一种模拟岩土颗粒运移规律的装置及方法

1.本发明涉及岩土工程技术领域，特别涉及一种模拟岩土颗粒运移规律的装置及方法。


背景技术：

2.沙尘暴是依靠巨大的风力将沙尘卷起来，随风搬运很远，不同搬运距离沉积不同粒径的砂颗粒；雾霾天气，空气中凝聚着很多有水蒸气包裹的细小的粉尘颗粒，在空气中漂移；火山喷发携带大量的火山灰颗粒、气体以及水蒸气等，这些喷发的颗粒具有不同的尺寸，大量的火山灰会随着大气而运动，这些运动受到大气环境的影响，如风速、大气紊流、温度、湿度等，这些因素也都影响着岩土颗粒的沉降速率。火山喷发的火山灰对飞机航线有重大危害，如2010年的冰岛火山喷发，使得欧洲大部分航班取消长达一周多，造成严重的经济损失。为了更好的研究岩土颗粒在上述各种天气下的运移速率，需要使用模拟装置模拟岩土颗粒在受到不同大气环境的影响下的运移规律，但是目前存在的一些装置多是只能量测同一岩土颗粒在同一释放速率下的运移规律，且不能模拟不同环境中岩土颗粒的运移过程，故而不能反映出岩土颗粒真实的运移规律。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的上述技术问题之一，为此，本发明提出一种模拟岩土颗粒运移规律的装置，该装置既可以精确控制岩土颗粒按不同的速率释放，又可以模拟不同环境中（如湿度、风力）岩土颗粒的运移过程，能真实的反映岩土颗粒的运移规律。
4.本发明还提出一种应用上述装置模拟岩土颗粒运移规律的方法。
5.根据本发明的第一方面实施例的一种模拟岩土颗粒运移规律的装置，包括呈倒圆台形布置的放样器，所述放样器的下端开口处可升降设置有锥形的释放控制器，所述释放控制器由电动伸缩杆驱动升降打开或封堵所述放样器的下端开口，所述电动伸缩杆电连接有电流作动器，所述放样器的下端环绕连通有导流筒，所述导流筒的下端开口处设置有筛网，所述筛网上设置有振动组件；所述导流筒的下端连通有透明的运移试验箱，所述运移试验箱的一侧分别设置有激光光源和高速摄像机，所述高速摄像机电连接有数据采集仪，所述运移试验箱内位于所述激光光源的照射方向和所述高速摄像机的摄像方向的交叉区域形成摄像区域；所述运移试验箱的内部设置有风力发生组件以及湿度发生组件，所述风力发生组件设置有变频风机，所述变频风机电连接有风机变频器；所述湿度发生组件设置有可变频的空气加湿器，所述空气加湿器电连接有第二变频器；所述运移试验箱的下端设置有称重天平，所述称重天平的下端设置有重量传感器，所述重量传感器电连接所述数据采集仪。
6.根据本发明实施例的一种模拟岩土颗粒运移规律的装置及方法，至少具有如下技术效果：1、通过在放样器的下端开口处设置有由电动伸缩杆驱动升降的释放控制器，在进
行模拟试验的过程中，通过电动伸缩杆控制释放控制器下降至不同的高度位置，调节释放控制器与放样器下端开口处之间的间隙尺寸至不同的大小，既可以满足用于释放不同粒径的岩土颗粒，达到量测不同岩土颗粒在同一释放速率下的运移规律，又可以调节同一岩土颗粒按不同的速率释放，达到量测同一岩土颗粒在不同释放速率下的运移规律，能更加真实的得到岩土颗粒的运移规律。同时通过将释放控制器设置为锥形，既方便岩土颗粒顺畅的沿着释放控制器的斜边滚落至导流筒内，又可以避免岩土颗粒积聚在释放控制器的上端面，以便更加真实的模拟不同天气下岩土颗粒的沉降情况。2、通过在运移试验箱的内部设置有风力发生组件和湿度发生组件，在试验的过程中，可以通过风机变频器控制变频风机按照不同的转速进行转动，产生不同大小的风力；又可以通过第二变频器控制空气加湿器按照不同功率向运移试验箱的内部进行加湿，使得运移试验箱内部达到不同的湿度环境，以便更加真实的模拟不同环境中（如不同湿度、不同风力）岩土颗粒运移过程，从而更加真实的得到岩土颗粒的运移规律。3、通过在运移试验箱的一侧分别设置有激光光源和高速摄像机，在进行试验的过程中，通过激光光源向摄像区域进行照明补光，以便高速摄像机对不同时间经过摄像区域的岩土颗粒进行摄像并传递给数据采集仪，通过数据采集仪内的专业图像软件来分析不同时刻岩土颗粒粒径的大小、形状、分布特征、粒径周长面积等等，综合分析摄像得到的数据从而得到岩土颗粒的运移规律。4、通过在称重天平的下端设有电连接数据采集仪的重量传感器，重量传感器可以实时的检测称重天平上的重量值并传递给数据采集仪进行处理，从而可以得到从释放岩土颗粒至试验结束过程中岩土颗粒落入称重天平上的过程的质量变化曲线，从而量测出不同时间积累的质量变化，进而更加真实的得到岩土颗粒的运移规律。5、在进行模拟试验的过程中，启动振动组件振动筛网，可以防止落到筛网上的岩土颗粒聚集在一起，使其均匀分布在筛网上，然后通过筛网的筛孔下落，更加真实的再现岩土颗粒的沉降情况。
7.根据本发明的一些实施例，所述运移试验箱内设置有湿度传感器，所述湿度传感器电连接所述第二变频器。
8.根据本发明的一些实施例，所述湿度发生组件设置有多个，多个所述湿度发生组件沿周向布置在所述运移试验箱内。
9.根据本发明的一些实施例，所述振动组件包括有多个水平振动器和多个垂直振动器，所述水平振动器和所述垂直振动器沿周向交替布置在所述筛网上。
10.根据本发明的一些实施例，所述电动伸缩杆设置有多个，多个所述电动伸缩杆的间隔设置在所述放样器的外侧，所述电动伸缩杆的伸缩端之间连接有安装板，所述释放控制器连接在所述安装板上。
11.根据本发明的一些实施例，所述筛网可拆卸连接在所述导流筒的下端开口处。
12.根据本发明的一些实施例，所述导流筒的下端开口处设置有大径孔，所述大径孔内设置有内螺纹，所述筛网的外周面的上端设置有与所述内螺纹相匹配的外螺纹。
13.根据本发明的一些实施例，所述导流筒的下端面沿周向布置有多个螺纹孔，所述筛网上对应所述螺纹孔的位置设置有供锁紧螺钉穿过的沉头孔。
14.根据本发明的一些实施例，所述导流筒采用易透光的透明材料。
15.根据本发明第二方面实施例提供一种应用上述任一实施例的装置模拟岩土颗粒运移规律的方法，包括以下步骤：步骤a：试验前准备，通过所述电流作动器控制所述电动伸
缩杆通电带动所述释放控制器上升至将放样器的下端开口完全封堵；步骤b：启动所述风机变频器控制所述变频风机按照设定的转速转动模拟所需的风力环境，启动所述第二变频器控制所述空气加湿器按照设定的湿度进行加湿模拟所需的湿度环境；步骤c：选取一定颗粒级配的岩土颗粒投入至所述放样器内，通过所述电流作动器控制所述电动伸缩杆通电带动所述释放控制器下降至设定的位置，此时岩土颗粒顺着所述放样器和所述释放控制器的缝隙经由所述释放控制器的表面斜向下运动至所述导流筒内的所述筛网上，启动所述振动组件振动所述筛网使得岩土颗粒均匀分布在所述筛网上并穿过筛孔落入运移试验箱内；步骤d：运移数据采集，设置好所述高速摄像机的采集频率，打开所述激光光源向所述摄像区域进行照明，启动所述高速摄像机将不同时间段经过所述摄像区域的岩土颗粒进行摄像并传输至所述数据采集仪，所述数据采集仪通过专业图像软件将摄像到的岩土颗粒的图像进行分析得到岩土颗粒的运移规律；步骤e：质量数据采集，通过所述重量传感器对落到所述称重天平上的岩土颗粒的重量数据传输给所述数据采集仪，所述数据采集仪通过相关的数据处理得到从释放岩土颗粒到试验结束岩土颗粒落入所述称重天平过程的质量变化曲线。
16.根据本发明实施例的一种模拟岩土颗粒运移规律的方法，至少具有如下技术效果：1、在进行模拟试验前，既可以通过风机变频器控制变频风机按照不同的转速进行转动，产生不同大小的风力；又可以通过第二变频器控制空气加湿器按照不同功率向运移试验箱的内部进行加湿，使得运移试验箱内部达到不同的湿度环境，以便在进行试验的过程中更加真实的模拟不同环境中（如不同湿度、不同风力）岩土颗粒运移过程，从而更加真实的得到岩土颗粒的运移规律。2、在进行试验的过程中，可以通过电动伸缩杆控制释放控制器下降至不同的高度位置，调节释放控制器与放样器下端开口处之间的间隙尺寸至不同的大小，以达到量测不同岩土颗粒在同一释放速率下的运移规律或量测同一岩土颗粒在不同释放速率下的运移规律，能够更加真实的得到岩土颗粒的运移规律。3、在进行试验的过程中，通过激光光源向摄像区域进行照明补光，以便高速摄像机对不同时间经过摄像区域的岩土颗粒进行摄像并传递给数据采集仪，通过数据采集仪内的专业图像软件来分析不同时刻岩土颗粒粒径的大小、形状、分布特征、粒径周长面积等等，综合分析摄像得到的数据从而得到岩土颗粒的运移规律。4、在进行试验的过程中，重量传感器可以实时的检测称重天平上的重量值并传递给数据采集仪进行处理，从而可以得到从释放岩土颗粒到试验结束岩土颗粒落入称重天平上的过程的质量变化曲线，从而量测出不同时间岩土颗粒积累的质量变化，进而更加真实的得到岩土颗粒的运移规律。
17.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。
附图说明
18.下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：图1为本发明实施例的结构示意图；图2为本发明实施例中释放控制器封堵放样器的结构示意图；
图3为图2中释放控制器下降一小段距离的结构示意图；图4为图2中释放控制器下降至最低处的结构示意图；图5为本发明实施例中高速摄像机、重量传感器和数据采集仪的连接框图。
19.附图标记：100放样器；200释放控制器、210电动伸缩杆、220电流作动器、230安装板；300导流筒、310筛网、320振动组件；400运移试验箱、410激光光源、420高速摄像机、430摄像区域、440风力发生组件、450湿度发生组件、460称重天平、470重量传感器、480数据采集仪。
具体实施方式
20.本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
21.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”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和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、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。
22.在本发明的描述中，如果有描述到“第一”、“第二”等只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
23.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
24.参见图1至图5所示，根据本发明第一方面实施例提供的一种模拟岩土颗粒运移规律的装置，包括呈倒圆台形布置的放样器100，所述放样器100的下端开口处可升降设置有锥形的释放控制器200，所述释放控制器200由电动伸缩杆210驱动升降打开或封堵所述放样器100的下端开口，所述电动伸缩杆210电连接有电流作动器220，所述放样器100的下端环绕连通有导流筒300，所述导流筒300的下端开口处设置有筛网310，所述筛网310上设置有振动组件320；所述导流筒300的下端连通有透明的运移试验箱400，所述运移试验箱400的一侧分别设置有激光光源410和高速摄像机420，所述高速摄像机420电连接有数据采集仪480，所述运移试验箱400内位于所述激光光源410的照射方向和所述高速摄像机420的摄像方向的交叉区域形成摄像区域430；所述运移试验箱400的内部设置有风力发生组件440以及湿度发生组件450，所述风力发生组件440设置有变频风机，所述变频风机电连接有风机变频器；所述湿度发生组件450设置有可变频的空气加湿器，所述空气加湿器电连接有第二变频器；所述运移试验箱400的下端设置有称重天平460，所述称重天平460的下端设置有重量传感器470，所述重量传感器470电连接所述数据采集仪480。
25.与现有技术相比，本发明实施例通过在放样器100的下端开口处设置有由电动伸缩杆210驱动升降的释放控制器200，在进行模拟试验的过程中，通过电动伸缩杆210控制释
放控制器200下降至不同的高度位置，调节释放控制器200与放样器100下端开口处之间的间隙尺寸至不同的大小，既可以满足用于释放不同粒径的岩土颗粒，达到量测不同岩土颗粒在同一释放速率下的运移规律，又可以调节同一岩土颗粒按不同的速率释放，达到量测同一岩土颗粒在不同释放速率下的运移规律，能更加真实的得到岩土颗粒的运移规律。且将电动伸缩杆210电连接有电流作动器220，电流作动器220通过向电动伸缩杆210提供恒定值的电流或电流值随时间线性增加的电流，控制电动伸缩杆210以匀速或变速的方式带动释放控制器200下降，从而可以根据不同模拟试验的需要，精准控制岩土颗粒按不同的速率释放；同时通过将释放控制器200设置为锥形，既方便岩土颗粒顺畅的沿着释放控制器200的斜边滚落至导流筒300内，又可以避免岩土颗粒积聚在释放控制器200的上端面，以便更加真实的模拟不同天气下岩土颗粒的沉降情况。其次通过在运移试验箱400的内部设置有风力发生组件440和湿度发生组件450，在试验的过程中，既可以通过风机变频器控制变频风机按照不同的转速进行转动，产生不同大小的风力；又可以通过第二变频器控制空气加湿器按照不同功率向运移试验箱400的内部进行加湿，使得运移试验箱400内部达到不同的湿度环境，以便更加真实的模拟不同环境中（如不同湿度、不同风力）岩土颗粒运移过程，从而更加真实的得到岩土颗粒的运移规律。还通过在运移试验箱400的一侧分别设置有激光光源410和高速摄像机420，在进行试验的过程中，通过激光光源410向摄像区域430进行照明补光，以便高速摄像机420对不同时间经过摄像区域430的岩土颗粒进行摄像并传递给数据采集仪480，通过数据采集仪480内的专业图像软件（如geopiv软件）来分析不同时刻岩土颗粒粒径的大小、形状、分布特征、粒径周长面积等等，综合分析摄像得到的数据从而得到岩土颗粒的运移规律。同时通过在称重天平460的下端设有电连接数据采集仪480的重量传感器470，重量传感器470可以实时的检测称重天平460上的重量值并传递给数据采集仪480进行处理，从而可以得到从释放岩土颗粒至试验结束过程中岩土颗粒落入称重天平460上的过程的质量变化曲线，从而量测出不同时间积累的质量变化，进而更加真实的得到岩土颗粒的运移规律。在进行模拟试验的过程中，还可以启动振动组件320使得筛网310振动，有效的防止落到筛网310上的岩土颗粒聚集在一起，使其均匀分布在筛网310上，然后通过筛网310的筛孔下落，更加真实的再现岩土颗粒的沉降情况。同时还通过在放样器100的下端开口处环绕套设有导流筒300，导流筒300可以确保岩土颗粒通过释放控制器200的表面斜向下运动的过程中不会运动到本装置外，以防止初始岩土颗粒的数量和质量产生偏差。
26.优选地，可以设置有三组激光光源410和高速摄像机420，以实现在移运试验箱的内部从上至下依次形成三个摄像区域430，从而对三个摄像区域430同时进行三组激光照射拍照，研究降落全程岩土颗粒的运移规律。
27.优选地，所述运移试验箱400内设置有湿度传感器，所述湿度传感器电连接所述第二变频器。通过湿度传感器可以实时的检测运移试验箱400内的湿度并根据检测的结果通过第二变频器控制空气加湿器的加湿功率以确保运移试验箱400的内部加湿满足试验要求。
28.优选地，所述湿度发生组件450设置有四个，四个所述湿度发生组件450沿周向布置在所述运移试验箱400内，通过四个湿度发生组件450同时对运移试验箱400内部的四个方向进行加湿，可以使得运移试验箱400内部的各个位置的湿度基本相同，以便更加真实的模拟不同湿度环境中岩土颗粒运移过程。可以理解的是，将四个湿度发生组件450设置为一
组，并且在运移试验箱400内部的上中下位置分别布置有一组湿度发生组件450，也能够使得运移试验箱400内部的各个位置的湿度基本相同的技术效果。
29.优选地，所述风力发生组件440设置有三个，三个所述湿度发生组件450分别设置在所述运移试验箱400内部的上中下位置，以更真实的模拟不同风力环境中岩土颗粒运移过程。
30.优选地，所述振动组件320包括有三个水平振动器和三个垂直振动器，所述水平振动器和所述垂直振动器沿周向交替布置在所述筛网310上，水平振动器和垂直振动器可以带动筛网310在两个维度上进行振动，有效的防止落到筛网310上的岩土颗粒聚集在一起，使其均匀分布在筛网310上，然后通过筛网310的筛孔下落，更加真实的再现岩土颗粒的沉降情况。
31.优选地，所述电动伸缩杆210设置有两个，两个所述电动伸缩杆210对称设置在所述放样器100的左右两侧，所述电动伸缩杆210的伸缩端之间连接有安装板230，所述释放控制器200连接在所述安装板230上。两个电动伸缩杆210可以带动安装板230平稳的升降不易产生偏移，从而带动释放控制器200保持垂直状态进行升降，实现对放样器100的下端开口准确封堵或打开。
32.优选地，为了便于根据试验所用的岩土颗粒的大小换成不同筛孔直径的筛网310，将所述筛网310可拆卸连接在所述导流筒300的下端开口处，所述导流筒300的下端开口处设置有大径孔，所述大径孔内设置有内螺纹，所述筛网310的外周面的上端设置有与所述内螺纹相匹配的外螺纹；筛网310可以通过内螺纹和外螺纹配合旋接的方式实现可拆卸连接，当需要更换筛网310时可以将筛网310旋转拆下并将新的筛网310旋转连接在导流筒300的下端开口处。可以理解的是，上述仅是筛网310和导流筒300的下端开口处的一种可拆卸连接方式，根据实际的需要，在所述导流筒300的下端面沿周向布置有四个螺纹孔，所述筛网310上对应所述螺纹孔的位置设置有供锁紧螺钉穿过的沉头孔；装配时，将四个锁紧螺钉分别穿过沉头孔与对应的螺纹孔旋接，即可实现将筛网310可拆卸连接在导流筒300的下端开口处。
33.优选地，为了便于观察岩土颗粒沿着释放控制器200与放样器100下端开口处之间的间隙释放下落至筛网310的过程，将易透光的透明材料制成所述导流筒300。
34.参照图1至5所示，根据本发明第二方面实施例的一种应用第一方面实施例的装置模拟岩土颗粒运移规律的方法，包括以下步骤：步骤a：试验前准备，通过所述电流作动器220控制所述电动伸缩杆210通电带动所述释放控制器200上升至将放样器100的下端开口完全封堵；步骤b：启动所述风机变频器控制所述变频风机按照设定的转速转动模拟所需的风力环境，启动所述第二变频器控制所述空气加湿器按照设定的湿度进行加湿模拟所需的湿度环境；步骤c：选取一定颗粒级配的岩土颗粒投入至所述放样器100内，通过所述电流作动器220控制所述电动伸缩杆210通电带动所述释放控制器200下降至设定的位置，此时岩土颗粒顺着所述放样器100和所述释放控制器200的缝隙经由所述释放控制器200的表面斜向下运动至所述导流筒300内的所述筛网310上，启动所述振动组件320振动所述筛网310使得岩土颗粒均匀分布在所述筛网310上并穿过筛孔落入运移试验箱400内；
步骤d：运移数据采集，设置好所述高速摄像机420的采集频率，打开所述激光光源410向所述摄像区域430进行照明，启动所述高速摄像机420将不同时间段经过所述摄像区域430的岩土颗粒进行摄像并传输至所述数据采集仪480，所述数据采集仪480通过geopiv软件将摄像到的岩土颗粒的图像进行分析得到岩土颗粒的运移规律；步骤e：质量数据采集，通过所述重量传感器470对落到所述称重天平460上的岩土颗粒的重量数据传输给所述数据采集仪480，所述数据采集仪480通过相关的数据处理得到从释放岩土颗粒到试验结束岩土颗粒落入所述称重天平460过程的质量变化曲线。
35.与现有技术相比，本发明实施例在进行模拟试验前，既可以通过风机变频器控制变频风机按照不同的转速进行转动，产生不同大小的风力；又可以通过第二变频器控制空气加湿器按照不同功率向运移试验箱400的内部进行加湿，使得运移试验箱400内部达到不同的湿度环境，以便在进行试验的过程中更加真实的模拟不同环境中（如不同湿度、不同风力）岩土颗粒运移过程，从而更加真实的得到岩土颗粒的运移规律。在进行试验的过程中，可以通过电动伸缩杆210控制释放控制器200下降至不同的高度位置，调节释放控制器200与放样器100下端开口处之间的间隙尺寸至不同的大小，以达到量测不同岩土颗粒在同一释放速率下的运移规律或量测同一岩土颗粒在不同释放速率下的运移规律，能够更加真实的得到岩土颗粒的运移规律。在进行试验的过程中，还能通过激光光源410向摄像区域430进行照明补光，以便高速摄像机420对不同时间经过摄像区域430的岩土颗粒进行摄像并传递给数据采集仪480，通过数据采集仪480内的geopiv软件来分析不同时刻岩土颗粒粒径的大小、形状、分布特征、粒径周长面积等等，综合分析摄像得到的数据从而得到岩土颗粒的运移规律。同时在进行试验的过程中，重量传感器470可以实时的检测称重天平460上的重量值并传递给数据采集仪480进行处理，从而可以得到从释放岩土颗粒到试验结束过程中岩土颗粒落入称重天平460上的过程的质量变化曲线，从而量测出不同时间岩土颗粒积累的质量变化，进而更加真实的得到岩土颗粒的运移规律。
36.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。