一种伺服控制的砂雨法制样装置

1.本实用新型主要适用于岩土工程大型现场模型试验技术领域，特别涉及一种伺服控制的大型场地砂雨法自动制样装置及施工方法。


背景技术：

2.砂雨法是常规土工试验中砂土的制样方法。回填过程中不同的相对密实度对试验的结果的精度与参考价值具有较大影响，砂土的密实度受回填速率与回填落距的影响较大。
3.可最真实还原岩土工程中灾变机理的大型现场试验一直是岩土工程中常用的方法。现阶段，大型现场场地试验中砂土的回填主要采用人工或机械回填的方法，不仅耗时耗力，同时受人为因素影响较大，并造成砂土回填的不均匀。
4.本发明之前，专利号为zl202020631178.7的中国发明专利“一种自动控制落距的砂雨法空心圆柱试样制备装置”公布了一种使用砂雨法获得空心圆柱试样的方法；专利号为zl201610289747.2的中国发明专利“3d打印模型隧道及砂雨法模型试验制作装置及施工方法”，公布了室内模型试验的常用砂雨法回填装置，虽然这两种技术方案可获得设计要求的试验回填场地，但受限于技术的要求仅适用于室内小型试验。专利号为zl201510142151.5的中国发明专利“砂雨法自动撒砂器”，公布了一种用于大型模型的砂雨法撒砂装置，该装置适用于离心模型此类室内大尺寸模型试验，无法应用于对大型现场模型试验。
5.因此，针对目前大型现场模型试验中砂土在回填过程中的不足与缺陷，以及大型现场模型试验环境的复杂性与不可预测性，亟需研发一种伺服控制的大型场地砂雨法自动制样装置及施工方法。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的是提供一种伺服控制的砂雨法制样装置，可以有效克服大型现场试验中砂土在回填过程无法精确控制其密实度以及回填不均匀的缺点，为开展大型现场试验中获取精确控制的散粒体场地提供一种装置及方法。
7.本实用新型提供一种伺服控制的砂雨法制样装置，包括原始场地，所述原始场地设有待回填场地；
8.回填漏斗，连接伺服控制系统，所述伺服控制系统驱动所述回填漏斗移动并释放回填砂土；
9.三维激光位移传感器，用于监测待回填场地处回填砂土的高度；
10.筛网，设于待回填场地与回填漏斗之间。
11.进一步的，所述一种伺服控制的砂雨法制样装置还包括：
12.多个丝杠，设于所述原始场地，每个所述丝杆上设有丝杆螺母，筛网通过弹簧与丝杆螺母连接，所述丝杠通过所述丝杆螺母驱动所述筛网进行升降。
13.进一步的，所述一种伺服控制的砂雨法制样装置还包括：
14.偏心振动马达，连接于所述筛网以驱动所述筛网振动。
15.进一步的，每个所述丝杆布设在待回填场地外围20~100cm位置处。
16.进一步的，所述回填漏斗设有阀门及质量传感器，所述阀门位于所述回填漏斗底部用于控制砂土的回填量，所述质量传感器用于检测砂土的质量。
17.进一步的，所述回填漏斗位于筛网上方5~50cm位置处，回填漏斗的容积为0.15~0.9m3，
18.进一步的，所述一种伺服控制的砂雨法制样装置还包括：
19.储水池，设于原始场地，通过输水管向有待回填场地输水。
20.进一步的，所述三维激光位移传感器布设在待回填场地顶部侧壁位置，用于实时监测回填的均匀性以及回填砂土顶部水位线高度的变化，三维激光位移传感器的精度为0.01~1.0mm。
21.本实用新型具有以下优点：
22.（1）本实用新型将带有三维激光位移传感器的伺服控制系统与砂雨法相结合，可对大型现场试验场地中砂土相对密实度进行精确控制；
23.（2）本实用新型的筛网可根据实际场地大小进行定制，筛网中筛孔的尺寸可根据砂土的回填集配进行定制，此外筛网上布设有偏心振动马达，可将回填漏斗中的砂土调整到最为疏松状态；
24.（3）本实用新型的砂土回填漏斗中有阀门，可根据场地回填情况，使用伺服控制精确控制漏斗的出砂量；
25.（4）本实用新型通过三维激光位移传感器对回填情况进行精确监测，并将监测的数据与已有数据库进行对比，精确调节筛网的高度进而控制砂土的回填高度，实现对大型现场试验场地要求的密实度进行精确控制；
26.（5）本实用新型设备简单、成本低廉、精细化程度高，且可重复使用。
27.附图说明：
28.图1本实用新型的原理图；
29.图2砂土回填漏斗示意图；
30.图3三维激光位移传感器监测过程示意图。
31.图中，1为原始场地，2为大型现场回填场地，3为丝杆，4为丝杆螺母，5为弹簧，6为振动马达，7为筛网，8为回填漏斗，9为阀门，10为砂土，11为三维激光位移传感器，12为伺服控制系统，13为数据线，14为储水池，15为输水管，16为蓄水开关，17为质量传感器。
具体实施方式
32.下面结合附图与具体实施方式对本实用新型做进一步的详细描述：
33.请参见图1-3，本实用新型提供一种伺服控制的砂雨法制样装置，包括原始场地1，所述原始场地1设有待回填场地2；
34.回填漏斗8，连接伺服控制系统12，所述伺服控制系统12驱动所述回填漏斗8移动并释放回填砂土10；
35.三维激光位移传感器11，用于监测待回填场地2处回填砂土10的高度；
36.筛网7，设于待回填场地2与回填漏斗8之间。
37.待回填场地2根据设计要求由原始场地1挖掘形成。
38.进一步的，所述一种伺服控制的砂雨法制样装置还包括：
39.多个丝杠3，设于所述原始场地1，每个所述丝杆3上设有丝杆螺母4，筛网7通过弹簧5与丝杆螺母4连接，所述丝杠3通过所述丝杆螺母4驱动所述筛网7进行升降。丝杠3通过电机驱动转动。
40.所述筛网7的回填高度根据多组标定的试验结果进行调整，当回填高度一定时，大型现场回填场地2中的相对密实度按照式1进行计算：
[0041] 。
[0042]
进一步的，所述一种伺服控制的砂雨法制样装置还包括：
[0043]
偏心振动马达6，连接于所述筛网7以驱动所述筛网7振动。所述偏心振动马达6位于筛网7边缘位置。
[0044]
根据回填漏斗8的回填速度与筛网7中筛孔的尺寸伺服控制偏心振动马达6的频率，可将漏斗8中输出的砂土10调节到最为松散的状态，偏心振动马达6的振动频率一般为5~120 hz。
[0045]
所述筛网7的形状主要为方形或者圆形，筛网7及筛孔的尺寸可根据回填需求定做。
[0046]
进一步的，每个所述丝杆3布设在待回填场地2外围20~100 cm位置处。
[0047]
进一步的，所述回填漏斗8设有阀门9及质量传感器17，所述阀门9位于所述回填漏斗8底部用于控制砂土10的回填量，所述质量传感器17用于检测砂土10的质量。
[0048]
进一步的，所述回填漏斗8位于筛网7上方5~50 cm位置处，回填漏斗8的容积为0.15~0.9 m3，
[0049]
进一步的，所述一种伺服控制的砂雨法制样装置还包括：
[0050]
储水池14，设于原始场地1，通过输水管15向有待回填场地2输水。
[0051]
进一步的，所述三维激光位移传感器11布设在待回填场地2顶部侧壁位置，用于实时监测回填的均匀性以及回填砂土10顶部水位线高度的变化，三维激光位移传感器11的精度为0.01~1.0 mm。
[0052]
所述伺服控制系统12以三维激光位移传感器11监测的数据为基础，与数据库中的不同密实度对应的回填高度进行对比，精确调整通过伺服系统12精确丝杆螺母4的高度于设计要求位置，从而获得设计要求密实度的场地。
[0053]
当受到外界客观因素影响出现回填不均匀位置时，通过伺服控制系统12调节漏斗8的行进路线以及筛网7的高度，对回填不均匀位置进行实时调整，从而得到回填均匀场地。
[0054]
所述储水池14可根据砂土回填过程中，回填场地上方水位线的变化，伺服控制输水管的开关16，通过输水管15对回填场地进行蓄水，维持回填砂土上方水体高度恒定，且在设计要求范围内。
[0055]
本实用新型的一种伺服控制的砂雨法制样装置在使用时包括以下技术步骤：
[0056]
步骤一：根据拟开展现场试验方案确定试验场地2的大小以及回填砂土10的相对密实度；
[0057]
步骤二：在原始场地1中开挖获取试验场地2；
[0058]
步骤三：将带有丝杆螺母4的丝杆3按照设计要求锚定在原始场地1中；
[0059]
步骤四：根据试验场地2尺寸与回填砂土10的级配确定筛网与筛孔的尺寸；
[0060]
步骤五：筛网7通过弹簧5与丝杆3外的丝杆螺母4连接；
[0061]
步骤六：将砂土10回填漏斗8布设于筛网7的上方；
[0062]
步骤七：根据筛网7与筛孔的尺寸确定偏心振动马达6的振动频率；
[0063]
步骤八：将三维激光位移传感器11布设在大型现场回填场地2的侧壁顶部位置；
[0064]
步骤九：根据设计相对密实度启动回填漏斗8在试验场地2上方回填砂土10；
[0065]
步骤十：当三维激光位移传感器11监测到回填过程中出现不均匀位置时，伺服控制系统12通过调节漏斗8的行进路线以及回填高度，对局部回填不均匀位置进行再次回填，进而得到设计要求的均匀场地。
[0066]
本实施例是上述实用新型专利的一种优选方案，其他人员仅改动装置的尺寸、流程顺序等仍能处于本专利权利保护范围内。

技术特征：
1.一种伺服控制的砂雨法制样装置，包括原始场地（1），所述原始场地（1）设有待回填场地（2）；其特征在于，还包括：回填漏斗（8），连接伺服控制系统（12），所述伺服控制系统（12）驱动所述回填漏斗（8）移动并释放砂土（10）；三维激光位移传感器（11），用于监测待回填场地（2）处砂土（10）的高度；筛网（7），设于待回填场地（2）与回填漏斗（8）之间。2.根据权利要求1所述的一种伺服控制的砂雨法制样装置，其特征在于，所述一种伺服控制的砂雨法制样装置还包括：多个丝杆（3），设于所述原始场地（1），每个所述丝杆（3）上设有丝杆螺母（4），筛网（7）通过弹簧（5）与丝杆螺母（4）连接，所述丝杆（3）通过所述丝杆螺母（4）驱动所述筛网（7）进行升降。3.根据权利要求2所述的一种伺服控制的砂雨法制样装置，其特征在于，所述一种伺服控制的砂雨法制样装置还包括：偏心振动马达（6），连接于所述筛网（7）以驱动所述筛网（7）振动。4. 根据权利要求2所述的一种伺服控制的砂雨法制样装置，其特征在于，每个所述丝杆（3）布设在待回填场地（2）外围20~100 cm位置处。5.根据权利要求1所述的一种伺服控制的砂雨法制样装置，其特征在于，所述回填漏斗（8）设有阀门（9）及质量传感器（17），所述阀门（9）位于所述回填漏斗（8）底部用于控制砂土（10）的回填量，所述质量传感器（17）用于检测砂土（10）的质量。6. 根据权利要求5所述的一种伺服控制的砂雨法制样装置，其特征在于，所述回填漏斗（8）位于筛网（7）上方5~50 cm位置处，回填漏斗（8）的容积为0.15~0.9 m3。7.根据权利要求1所述的一种伺服控制的砂雨法制样装置，其特征在于，所述一种伺服控制的砂雨法制样装置还包括：储水池（14），设于原始场地（1），通过输水管（15）向有待回填场地（2）输水。8. 根据权利要求1所述的一种伺服控制的砂雨法制样装置，其特征在于，所述三维激光位移传感器（11）布设在待回填场地（2）顶部侧壁位置，用于实时监测回填的均匀性以及砂土（10）顶部水位线高度的变化，三维激光位移传感器（11）的精度为0.01~1.0 mm。

技术总结
本发明公开了一种伺服控制的砂雨法制样装置，包括原始场地，所述原始场地设有待回填场地；回填漏斗，连接伺服控制系统，所述伺服控制系统驱动所述回填漏斗移动并释放回填砂土；三维激光位移传感器，用于监测待回填场地）处回填砂土的高度；筛网，设于待回填场地与回填漏斗之间。根据本发明实施例的伺服控制的大型现场砂雨法自动制样装置结构简单，可重复性强，制备的砂土场地均匀性好，准确度高。准确度高。准确度高。


技术研发人员：陈育民 王琼婷 李长春 谢肖 郭军伟 潘瑞 谭舒亮
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：2023.01.05
技术公布日：2023/7/23