[发明专利]一种用于制备土工离心模型试验的砂雨装置及其制备方法

说明书

技术领域

本发明一种用于制备土工离心模型试验的砂雨装置及其制备方法属于岩土工程物理模拟技术领域，是一种用于制备土工离心模型试验的砂雨装置和方法。

背景技术

砂雨法是将砂土颗粒的重力势能转化为动能，利用砂土颗粒之间的冲击和碰撞使砂粒重新排列，从而获得一定的密度。因其制样过程与水流沉积、风积砂土层的天然形成过程很接近，是目前无黏性土常用的四种制样方法之一，也被广泛应用于土工离心模型试验。砂雨法主要通过控制相对密度获得均质的砂土试样，但利用该方法影响砂土试样质量的影响很多，包括落距、出砂口尺寸、出砂口总流量、出砂口移动路径和平均移动速度等。

现有的砂雨装置大多在采用调整落距作为主要控制因素的基础上进行改进。例如，中国专利（ZL201310506570.3）公开了一种自动控制落距的砂雨装置，通过自动升降台座实现模型箱的移动，从而保证落距不变；李浩等人（岩土工程学报，2014,36（10）：1872-1878）公开了一种设有路径导引装置的砂雨装置，可以实现出砂口沿预定路径移动；赵维和李志阳（人民长江，2015,46（13）：73-77）公开了一种自动撒砂装置，可以控制出砂口的移动速度、路径、行程等运动参数。

但是，上述砂雨装置中出砂口的截面积都远小于模型箱，出砂口在撒砂过程中还需要水平向移动，从而不可避免地又引入出砂口移动路径和平均移动速度两种影响因素，导致砂土试样的整体均匀性和可重复性难以保证。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足之处提供一种用于制备土工离心模型试验的砂雨装置及其制备方法，操作方便，克服了出砂口移动路径和平均移动速度因素对砂样质量的影响。

本发明是采取以下技术方案实现的：

一种用于制备土工离心模型试验的砂雨装置，包括悬挂式电子秤、制动滑轮、砂箱和模型箱，所述悬挂式电子秤、制动滑轮和砂箱之间通过吊绳依次连接；砂箱顶部内嵌有圆水准器，用以保证砂箱的水平；砂箱底部设有出砂口和激光测距仪；所述出砂口均匀分布并贯通于砂箱底部，出砂口为上大下小的漏斗形，在出砂口的两端开口处分别设有筛网，出砂口内设有电动球阀；所述电动球阀由电动执行机构和球阀共同构成；

在砂箱的侧壁外部上设有控制面板；控制面板上设有控制旋钮和电子屏幕，所述控制旋钮与所述电动球阀的电动执行机构的输入控制端通过导线相连，通过控制旋钮调节电动执行机构的输入信号大小，从而调节电动球阀的闭合程度，从而调节出砂口的流量；所述电子屏幕通过单片机与激光测距仪相连，在电子屏幕上显示激光测距仪测量后的读数。

在控制面板上还设有总开关，所述总开关分别与电子屏幕和激光测距仪的控制开关相连，通过总开关控制电子屏幕和激光测距仪的开关。

所述单片机采用市售的MCS89C52单片机。

所述电子屏幕采用市售的LCD液晶显示屏或LED显示屏。

所述制动滑轮包括双排滚轮和制动阀，制动阀安装在双排滚轮侧面，用以约束双排滚轮的转动。

所述激光测距仪设置在砂箱底部中心，激光测距仪的下端与出砂口的下端平齐，实时测量出砂口下端与模型箱内砂土表面之间的距离，即落距。

所述控制面板对称安置在砂箱侧壁。

所述出砂口的分布范围不小于模型箱底部截面尺寸。

所述电动球阀的闭合程度与出砂口的流量成正比。

所述装置在使用时，通过调节制动滑轮直至圆水准器的气泡保持居中，从而调节砂箱的水平性；制动阀约束双排滚轮的转动，保证砂箱在整个撒砂过程中保持水平，进而使得各出砂口处的砂土落距相等。

所述电动球阀和电动执行机构采用市售的电动V型球阀套装组。

一种用于制备土工离心模型试验的砂雨的制备方法，包括步骤如下：

1）通过调节控制旋钮打开电动球阀，保证出砂口的流量为定值后，将此时控制旋钮的位置为标定位置；同时标定砂土密度与落距的关系，确定试验要求砂土密度对应的落距H；

2）在电动球阀关闭状态下，调节制动滑轮直至圆水准器中的气泡保持居中，保证砂箱的水平；

3）垂直移动吊绳至出砂口下端初始位置与模型箱内底的距离达到步骤1）中的标定落距H，同时记录悬挂式电子秤的初始读数；

4）调节控制旋钮至步骤1）中的标定位置，打开电动球阀，开始撒砂；

5）通过调节砂箱高度，保证电子屏幕上显示的激光测距仪的读数始终为落距H，即出砂口下端与模型箱内砂土表面的距离始终不变；