定板与所述导 板在竖直方向上平行且固定在所述模拟井的外表面上，所述固定板与所述导板通过螺栓固 定以使所述导板与所述模拟井之间封闭。固定板用于对模拟井与导板配合的表面之间进行进一步的密封，并且还可以对高 度较高的模拟井进行固定以免模拟井重心不稳而摆动。所述颗粒状物质抛撒和动态回填装置还进一步包括第三支撑板，所述第三支撑板 设置在所述第二支撑板之下，且所述测力杆的上端的传感器固定在所述第三支撑板的下表 面上。所述测力杆为半圆柱体且与所述导向槽相匹配。根据本发明的颗粒状物质抛撒和动态回填装置，具备可扩充性，通过并联多个回 填系统，可以实现多种土回填或者分期填筑等复杂施工顺序，系统简单。此外，根据本发明 的颗粒状物质抛撒和动态回填装置，前期准备工作量小，自动化程度高，控制方便，易于操 作，运行可靠且成本低。本发明的第二个目的在于提出一种可实现对颗粒状物质供给速率的控制的离心 颗粒状物质模拟系统。根据本发明的第二方面的实施例的一种离心颗粒状物质抛撒和动态回填模拟系 统，包括离心机；以及上述颗粒状物质抛撒和动态回填装置，所述颗粒状物质抛撒和动态回 填装置的基座固定在所述离心机上，并可跟随离心机转动。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变 得明显和容易理解，其中图1是根据本发明的实施例的用于离心设备的颗粒状物质抛撒和动态回填装置 的结构示意图；图2是图1中A-A向的剖视图；图3是图1中所示的颗粒状物质抛撒和动态回填装置的导板的示意图；图4是根据本发明的颗粒状物质抛撒和动态回填装置中的颗粒状物质供给装置 在离心模型试验中的示意图；图5是根据本发明的颗粒状物质供给装置在离心模型试验中的第一个实施例的 剖面示意图；以及图6是根据本发明的颗粒状物质供给装置在离心模型试验中的第二个实施例的 剖面示意图。
具体实施例方式下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置 关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须 以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。下面参考图1-图6描述根据本发明的第一方面的实施例的用于离心设备的颗粒 状物质抛撒和动态回填装置，在本发明的描述中，颗粒状物质以砂土为例来进行说明。此外，需要说明的是，本发明的颗粒状物质抛撒和动态回填装置可以用于各种离 心设备，用于进行颗粒状物质的动态回填模拟，例如土木模拟实验中所使用的土工离心试 验机。如图1-图6所示，根据本发明的一个实施例的用于离心设备的颗粒状物质抛撒和 动态回填装置，包括基座1、模拟井2、测力杆3、导板4以及颗粒状物质供给装置(以下称为 砂供给装置)5。如图1-图2所示，基座1包括底座11与设置在底座11上的多个竖直的支架12。 在本发明的一个示例中，底座11是长方形板。可选地，该底座11可为正方形板。竖直的支 架12为四个，分别均勻设置在该长方形底座11的四个拐角处。当然，在本发明的另一个示 例中，底座11也可以为三角形板例如为等边三角形，竖直的支架12为三个，分别设置在该 三角形底座11的三个拐角处呈三脚支撑的稳定状态。如图1和图2所示，模拟井2形成为一面开口的空心半圆柱体，且轴线大致垂直于 底座11的上表面，且其下端固定在底座11上。在本发明的一个示例中，模拟井2的外表面为半圆柱形。当然，模拟井2的外表面也可以为半棱柱形或其他任意类似的形状。测力杆3上端固定并连接有载荷传感器32，且下端伸入到模拟井2内并与重码31 相连接以保持竖直防止抖动。可选地，测力杆3可为半圆柱体。导板4设在底座11的上表面上且设置在模拟井2的开口面处以封闭该开口面，因 此，模拟井2被导板4和底座11限定出了一个上端开口的半空心柱，用于容纳砂土。如图 3所示，在导板4的与模拟井2配合的内表面上形成导向槽41和与导向槽41相通的凹部。 其中，该导向槽41形成在该内表面的纵向中心处，且适于测力杆3上下滑动。凹部42形成 在该内表面的下部，且适于重码31上下移动的凹部42，可选地，凹部42的高度大于重码31 的高度，这样，可保证在测力杆3上下小幅度移动时重码31在凹部42内上下移动，从而可 根据测力杆3的移动距离测出模拟井2内砂土对测力杆3的作用力。另外，在本发明的一 个示例中，导板4为透明材料制成，以方便观察模拟井内的砂土堆积情况以及测力杆3的移 动情况。在本发明的一个示例中，模拟井2与导板4配合的表面之间通过密封材料来进行 密封以防止漏砂。而在本发明的另一个示例中，还进一步包括固定板6以对模拟井2与导 板4配合的表面之间进行进一步的密封，并且还可以对高度较高的模拟井2进行固定以免 模拟井2重心不稳而摆动。如图1-图3所示，固定板6与导板4在竖直方向上平行且固定 在模拟井2的外表面上，可选地，在固定板6和导板4的两边边缘上均形成有互相对应的螺 孔，因此，在固定板6与导板4之间可通过螺栓固定以使导板4与模拟井2之间封闭。如图1所示，砂供给装置5固定在支架12的上端且其出砂口 511位于模拟井2上 方以向模拟井2内供砂。如图4所示，砂供给装置5包括至少一个砂容器51和至少一个砂端口开关单元2， 其中砂端口开关单元52与砂容器51相对应与砂容器51固定。砂容器51的底部设置有出砂口 511，被容纳于砂容器51中的砂通过出砂口 511被 向外供给到模拟井2中。可选地，砂容器51的下端呈漏斗形，出砂口 511形成在该漏斗形 砂容器的最下端。在本发明的一个示例中，砂容器51可由透明材质制成。这样，可便于在 离心模型试验中进行对砂土速度、流量等性状的观察。砂端口开关单元52包括气缸521和控制杆522。其中，在气缸521内设置有活塞 5211，而在气缸521外部通过离心机滑环6与气压力控制系统7相连接，从而通过气压力控 制系统7来控制气缸521的活塞运动。控制杆522的一端连接至活塞5211，以控制出砂口 511的开闭。具体地，在控制杆522下端连接有延长杆523，延长杆523可随控制杆522的 伸缩而上下移动，且其向下移动可封闭出砂口 511。延长杆523的直径不小于出砂口 511的 直径。在本发明的另一个示例中，出砂口 511向下具有预定的锥度，且直径向下逐渐变 小，控制杆522的直径大于出砂口处的最小直径。在本发明的再一个示例中，该砂供给装置5还进一步包括延长套53，延长套53的 上端固定在出砂口 511处，其下端伸入到模拟井2中。可选地，延长套53由弹性材料制成， 可便于砂土从出砂口 511向外排出并直接供给到模拟井2中，避免漏砂。下面将通过两个实施例来介绍砂供给装置5在进行离心模型试验时的控制过程。如图5所示，根据本发明的第一个实施例的砂供给装置5，砂端口开关单元52中的气缸521上形成有第一进气口 512和第二进气口 513，其中第一进气口 512和第二进气 口 513分别形成在活塞5211的上下两侧，且适于与外部第一气压力控制系统54和第二气 压力控制系统55分别进行连通，以让气缸521推动控制杆522进行竖向伸缩运动。第一个示例，当砂容器51的数目为1个时，则与其对应的砂端口开关单元52的数 目也为1个。在本示例中，根据本发明的砂供给装置5在离心模型试验时，首先调整气缸521及 其控制杆522，以推动延长杆523向下移动封闭出砂口。再在砂容器51中装上所需量的砂 土，并将气缸521通过离心机滑环10与气压力控制系统相连通，其中，第一进气口 512与第 一气压力控制系统54连通，而第二进气口 513与第二气压力控制系统55连通。然后启动 离心机(图未示)，开始增加离心加速度至设定值。之后，再启动第一、第二气压力控制系 统，使得通过位于活塞5211上部的第一进气口 512进入的气压低于位于活塞5211下部的 第二进气口 513进入的气压，从而使得活塞5211向上移动，带动了控制杆522向上移动，而 后使得延长杆523开始上移，逐渐脱离出砂口 511，这样，砂土便能从出砂口 511中供给到模 拟井2中。需要在砂容器51中继续装砂土时，可启动第一、第二气压力控制系统，使得通过 位于活塞5211上部的第一进气口 512进入的气压高于位于活塞5211下部的第二进气口 513进入的气压，从而使得活塞5211向下移动，带动了控制杆522向下移动，而后使得延长 杆523开始下移，逐渐封闭出砂口 511，封闭出砂口 511后即可装砂。需要说明的是，砂容器51的数目为多个例如为两个，则与其对应的砂端口开关单 元52的数目也为两个(图未示)。这样，两个砂端口开关单元52的第一进气口 512分别连接至第一气压力控制系统 54，两个砂端口开关单元52的第二进气口 513分别连接至第二气压力控制系统55，以对两 个砂容器51的出砂口 511进行同步地打开和关闭。本示例中的砂供给装置5的工作过程与上一个示例中一致，不同之处仅在于，第 一气压力控制系统54与第二气压力控制系统55分别连通并同时控制两个气缸同步运动。如图6所示，根据本发明的第二个实施例的砂供给装置5，气缸521上只形成有第 一进气口 512，该第一进气口 512设在活塞的上侧，与第一气压力控制系统54相连通。这 样，第一气压力控制系统54可通过控制气缸521，使得活塞5211上下运动使得控制杆522 带动延长杆523伸缩运动。根据本发明的砂供给装置5在离心模型试验工作时，首先调整气缸521及其控制 杆522，以推动延长杆523向下移动封闭出砂口。再在砂容器51中装上所需量的砂土，将气 缸521通过离心机滑环与第一气压力控制系统相连通。然后启动离心机，开始增加离心加 速度至设定值。之后，再启动气压力控制系统逐渐增大气压力，控制气缸521的活塞5211 带动控制杆522向上移动，从而使得延长杆523开始上移，逐渐脱离出砂口 511，这样，砂土 便能从出砂口 511中供给到模拟井2中。同样地，根据本发明的砂供给装置5的砂容器51和与其对应的砂端口开关单元52 的数目为多个例如为两个时(图未示)，其工作过程与砂容器51和砂端口开关单元52的数 目为1个时的工作过程一致，不同之处仅在于第一气压力控制系统连通并同时控制两个气 缸进行同步运动。
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在本发明的其中一个示例中，砂供给装置5的出砂口 511下端的直径是可以调整 变化的，可以根据砂土的颗粒形状、粒径级配等特性以及离心加速度条件，调试合适的出砂 口尺寸，可用于调整合适的出砂速率，同时，延长杆523的直径也随之变化。另外，出砂量可 通过砂容器51的装砂量来控制。在本发明的一些示例中，该颗粒状物质抛撒和动态回填装置进一步包括固定在支 架上的第一支撑板7和第二支撑板8，如图1所示。其中，第一支撑板7用于支撑气缸521。 而第二支撑板8位于第一支撑板7下方，用于支撑砂容器51的下端防止砂容器51的摆动 而影响离心试验的效果。在本发明的另一些示例中，颗粒状物质抛撒和动态回填装置还进 一步包括固定在支架上的第三支撑板9，第三支撑板9设置在第二支撑板8之下且在模拟井 2之上，且测力杆3的上端的传感器固定在第三支撑板9的下表面上。可选地，第一、第二、 第三支撑板均为透明材料制成，便于观察试验过程。下面根据图1-图6介绍根据本发明的颗粒状物质抛撒和动态回填装置的在离心 试验时的工作过程，在以下描述中，以颗粒状物质供给装置中只有一个砂容器为例来进行 描述。此外，本发明并不限于此，颗粒状物质供给装置中有两个或多个砂容器的颗粒状物质 抛撒和动态回填装置与上述例子过程类似。在离心模型试验之前，首先调整气缸及延长杆523恰好把出砂口 511封闭，再在砂 容器51中装上所需量的砂土，将气缸通过离心机滑环与气压力控制系统相连通。然后启动离心机(图未示)，开始增加离心加速度至设定值。之后，启动颗粒状物质抛撒和动态回填装置，第一气压力控制系统54逐渐增大气 压力，延长杆522开始上移，逐渐脱离出砂口 511，砂土能够从出砂口 511流入模拟井，从而 实现了砂土的回填，并且通过测力杆3实时测量模拟井2中的力。根据本发明的颗粒状物质抛撒和动态回填装置，首先，能够在离心模型试验过程 中实现对砂土回填量和回填速率的控制，而且可用于多种砂土，通用性强。另外，具备可扩 充性，通过并联多个回填系统，可以实现多种土回填或者分期填筑等复杂施工顺序，系统简 单。此外，根据本发明的颗粒状物质抛撒和动态回填装置，前期准备工作量小，自动化程度 高，控制方便，易于操作，运行可靠且成本低。本领域的技术人员应当可以理解，本发明并不限于此。根据本发明的颗粒状物质 抛撒和动态回填装置并不仅限于各种砂土，还可以用于其他与砂土具有类似性能的颗粒状 物质。根据本发明的第二方面的一种离心颗粒状物质抛撒和动态回填模拟系统，包括离 心机以及颗粒状物质抛撒和动态回填装置，其中，颗粒状物质抛撒和动态回填装置可为上 述实施例中的颗粒状物质抛撒和动态回填装置，且其基座固定在离心机上，并可跟随离心 机转动。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解在不 脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本 发明的范围由权利要求及其等同物限定。
权利要求
一种用于离心设备的颗粒状物质抛撒和动态回填装置，其特征在于，包括基座，所述基座包括底座与设在底座上的多个竖直的支架；模拟井，所述模拟井形成为一面开口的空心半圆柱体，且轴线大致垂直于所述底座表面，且其下端固定在所述底座上；测力杆，所述测力杆上端固定并连接有载荷传感器，且下端伸入到所述模拟井内并与重码相连接以保持竖直；导板，所述导板透明且封闭所述模拟井的开口面以形成上端开口的半空心柱，所述导板与所述模拟井配合的内表面的纵向中心处形成有适于测力杆上下滑动的导向槽，且所述内表面的下部形成有与所述导向槽相通的、适于所述重码上下移动的凹部，所述凹部的高度大于所述重码的高度；以及颗粒状物质供给装置，所述颗粒状物质供给装置固定在所述支架的上端且其颗粒状物质供给口位于所述模拟井上方以向所述模拟井内抛撒颗粒状物质。
2.根据权利要求1所述的颗粒状物质抛撒和动态回填装置，其特征在于，所述颗粒状 物质供给装置包括至少一个颗粒状物质容器，所述颗粒状物质容器的底部设置有颗粒状物质供给口，被 容纳于所述颗粒状物质容器中的颗粒状物质通过所述颗粒状物质供给口被向外供给；与颗粒状物质容器对应并与所述颗粒状物质容器固定的至少一个颗粒状物质供给口 开关单元，每个颗粒状物质供给口开关单元包括 气缸，所述气缸内设置有活塞；以及控制杆，所述控制杆的一端连接至所述活塞，以在气缸的作用下控制所述颗粒状物质 供给口的开闭；气源，所述气源通过离心机滑环与所述气缸相连，用于驱动所述活塞沿着纵向方向移动。
3.根据权利要求2所述的颗粒状物质抛撒和动态回填装置，其特征在于，所述颗粒状 物质供给装置进一步包括延长杆，所述延长杆连接在所述控制杆下端，可随控制杆的伸缩 而上下移动，且其向下移动可封闭所述颗粒状物质供给口。
4.根据权利要求3所述的颗粒状物质抛撒和动态回填装置，其特征在于，所述颗粒状 物质供给口向下具有预定的锥度，且直径向下逐渐变小，所述控制杆的直径大于所述颗粒 状物质供给口处的最小直径。
5.根据权利要求2所述的颗粒状物质抛撒和动态回填装置，其特征在于，进一步包括 用于支撑气缸的第一支撑板，所述第一支撑板固定在所述支架上；第二支撑板，所述第二支撑板位于所述第一支撑板下方，用于支撑颗粒状物质容器。
6.根据权利要求2所述的颗粒状物质抛撒和动态回填装置，其特征在于，所述气缸设 置有设置在活塞两侧的第一进气口和第二进气口，所述第一进气口和第二进气口适于与外 部气压力控制系统分别连通，以让气缸推动所述控制杆进行竖向伸缩运动。
7.根据权利要求1所述的颗粒状物质抛撒和动态回填装置，其特征在于，所述导向槽 的半径大于所述测力杆的半径，且所述导向槽与所述测力杆之间的间隙不大于0. Olmm,以 防止导向槽内进入颗粒状物质而导致测力杆摆动。
8.根据权利要求1所述的颗粒状物质抛撒和动态回填装置，其特征在于，所述模拟井 的外表面为半圆柱形。
9.根据权利要求1所述的颗粒状物质抛撒和动态回填装置，其特征在于，所述模拟井 与所述导板配合的表面之间设有密封材料。
10.根据权利要求1所述的颗粒状物质抛撒和动态回填装置，其特征在于，还进一步包 括固定板，所述固定板与所述导板在竖直方向上平行且固定在所述模拟井的外表面上，所 述固定板与所述导板通过螺栓固定以使所述导板与所述模拟井之间封闭。
11.根据权利要求1所述的颗粒状物质抛撒和动态回填装置，其特征在于，还进一步包 括第三支撑板，所述第三支撑板设置在所述第二支撑板之下，且所述测力杆的上端的传感 器固定在所述第三支撑板的下表面上。
12.根据权利要求1所述的颗粒状物质抛撒和动态回填装置，其特征在于，所述测力杆 为半圆柱体且与所述导向槽相匹配。
13.—种离心颗粒状物质抛撒和动态回填模拟系统，包括离心机；以及如权利要求1所述的颗粒状物质抛撒和动态回填装置，所述颗粒状物质抛撒和动态回 填装置的基座固定在所述离心机上，并可跟随离心机转动。
全文摘要
本发明公开了一种用于离心设备的颗粒状物质抛撒和动态回填装置，包括基座；下端固定在所述底座上的模拟井；测力杆；导板，所述导板上形成有适于测力杆滑动的导向槽和与所述导向槽相通的、适于所述重码上下移动的凹部，所述凹部的高度大于所述重码的高度；以及颗粒状物质供给装置，所述颗粒状物质供给装置固定在所述支架的上端且其出砂口位于所述模拟井上方以向所述模拟井内抛撒颗粒状物质。根据本发明的颗粒状物质抛撒和动态回填装置，能够在离心模型试验过程中实现对砂土回填量和回填速率的控制，而且可用于多种砂土及其他颗粒状物质，通用性强。本发明还公开了一种具有所述颗粒状物质抛撒和动态回填装置的颗粒状物质抛撒和动态回填模拟系统。
文档编号E02D17/18GK101912827SQ20101022567
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月5日 优先权日2010年7月5日
发明者张嘎, 张建民, 王丽萍, 王睿, 郑瑞华 申请人:清华大学