專利名稱：一種全過(guò)程連續(xù)精細(xì)跟蹤的軟土動(dòng)力特性試驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于巖土工程試驗(yàn)儀器領(lǐng)域，特別涉及在水作用條件下，對(duì)軟土的動(dòng)力特性(動(dòng)強(qiáng)度、動(dòng)剪切模量和阻尼比等)進(jìn)行全過(guò)程連續(xù)精細(xì)跟蹤與高精度量測(cè)，并涉及試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
由于軟土強(qiáng)度低，壓縮性高，透水性小，并且還存在流變性，使得其上覆結(jié)構(gòu)物的建設(shè)變得困難和復(fù)雜，在動(dòng)力荷載(地震荷載，波浪荷載，交通荷載等)下極易出現(xiàn)工程事故。通過(guò)對(duì)地基軟土的測(cè)試，掌握軟土的各種動(dòng)力特性指標(biāo)，采取相應(yīng)的災(zāi)害預(yù)防措施，是減少軟基上建筑結(jié)構(gòu)物事故和損失的重要途徑。動(dòng)力荷載具有隨機(jī)性和復(fù)雜性，因此，軟土動(dòng)力問題研究的應(yīng)變范圍較大，需要使用不同的試驗(yàn)方法測(cè)定土體動(dòng)力特性參數(shù)。室內(nèi)土動(dòng)力測(cè)試儀器主要有動(dòng)三軸儀、振動(dòng)剪切儀、共振柱儀、振動(dòng)臺(tái)、離心機(jī)等，使用這些儀器，在室內(nèi)可以做從小應(yīng)變到大應(yīng)變的試驗(yàn)如采用壓電陶瓷彎曲元剪切波速測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試土樣在極小應(yīng)變范圍(10-5-10_3(%)的動(dòng)力特性指標(biāo)；采用共振柱儀測(cè)試土樣在小應(yīng)變范圍(10-4-10_2%)的動(dòng)力特性指標(biāo)；采用多功能三軸儀測(cè)試土樣在較大應(yīng)變范圍(10_2-10%)的動(dòng)力特性指標(biāo)。由于各種測(cè)試方法測(cè)量精度范圍的限制，對(duì)軟土動(dòng)強(qiáng)度、動(dòng)剪切模量和阻尼比等的測(cè)試只能在相應(yīng)的應(yīng)變范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，然后將不同應(yīng)變段的測(cè)量數(shù)據(jù)整合，進(jìn)行試驗(yàn)研究。這不僅使試驗(yàn)變得繁瑣，增加了試驗(yàn)的誤差和不確定性，也無(wú)法克服試驗(yàn)點(diǎn)離散和銜接不好的缺點(diǎn)。另外，以往的測(cè)試儀器，只能對(duì)試件進(jìn)行局部觀察，得到的試驗(yàn)現(xiàn)象不夠全面和立體，甚至?xí)雎灾匾脑囼?yàn)現(xiàn)象。因此設(shè)計(jì)一套能夠三維全景觀察和精細(xì)跟蹤的軟土動(dòng)力特性試驗(yàn)系統(tǒng)，解決軟土的全應(yīng)變過(guò)程連續(xù)高精度測(cè)量問題，具有十分重要的科學(xué)意義與廣闊的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供全應(yīng)變過(guò)程(10_5_10% )連續(xù)精細(xì)跟蹤的軟土動(dòng)力特性試驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水作用條件下全過(guò)程連續(xù)精細(xì)跟蹤及高精度的量測(cè)，并可進(jìn)行多尺度全景三維觀測(cè)，最終揭示軟土的動(dòng)力特性。為達(dá)到本發(fā)明的目的，采用的技術(shù)方案如下基于多功能動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，包括由壓力室，壓力控制系統(tǒng)，激振系統(tǒng)，測(cè)量系統(tǒng)，伺服控制系統(tǒng)，顯微觀測(cè)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。下面詳細(xì)介紹各部分的具體組成與功能I.壓力室由壓力室有機(jī)玻璃外殼，土樣底座承臺(tái)，土樣軸向加載軸組成。圓形壓力室周圍由有機(jī)玻璃制成，便于用顯微鏡三維全景觀察試驗(yàn)過(guò)程中軟土表面特征。壓力室內(nèi)部的情況；在壓力室的中軸上，從下到上依次分布為土樣底座承臺(tái)、土樣以及土樣軸向加載軸，可實(shí)現(xiàn)對(duì)土樣進(jìn)行軸向加壓；水溶液存在于中軸設(shè)備與壓力室外殼之間，提供土樣的水環(huán)境和徑向壓力。
2.壓力控制系統(tǒng)由軸向加壓控制系統(tǒng)，軸向加壓設(shè)備，圍壓控制系統(tǒng)、圍壓加載設(shè)備組成。
壓力控制系統(tǒng)用于對(duì)壓力的大小進(jìn)行控制。根據(jù)不同的試驗(yàn)方案，在不同的時(shí)間段由壓力控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)土樣軸向壓力和徑向圍壓，使之能夠模擬工程中的各種施工方案下軟土的承壓情況，同時(shí)圍壓控制系統(tǒng)通過(guò)圍壓加載設(shè)備提供對(duì)壓力室中充水并加壓的功倉(cāng)泛。3.激振系統(tǒng)可提供模擬地震，海浪，交通和施工振動(dòng)等各種動(dòng)荷載，與高性能計(jì)算機(jī)相連，由高性能計(jì)算機(jī)控制。4.測(cè)量系統(tǒng)由軸向數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)，徑向光纖測(cè)量系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和解調(diào)儀組成。軸向數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)將土樣軸向的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，再反饋到伺服控制系統(tǒng)。徑向壓力測(cè)量系統(tǒng)將土樣徑向應(yīng)力數(shù)據(jù)采集到轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，再反饋到伺服控制系統(tǒng)。徑向波長(zhǎng)調(diào)制型光纖應(yīng)變傳感器，將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇庹{(diào)儀中，再反饋到高性能計(jì)算機(jī)中，轉(zhuǎn)換成土樣剪切應(yīng)變。5.伺服控制系統(tǒng)由兩個(gè)伺服控制器組成。伺服控制器分別與軸向加壓控制系統(tǒng)和軸向壓力測(cè)量系統(tǒng)相連，并根據(jù)軸向數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)反饋的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)，及時(shí)通過(guò)軸向加壓控制系統(tǒng)調(diào)整軸向壓力；伺服控制器分別與圍壓控制系統(tǒng)和徑向壓力測(cè)量系統(tǒng)相連，并根據(jù)徑向數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)反饋的應(yīng)力數(shù)據(jù)，及時(shí)通過(guò)圍壓控制系統(tǒng)調(diào)整徑向圍壓。同時(shí)兩個(gè)伺服控制器將應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)礁咝阅苡?jì)算機(jī)中。6.顯微觀測(cè)系統(tǒng)由顯微鏡，顯微鏡觀測(cè)軌道，顯微鏡支架，圖像采集器，圖像分析器組成。顯微觀測(cè)系統(tǒng)用顯微鏡來(lái)觀察土樣表面破壞現(xiàn)象，并利用圖像采集器對(duì)土樣表面特征進(jìn)行捕捉，并將采集到的信號(hào)傳輸?shù)綀D像分析器中進(jìn)行轉(zhuǎn)換和分析，最傳輸?shù)礁咝阅苡?jì)算機(jī)中。7.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由一臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)組成。高性能計(jì)算機(jī)用于控制激振系統(tǒng)，記錄伺服控制系統(tǒng)和解調(diào)儀傳輸進(jìn)來(lái)的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)及工作情況，并將采集的數(shù)據(jù)以可視化的方式展現(xiàn)給用戶，同時(shí)也用于存儲(chǔ)與顯示顯微觀測(cè)系統(tǒng)采集的圖像信號(hào)，并可根據(jù)用戶的要求作進(jìn)一步處理。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為I、能夠?qū)崿F(xiàn)全應(yīng)變段連續(xù)精細(xì)跟蹤及高精度的量測(cè)。2、能夠?qū)崿F(xiàn)水作用條件下的量測(cè)過(guò)程，可進(jìn)行快速不排水試驗(yàn)，不排水固結(jié)三軸試驗(yàn)，排水固結(jié)三軸試驗(yàn)，不排水不固結(jié)試驗(yàn)等，為開展軟土動(dòng)力特性試驗(yàn)研究提供可靠的依據(jù)。3、能夠?qū)崿F(xiàn)多尺度全景三維觀測(cè)，對(duì)軟土在動(dòng)力荷載作用下的變化過(guò)程進(jìn)行高精度、高分辨率地捕捉、跟蹤和識(shí)別以及全程動(dòng)態(tài)記錄。4、本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)試精度高、穩(wěn)定性好、可操作性強(qiáng)、儀器高度方便，對(duì)安裝測(cè)試人員沒有很強(qiáng)的技術(shù)要求。


圖I是本發(fā)明的組成部分示意圖其中A——壓力室Al——壓力室外殼A2——有機(jī)玻璃外殼A3——土樣底座承臺(tái) A4——土樣軸向加載軸B——壓力控制系統(tǒng)BI——軸向加壓控制系統(tǒng)B2——軸向加壓設(shè)備B3——圍壓控制系統(tǒng) B4——圍壓加載設(shè)備C-測(cè)量系統(tǒng)Cl—軸向數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)C2—徑向壓力測(cè)量系統(tǒng)C3——數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)D——伺服控制系統(tǒng)Dl—伺服控制器D2—伺服控制器E-顯微觀測(cè)系統(tǒng)El——顯微鏡E3——顯微鏡自平衡支架E2—圖像采集器E4——圖像分析器E5—顯微鏡環(huán)形觀測(cè)軌道F—計(jì)算機(jī)系統(tǒng)F—高性能計(jì)算機(jī)G——光纖連續(xù)應(yīng)變監(jiān)控系統(tǒng)Gl—波長(zhǎng)調(diào)制型光纖應(yīng)變傳感器 G2—光纜G3——解調(diào)儀H——激振系統(tǒng)I——土樣圖2是具體實(shí)施方式
流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖I和2詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的使用方式。本發(fā)明的具體使用步驟如下I.依次安放好試驗(yàn)設(shè)備，連接好各個(gè)子系統(tǒng)。2.將軟土試樣放置與壓力室A中，安裝軸向與徑向數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)C1、C2。3.啟動(dòng)電源，通過(guò)伺服控制系統(tǒng)D設(shè)定加載控制的方式，加載速率及荷載級(jí)別。4.調(diào)節(jié)顯微觀測(cè)系統(tǒng)E，使之能夠清晰的觀察軟土表面的情況；同時(shí)設(shè)定軸向測(cè)量系統(tǒng)和徑向圍壓測(cè)量系統(tǒng)C，以及徑向光纖測(cè)量系統(tǒng)G中的數(shù)據(jù)采集頻率和后處理要求。5.啟動(dòng)壓力控制系統(tǒng)B，通過(guò)軸向加壓控制系統(tǒng)BI及圍壓控制系統(tǒng)B3對(duì)壓力室中的施加的軸向壓力和圍壓進(jìn)行控制。
6.啟動(dòng)激振系統(tǒng)，施加試驗(yàn)需要的動(dòng)荷載。7.啟動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)C和顯微觀測(cè)系統(tǒng)E，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和軟土樣品表面觀察。8.將測(cè)量系統(tǒng)C 采集的數(shù)據(jù)通過(guò)伺服控制器D傳輸給高性能計(jì)算機(jī)F，光纖測(cè)量系統(tǒng)G采集的數(shù)據(jù)直接傳輸給高性能計(jì)算機(jī)F，通過(guò)處理，將數(shù)據(jù)以可視化的形式展現(xiàn)給用戶；將通過(guò)顯微觀測(cè)系統(tǒng)E拍攝的照片傳輸給高性能計(jì)算機(jī)F，通過(guò)視頻和圖像處理軟件展示給用戶，并將拍攝的照片進(jìn)行存儲(chǔ)。9.持續(xù)步驟7，直至試驗(yàn)結(jié)束。
權(quán)利要求
1.一種全過(guò)程連續(xù)精細(xì)跟蹤的軟土動(dòng)力特性試驗(yàn)系統(tǒng)，包括壓カ室，壓カ控制系統(tǒng)，激振系統(tǒng)，測(cè)量系統(tǒng)，伺服控制系統(tǒng)，顯微觀測(cè)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。其特征在于在水作用條件下全過(guò)程連續(xù)精細(xì)跟蹤及高精度的量測(cè)，并可實(shí)現(xiàn)多尺度全景三維觀測(cè)，最終掲示軟土的動(dòng)カ特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種全過(guò)程連續(xù)精細(xì)跟蹤的軟土動(dòng)力特性試驗(yàn)系統(tǒng),其特征在于 壓カ室中由水提供圍壓，波長(zhǎng)調(diào)制型光纖應(yīng)變傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)水作用條件下的高精度量測(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I和2所述的ー種全過(guò)程連續(xù)精細(xì)跟蹤的軟土動(dòng)力特性試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于 波長(zhǎng)調(diào)制型光纖應(yīng)變傳感器可進(jìn)行全應(yīng)變段連續(xù)精細(xì)跟蹤，解決應(yīng)變量測(cè)不連續(xù)的問題。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種全過(guò)程連續(xù)精細(xì)跟蹤的軟土動(dòng)力特性試驗(yàn)系統(tǒng),其特征在于 測(cè)量系統(tǒng)由軸向數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)，徑向光纖測(cè)量系統(tǒng)，光纜，解調(diào)儀，徑向壓カ數(shù)據(jù)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成。
測(cè)量系統(tǒng)中軸向數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)，徑向壓カ數(shù)據(jù)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)相連，再分別與伺服控制系統(tǒng)中伺服控制器相連接。徑向光纖測(cè)量系統(tǒng)，光纜，與解調(diào)儀相連，再與計(jì)算機(jī)相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種全過(guò)程連續(xù)精細(xì)跟蹤的軟土動(dòng)力特性試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于 顯微觀測(cè)系統(tǒng)由顯微鏡，顯微鏡自平衡支架，顯微鏡環(huán)形觀測(cè)軌道，圖像采集器，圖像分析器組成。
顯微觀測(cè)系統(tǒng)的安放次序?yàn)?，將顯微鏡自平衡支架安放在環(huán)形觀測(cè)軌道上，將顯微鏡安放在顯微鏡自平衡支架上，將圖像采集器安裝在顯微鏡上，并連接到圖像分析器上。顯微觀測(cè)系統(tǒng)中圖像分析器與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中高性能計(jì)算機(jī)相連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全過(guò)程連續(xù)精細(xì)跟蹤的軟土動(dòng)力特性試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由壓力室，壓力控制系統(tǒng)，激振系統(tǒng)，測(cè)量系統(tǒng)，伺服控制系統(tǒng)，顯微觀測(cè)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。主要優(yōu)點(diǎn)是水作用條件下全過(guò)程連續(xù)精細(xì)跟蹤及高精度的量測(cè)，并可實(shí)現(xiàn)多尺度全景三維觀測(cè)，最終揭示軟土的動(dòng)力特性。
文檔編號(hào)G01N3/32GK102636391SQ20121003380
公開日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月15日
發(fā)明者劉鎮(zhèn), 周翠英, 尤帆帆, 楊旭 申請(qǐng)人:中山大學(xué)