一种地基失稳形式和过程的可视化模型装置的制作方法

本实用新型涉及地基失稳模拟领域，尤其涉及一种地基失稳形式和过程的可视化模型装置。

背景技术：

在浅基础工程中，研究地基失稳是土力学的一项重要内容。现实中土体具有不可见性，难以通过土体位置直观观察地基失稳的发展历程。前人研究所提的地基失稳模式大多基于假设，缺少实际对照。

土体变形测量是土力学研究的重要基础之一。传统的室内模型试验测量通过土体内部埋设的传感器获取局部的应变值，由于传感器有一定尺寸，对于体的变形也会有不可忽视的影响。除此之外，传感器在测量应变之前还没有方法对传感器进行归零矫正，这也使得传感器测量得到的变形与实际的土体的变形有一定的误差。为了实现对土体内部变形的可视化观测，开发了透明土实验技术。

透明土是由透明的固体颗粒材料和空隙液流体混合而成。空隙液需要由两种不同的油组成，两种油的折射率需要一个大于固体材料的折射率，一个小于固体材料的折射率，这样可以配置出来混合溶液的折射率基本等于固体材料的折射率。在透明土中加入示踪粒子，并用激光照射形成一个照射面，示踪粒子可以反射光线，而透明土可以使光线直接透过，用ccd工业相机对这个照射面进行拍照，示踪粒子反射的光线会形成一系列的光斑，称为“激光散斑”；结合piv粒子图像测速技术即可对示踪粒子的运动进行分析，从而得到土体的位移场。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种地基失稳形式和过程的可视化模型装置，包括：激光发射器、试验箱外框架、试验箱、透明土、伺服电动缸、竖向导轨、轴力传感器、加载板、ccd工业相机、计算机和砂土；

试验箱固定于试验箱外框架内，并恰好安装于试验箱外框架上；试验箱为长方体结构，且四面封闭，底部设有一系列用于排水或者油的小孔，上方为开口；试验箱内的底部铺设一层砂土，砂土上方的试验箱中均匀填充有透明土；透明土上表面均匀平整，且在上表面中间位置放置有一个加载板，加载板上方中间位置方置有一个轴力传感器，用于测量加载载荷的大小；

试验箱外框架上方设有反力梁，反力梁上位于轴力传感器的正上方的位置安装有竖向导轨，竖向导轨上安装有伺服电动缸，伺服电动缸的加载点与轴力传感器相接触；伺服电动缸上设有与竖直导轨配合的滑道，使伺服电动缸可沿竖直轨道在竖直方向上下滑动，以调整伺服电动缸的初始工作点；

试验时，伺服电动缸与轨道的相对位置固定，伺服电动缸启动，通过伺服电动缸中的丝杠的移动，改变伺服电动缸的加载点对轴力传感器的加载载荷大小，进而通过加载板改变伺服电动缸对透明土的加载载荷大小；且所述加载板的截面积大于所述轴力传感器的截面积，以将伺服电动缸的集中加载载荷转化为对透明土的均匀分布载荷，模拟地基加载过程；

激光发射器安装于与试验箱的第一侧面距离xcm，且与第一侧面正对的位置；ccd工业相机安装于与试验箱的第一侧面垂直的第二侧面正对的位置，且距离第二侧面的距离为ycm；计算机通过有线或者无线与ccd工业相机进行通信；其中，x和y均为根据实际情况设定的预设值；所述第二侧面为试验时待观测的土体位移面。

进一步地，所述一种地基失稳形式和过程的可视化模型装置，还包括位移传感器；所述位移传感器固定安装于所述加载板上方的反力梁上，用于测量加载板的竖向位移。

进一步地，所述试验箱外框架为角钢焊接而成。

进一步地，所述激光发射器产生的光源为线光源，且线光源的宽度为1mm。

进一步地，所述试验箱为有机玻璃材质，具有良好的透明度，同时也具有较高的强度和安全性。

本实用新型提供的技术方案带来的有益效果是：本实用新型所提出的模型装置能可视化模拟地基失稳过程；且结构简单，成本低，可根据不同尺寸的模型进行自主设计加工调整，很好的适应试验的多样性；采用伺服电动缸，可通过plc编程控制加载的大小和时间；整个试验过程全部采用自动控制，更加准确，简洁。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型实施例中一种地基失稳形式和过程的可视化模型装置的结构示意图；

图2是是本实用新型实施例中一种地基失稳形式和过程的可视化模型装置的左视图。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

本实用新型的实施例提供了一种地基失稳形式和过程的可视化模型装置。

请参考图1，图1是本实用新型实施例中一种地基失稳形式和过程的可视化模型装置的结构示意图，包括：激光发射器1、试验箱外框架2、试验箱3、透明土4、伺服电动缸6、竖向导轨7、轴力传感器8、加载板9、ccd工业相机10、计算机11和砂土12；

试验箱3固定于试验箱外框架2内，并恰好安装于试验箱外框架2上；试验箱3为长方体结构，且四面封闭，底部设有一系列用于排水或者油的小孔，上方为开口；试验箱3内的底部铺设一层砂土12，砂土12上方的试验箱中均匀填充有透明土4(填充数量根据具体试验情况确定)；透明土上表面均匀平整，且在上表面中间位置放置有一个加载板9，加载板9上方中间位置方置有一个轴力传感器8，用于测量加载载荷的大小；所述小孔的直径的大小可根据实际需要设定，本发明实施例中的所述小孔直径为2mm，且沿试验箱3地面的一条边水平排列；

试验箱外框架2上方设有反力梁13，反力梁13上位于轴力传感器8的正上方的位置安装有竖向导轨7，竖向导轨7上安装有伺服电动缸6，伺服电动缸6的加载点与轴力传感器8相接触；伺服电动缸6上设有与竖直导轨7配合的滑道，使伺服电动缸6可沿竖直轨道7在竖直方向上下滑动，以调整伺服电动缸6的初始工作点；

试验时，伺服电动缸6与轨道7的相对位置固定，伺服电动缸6启动，通过伺服电动缸6中的丝杠的移动，改变伺服电动缸6的加载点对轴力传感器8的加载载荷大小，进而通过加载板9改变伺服电动缸6对透明土4的加载载荷大小；且所述加载板9的截面积大于所述轴力传感器8的截面积，以将伺服电动缸6的集中加载载荷转化为对透明土4的均匀分布载荷，模拟地基加载过程；

激光发射器1安装于与试验箱3的第一侧面距离xcm，且与第一侧面正对的位置；ccd工业相机10安装于与试验箱3的第一侧面垂直的第二侧面正对的位置，且距离第二侧面的距离为ycm；计算机11通过有线或者无线与ccd工业相机10进行通信；其中，x和y均为根据实际情况设定的预设值；所述第二侧面为试验时待观测的土体位移面。

请参阅图2，图2是是本实用新型实施例中一种地基失稳形式和过程的可视化模型装置的左视图；所述一种地基失稳形式和过程的可视化模型装置，还包括位移传感器5；所述位移传感器5固定安装于所述加载板9上方的反力梁13上，用于测量加载板9的竖向位移。

在本实用新型实施例中，所述试验箱外框架2为角钢焊接而成；所述激光发射器1产生的光源为线光源，且线光源的宽度为1mm。

在本实用新型实施例中，所述试验箱3为有机玻璃材质，具有良好的透明度，同时也具有较高的强度和安全性。

在本实用新型实施例中，所述伺服电动缸6可以通过plc编程来控制荷载的施加过程。

所述一种地基失稳形式和过程的可视化模型装置的工作原理如下：

打开激光发射器和ccd工业相机，调节伺服电动缸在导轨上的初始工作点，调节完毕后固定并启动伺服电动缸，以通过伺服电动缸中丝杠的移动来改变加载点对轴力传感器的加载载荷的大小，进而轴力传感器盒加载板对透明土进行缓慢加载载荷，在加载过程中保证激光发射器和ccd工业相机的位置不能发生改变，同时ccd工业相机实时采集试验箱的激光照射面上激光散斑的图像，并将图像传输至计算机，计算机将图像导入图像处理软件pivview2c中分析土体失稳变形的位移场。

在本发明实施例中，透明土的制备方法如下：①在室温环境下，将15#白矿油与ei溶剂按体积1：5的比例混合，混合过程中，使用玻璃棒搅拌至混合液均匀，得到粗制的孔隙流体；②微调溶液折射率：使用滴管取少量液体至阿贝折射仪测试棱镜表面，测定混合液的折射率，根据折射率的高低，微调两种液体比例，直至折射率达到1.442，得到精制孔隙流体；③在相同室温下，将沉淀白炭黑粉末缓缓倒入配制完成的孔隙流体中，并用玻璃棒不断搅拌，使沉淀白炭黑充分分散在溶液中；④对配制好的透明土泥浆液进行加压排液固结，得到制备好的透明土。

本实用新型的有益效果是：本实用新型所提出的模型装置能可视化模拟地基失稳过程；且结构简单，成本低，可根据不同尺寸的模型进行自主设计加工调整，很好的适应试验的多样性；采用伺服电动缸，可通过plc编程控制加载的大小和时间；整个试验过程全部采用自动控制，更加准确，简洁。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。