專(zhuān)利名稱(chēng)：模擬離心場(chǎng)邊坡開(kāi)挖工況的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于施工現(xiàn)場(chǎng)模擬設(shè)備，特別涉及一種應(yīng)用于邊坡土工離心模型試驗(yàn)的模 擬離心場(chǎng)邊坡開(kāi)挖工況的設(shè)備。
背景技術(shù)：
邊坡開(kāi)挖是工程中經(jīng)常遇到的問(wèn)題。不合理的開(kāi)挖設(shè)計(jì)和施工對(duì)工程的安全會(huì)產(chǎn) 生重要影響。離心模型試驗(yàn)由于具有保持模型與原型應(yīng)力相同的優(yōu)點(diǎn)，在邊坡的穩(wěn)定性和 破壞機(jī)理等方面已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[1]。目前在離心模型試驗(yàn)中模擬開(kāi)挖主要有以下兩類(lèi) 方法一是在制樣時(shí)將欲開(kāi)挖土體事先挖掉，然后增大離心加速度研究應(yīng)力提高情況下土 體或擋土結(jié)構(gòu)的反應(yīng)[2] ；二是在離心模型試驗(yàn)中通過(guò)排放液體或用高精密機(jī)械設(shè)備模擬開(kāi) 挖[3_4]。第一類(lèi)方法人為忽略了離心機(jī)應(yīng)力路徑的影響，不能真實(shí)模擬實(shí)際邊坡的應(yīng)力場(chǎng)以 及開(kāi)挖導(dǎo)致的變化；采用排放與土相近密度液體的方法則耗時(shí)耗工，同時(shí)對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹?樣提出了很多要求；而精密開(kāi)挖機(jī)械往往需要與精密完善的離心機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)相結(jié)合，受到 不同程度的限制，多為國(guó)外發(fā)展較為完善的離心機(jī)系統(tǒng)上使用，國(guó)內(nèi)尚無(wú)有效的邊坡開(kāi)挖 設(shè)備。[1]濮家騮.土工離心模型試驗(yàn)及其應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)[J]，巖土工程學(xué)報(bào)， 1996,18(5) 96-98 (PU Jia-liu.Geotechnical centrifuge model text and its applicationdevelopment[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering. 1996, 18(5) :92-94.)[2] Powrieff, Kantartiz C. Ground response during diaphragm wall installation inclay[J] · Centrifuge model tests geo technique,1996,46 (4) 7252739.[3]Kimura T, Takemura J, Hiro-oka A, et al. Stability of unsupported andsupported vertical cuts in soft clay[A]. P roc Ilth Southeast Asian Geo Conf[C]，Singapore :1993. 61270. 8[4]李景林，王劍平，徐光明.離心模型試驗(yàn)?zāi)M基坑開(kāi)挖的一種新方法[J]，水 利水運(yùn)科學(xué)研究，2002，4 :69-71. (Li Jing-lin, WANG Jian-ping, XU Guang-ming. Anew method for simulation of excavation in centrifugal model test[J],JOURNAL OFNAN JING HYDRAULIC RESEARCH INSTITUTE,2002,4 :69-71.)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種模擬離心場(chǎng)邊坡開(kāi)挖工況的設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)邊坡離心模型試驗(yàn) 過(guò)程中的實(shí)時(shí)開(kāi)挖和多次開(kāi)挖。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為該設(shè)備主要包括平臺(tái)部分、下切系統(tǒng)和推拉系統(tǒng)。平臺(tái)部分結(jié)構(gòu)為水平放置的底層平臺(tái)板，在所述底層平臺(tái)板上設(shè)置兩條平行的 直線(xiàn)導(dǎo)軌以及滑塊，并在滑塊上安裝與底層平臺(tái)板平行的上層平臺(tái)板。
下切系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為直線(xiàn)電機(jī)安裝在上層平臺(tái)板的中部，電機(jī)軸的末端連接橫截面 為U形的刀片，直線(xiàn)電機(jī)帶動(dòng)刀片做上下運(yùn)動(dòng)。推拉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為牽引電機(jī)位于底層平臺(tái)板的一端，牽引電機(jī)的輸出端通過(guò)齒 輪和齒條帶動(dòng)上層平臺(tái)板水平運(yùn)動(dòng)。所述直線(xiàn)電機(jī)裝有剎車(chē)裝置以在不通電時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行位置。所述刀片豎直安裝于電機(jī)軸底端，采用鋼材料制作。所述牽引電機(jī)為140W的交流電機(jī)，裝有剎車(chē)裝置以保證在不通電時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行位置。所述底層平臺(tái)板上與齒輪相對(duì)應(yīng)的位置設(shè)置卡槽，并通過(guò)改變卡槽與齒輪之間的 相對(duì)高度，來(lái)使齒條與直線(xiàn)導(dǎo)軌平行，以保證齒條滑動(dòng)時(shí)不會(huì)發(fā)生扭曲。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)可靠性強(qiáng)，成本低；(2)設(shè)備和模型箱互相獨(dú)立，避開(kāi)了試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖湓谥茦雍髢?nèi)部空閑尺寸狹窄的限 制，且適宜于各種模型制樣方式；(3)設(shè)備構(gòu)造簡(jiǎn)單，將邊坡坡腳開(kāi)挖過(guò)程簡(jiǎn)化為下切_上提和推_拉兩個(gè)過(guò)程，并 通過(guò)兩個(gè)電機(jī)分別進(jìn)行模擬；(4)控制方便，通過(guò)滑環(huán)連接控制室，結(jié)合圖像采集和位移測(cè)量系統(tǒng)，能夠較好的 進(jìn)行邊坡的實(shí)時(shí)開(kāi)挖和多次開(kāi)挖；(5)易于改造，可根據(jù)各種精度需求采用不同的行程開(kāi)關(guān)和傳感器；(6)適用性廣，可適用于粘土、粉土等多種土質(zhì)邊坡。


圖1為所述設(shè)備的剖面示意圖；圖2該所述設(shè)備的俯視圖；圖3為刀片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)號(hào)1-底層平臺(tái)板；2-上層平臺(tái)板；3-直線(xiàn)導(dǎo)軌；4-滑塊；5-直線(xiàn)電機(jī)；6_電機(jī)軸； 7-刀片；8-牽引電機(jī)；9-齒輪；10-齒條；11-卡槽。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了一種模擬離心場(chǎng)邊坡開(kāi)挖工況的設(shè)備，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方 式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。開(kāi)挖設(shè)備的工作原理是采用刀片將坡腳欲開(kāi)挖土體從邊坡上切下并推離，其可以 簡(jiǎn)化為兩個(gè)過(guò)程刀片自上而下切入坡腳土體的過(guò)程(下切)和向右運(yùn)動(dòng)將切下來(lái)的土體 推離邊坡的過(guò)程(推拉)。另外通過(guò)行程開(kāi)關(guān)、滑環(huán)、控制器組成控制系統(tǒng)，對(duì)開(kāi)挖設(shè)備進(jìn)行 實(shí)時(shí)控制。如圖1和圖2所示，該設(shè)備主要包括平臺(tái)部分、下切系統(tǒng)和推拉系統(tǒng)。平臺(tái)部分結(jié)構(gòu)為水平放置的底層平臺(tái)板1，在所述底層平臺(tái)板1上設(shè)置兩條平行 的直線(xiàn)導(dǎo)軌3以及四個(gè)法蘭型滑塊4，并在滑塊4上安裝與底層平臺(tái)板1平行的上層平臺(tái)板2。直線(xiàn)導(dǎo)軌3為“普通精密型”直線(xiàn)導(dǎo)軌，具有無(wú)噪音，摩擦系數(shù)小，行走平整度高等優(yōu)點(diǎn)。 導(dǎo)軌單條長(zhǎng)60cm，寬15mm，單個(gè)滑塊的容許靜力矩為0. 15KN · m，經(jīng)復(fù)核抗拉壓強(qiáng)度和橫向 抗彎剛度均滿(mǎn)足要求。下切系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為120W的直線(xiàn)電機(jī)5安裝在上層平臺(tái)板2的中部，電機(jī)軸6的材 料為鋼，其直徑為15mm，長(zhǎng)度為60cm，可沿豎直方向上下直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。電機(jī)軸6的末端連接橫 截面為U形的刀片7，直線(xiàn)電機(jī)5帶動(dòng)刀片7做上下運(yùn)動(dòng)。刀片7采用鋼材料，寬19. 5cm, 高15cm，厚5mm，重量為50g，同一高度橫截面為U形，可以增大抗彎剛度并防止開(kāi)挖的土體 從刀片兩側(cè)泄露，同時(shí)底部和兩側(cè)均為單側(cè)楔形以減小入土阻力和對(duì)剩余坡體的擾動(dòng)。刀 片7的下切力由刀片自身重量和電機(jī)輸出力兩部分組成，最大下切力約為1·25Χ104Ν。該 直線(xiàn)電機(jī)5裝有剎車(chē)裝置以在不通電時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行位置。推拉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為140W的交流牽弓I電機(jī)8位于底層平臺(tái)板1的一端，牽弓I電機(jī)8 的輸出端通過(guò)齒輪9和齒條10帶動(dòng)上層平臺(tái)板2水平運(yùn)動(dòng)。通過(guò)對(duì)50g下10 X 20cm尺寸的 坡體一次開(kāi)挖所需力矩進(jìn)行估算，經(jīng)過(guò)兩級(jí)減速后牽引電機(jī)8最大水平推力約為2X 104N。 牽引電機(jī)8同樣裝有剎車(chē)裝置以保證在不通電時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行位置。所述底層平臺(tái)板1上與齒 輪9相對(duì)應(yīng)的位置設(shè)置卡槽11，并通過(guò)改變卡槽11與齒輪9之間的相對(duì)高度，來(lái)使齒條10 與直線(xiàn)導(dǎo)軌3平行，以保證齒條10滑動(dòng)時(shí)不會(huì)發(fā)生扭曲。牽引電機(jī)8通電后，電機(jī)齒輪正反向轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒條右端的上層平臺(tái)板在直線(xiàn)導(dǎo)軌 上左右滑動(dòng)，同樣，開(kāi)挖刀片也可左右運(yùn)動(dòng)。這樣即有效模擬了“推拉”過(guò)程。直線(xiàn)電機(jī)5的 電機(jī)軸帶動(dòng)下部開(kāi)挖刀片沿豎直方向上下運(yùn)動(dòng)，這樣即可根據(jù)需要將刀片垂直的切入和離 開(kāi)邊坡坡腳，即實(shí)現(xiàn)了 “下切_上提”過(guò)程?？紤]到離心機(jī)中滑環(huán)通道數(shù)的限制，該設(shè)備只占用六個(gè)滑環(huán)通道將兩臺(tái)電機(jī)的六 根電源線(xiàn)引入控制室內(nèi)的電源控制盒中，即可在控制室內(nèi)控制兩個(gè)電機(jī)正反轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn) 反復(fù)的推拉和下切_上提過(guò)程。在模型箱玻璃側(cè)壁用坐標(biāo)紙布設(shè)二維坐標(biāo)系，并于二維坐標(biāo)軸上標(biāo)示多次開(kāi)挖時(shí) 各次開(kāi)挖位置，將行程開(kāi)關(guān)布設(shè)至相應(yīng)位置即可控制電機(jī)的行程。通過(guò)現(xiàn)有的離心場(chǎng)觀(guān)測(cè) 系統(tǒng)，即可根據(jù)試驗(yàn)方案的需要在試驗(yàn)過(guò)程中于預(yù)定位置處實(shí)時(shí)進(jìn)行開(kāi)挖和多次開(kāi)挖。
權(quán)利要求
模擬離心場(chǎng)邊坡開(kāi)挖工況的設(shè)備，主要包括平臺(tái)部分、下切系統(tǒng)和推拉系統(tǒng)，其特征在于，平臺(tái)部分結(jié)構(gòu)為水平放置的底層平臺(tái)板(1)，在所述底層平臺(tái)板(1)上設(shè)置兩條平行的直線(xiàn)導(dǎo)軌(3)以及滑塊(4)，并在滑塊(4)上安裝與底層平臺(tái)板(1)平行的上層平臺(tái)板(2)；下切系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為直線(xiàn)電機(jī)(5)安裝在上層平臺(tái)板(2)的中部，電機(jī)軸(6)的末端連接橫截面為U形的刀片(7)，直線(xiàn)電機(jī)(5)帶動(dòng)刀片(7)做上下運(yùn)動(dòng)；推拉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為牽引電機(jī)(8)位于底層平臺(tái)板(1)的一端，牽引電機(jī)(8)的輸出端通過(guò)齒輪(9)和齒條(10)帶動(dòng)上層平臺(tái)板(2)水平運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬離心場(chǎng)邊坡開(kāi)挖工況的設(shè)備，其特征在于，所述直線(xiàn)電 機(jī)(5)裝有剎車(chē)裝置以在不通電時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬離心場(chǎng)邊坡開(kāi)挖工況的設(shè)備，其特征在于，所述刀片(7) 豎直安裝于電機(jī)軸(6)底端，采用鋼材料制作。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬離心場(chǎng)邊坡開(kāi)挖工況的設(shè)備，其特征在于，所述牽引電 機(jī)(8)為140W的交流電機(jī)，裝有剎車(chē)裝置以保證在不通電時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬離心場(chǎng)邊坡開(kāi)挖工況的設(shè)備，其特征在于，所述底層平 臺(tái)板(1)上與齒輪(9)相對(duì)應(yīng)的位置設(shè)置卡槽(11)，并通過(guò)改變卡槽(11)與齒輪(9)之間 的相對(duì)高度，來(lái)使齒條(10)與直線(xiàn)導(dǎo)軌(3)平行，以保證齒條(10)滑動(dòng)時(shí)不會(huì)發(fā)生扭曲。
全文摘要
本發(fā)明屬于施工現(xiàn)場(chǎng)模擬設(shè)備，特別涉及一種模擬離心場(chǎng)邊坡開(kāi)挖工況的設(shè)備。牽引電機(jī)通電后，電機(jī)齒輪正反向轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒條右端的上層平臺(tái)板在直線(xiàn)導(dǎo)軌上左右滑動(dòng)，帶動(dòng)刀片左右運(yùn)動(dòng)，即有效模擬了“推拉”過(guò)程，直線(xiàn)電機(jī)的電機(jī)軸帶動(dòng)下部刀片沿豎直方向上下運(yùn)動(dòng)，這樣即可根據(jù)需要將刀片垂直的切入和離開(kāi)邊坡坡腳，即實(shí)現(xiàn)了“下切-上提”過(guò)程。本發(fā)明可靠性強(qiáng)，成本低，適用性廣，設(shè)備構(gòu)造簡(jiǎn)單，易于改造；設(shè)備和模型箱互相獨(dú)立，避開(kāi)了試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖湓谥茦雍髢?nèi)部空閑尺寸狹窄的限制；控制方便，通過(guò)滑環(huán)連接控制室，結(jié)合圖像采集和位移測(cè)量系統(tǒng)，能夠較好的進(jìn)行邊坡的實(shí)時(shí)開(kāi)挖和多次開(kāi)挖。
文檔編號(hào)E02D33/00GK101906788SQ20101025900
公開(kāi)日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2010年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月20日
發(fā)明者張嘎, 張建民, 李明 申請(qǐng)人:清華大學(xué)