土工离心机模型试验中桩体破坏实时检测系统及方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010162289.2 (22)申请日 2020.03.10 (71)申请人 天津大学 地址 300072 天津市南开区卫津路92号 (72)发明人 郑刚夏博洋周海祚于晓旋 赵佳鹏孙佳羽 (74)专利代理机构 天津市北洋有限责任专利代 理事务所 12201 代理人 张建中 (51)Int.Cl. E02D 33/00(2006.01) (54)发明名称 一种土工离心机模型试验中桩体破坏实时 检测系统及方法 (57)摘要 本发明公开了一种土工离心机模型试验中 桩体破坏实时检测。

2、系统， 包括石墨碳棒、 分压电 阻、 电源、 电压采集模块及信号处理装置； 每个试 验桩体内预埋有一个所述石墨碳棒； 所述石墨碳 棒与试验桩体间相互绝缘； 每个所述石墨碳棒与 至少一个所述分压电阻串联构成一个串联支路； 每个所述串联支路与所述电源的两级连接形成 回路； 所述电压采集模块包括多个采集通道； 一 个所述采集通道对应采集一个所述串联支路中 的所述分压电阻的两端电压； 所述信号处理装置 接收来自所述电压采集模块采集的信号， 处理后 输出各试验桩体的状态及破坏顺序。 本发明还公 开了一种土工离心机模型试验中桩体破坏实时 检测方法。 本发明便于实时检测桩体发生破坏的 顺序。 权利要求书1页。

3、 说明书4页 附图1页 CN 111456115 A 2020.07.28 CN 111456115 A 1.一种土工离心机模型试验中桩体破坏实时检测系统， 其特征在于， 包括石墨碳棒、 分 压电阻、 电源、 电压采集模块及信号处理装置； 每个试验桩体内预埋有一个所述石墨碳棒； 所述石墨碳棒与试验桩体间相互绝缘； 每个所述石墨碳棒与至少一个所述分压电阻串联构 成一个串联支路； 每个所述串联支路与所述电源的两级连接形成回路； 所述电压采集模块 包括多个采集通道； 一个所述采集通道对应采集一个所述串联支路中的所述分压电阻的两 端电压； 所述信号处理装置接收来自所述电压采集模块采集的信号， 处理后输。

4、出各试验桩 体的状态及破坏顺序。 2.根据权利要求1所述的土工离心机模型试验中桩体破坏实时检测系统， 其特征在于， 所述电源为直流电源。 3.根据权利要求1所述的土工离心机模型试验中桩体破坏实时检测系统， 其特征在于， 每一个所述串联支路中串联多个所述分压电阻。 4.根据权利要求1所述的土工离心机模型试验中桩体破坏实时检测系统， 其特征在于， 所述分压电阻的阻值为1100兆欧。 5.根据权利要求1所述的土工离心机模型试验中桩体破坏实时检测系统， 其特征在于， 所述石墨碳棒预埋在试验桩体的中心。 6.一种土工离心机模型试验中桩体破坏实时检测方法， 其特征在于， 在每一个试验桩 体内预埋一个石墨碳。

5、棒， 使所述石墨碳棒与试验桩体间相互绝缘； 将每个石墨碳棒和至少 一个分压电阻串联构成一个串联支路， 将每个串联支路与电源的两级连接形成回路； 在离 心机试验过程中， 采用具有多个采集通道的电压采集模块， 电压采集模块中的一个采集通 道对应采集一个串联支路中的分压电阻的两端电压； 采用信号处理装置， 将各采集通道采 集的电压信号发送至信号处理装置进行汇总分析， 信号处理装置通过对应各试验桩体的采 集通道采集的电压信号的变化， 来确定各试验桩体状态是否为破坏状态及破坏顺序。 7.根据权利要求6所述的土工离心机模型试验中桩体破坏实时检测方法， 其特征在于， 电源采用直流电源。 8.根据权利要求6所。

6、述的土工离心机模型试验中桩体破坏实时检测方法， 其特征在于， 在每一个所述串联支路中串联多个分压电阻。 9.根据权利要求6所述的土工离心机模型试验中桩体破坏实时检测方法， 其特征在于， 采用阻值为1100兆欧的电阻作为分压电阻。 10.根据权利要求6所述的土工离心机模型试验中桩体破坏实时检测方法， 其特征在 于， 将石墨碳棒预埋在试验桩体的中心。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111456115 A 2 一种土工离心机模型试验中桩体破坏实时检测系统及方法 技术领域 0001 本发明涉及一种土工离心机模型试验检测装置， 特别涉及一种土工离心机模型试 验中桩体破坏实时检测系统及方法。 背景技术。

7、 0002 目前， 土工离心机通过改变离心加速度可以产生人造的高重力场， 对大尺寸的结 构物或地基缩尺， 从而进行模型试验研究。 在复合地基支撑路堤稳定性分析中， 路堤下不同 位置的桩体破坏具有明显的先后顺序， 并且不同位置桩体发生断裂后对路堤稳定性的影响 有区别。 由于离心机试验过程中模型桩桩身始终位于土体中， 无法直接观测到桩体破坏对 复合地基承载力变化以及不同位置桩体破坏先后顺序的影响， 所以需要在试验过程中对桩 体发生破坏的时间进行实时监测。 目前施工中常采用的断桩监测方法为超声检测法和温度 传感光纤检测法， 前者通过超声脉冲在土体中的传播速度及能量变化确定断桩位置， 属于 事后检测法。

8、， 无法进行实时监控； 后者通过温度传感光纤对桩体连续区域的温度检测， 通过 温度变化情况判断是否断桩， 但该检测方法无法在离心机试验过程中进行实现。 发明内容 0003 本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种能够在离心机试验过程中 进行检测的土工离心机模型试验中桩体破坏实时检测系统及方法。 0004 本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是： 一种土工离心机 模型试验中桩体破坏实时检测系统， 包括石墨碳棒、 分压电阻、 电源、 电压采集模块及信号 处理装置； 每个试验桩体内预埋有一个所述石墨碳棒； 所述石墨碳棒与试验桩体间相互绝 缘； 每个所述石墨碳棒与至少一个所述分压。

9、电阻串联构成一个串联支路； 每个所述串联支 路与所述电源的两级连接形成回路； 所述电压采集模块包括多个采集通道； 一个所述采集 通道对应采集一个所述串联支路中的所述分压电阻的两端电压； 所述信号处理装置接收来 自所述电压采集模块采集的信号， 处理后输出各试验桩体的状态及破坏顺序。 0005 进一步地， 所述电源为直流电源。 0006 进一步地， 每一个所述串联支路中串联多个所述分压电阻。 0007 进一步地， 所述分压电阻的阻值为1100兆欧。 0008 进一步地， 所述石墨碳棒预埋在试验桩体的中心。 0009 本发明还提供了一种土工离心机模型试验中桩体破坏实时检测方法， 该方法为： 在每一个。

10、试验桩体内预埋一个石墨碳棒， 使所述石墨碳棒与试验桩体间相互绝缘； 将每个 石墨碳棒和至少一个分压电阻串联构成一个串联支路， 将每个串联支路与电源的两级连接 形成回路； 在离心机试验过程中， 采用具有多个采集通道的电压采集模块， 电压采集模块中 的一个采集通道对应采集一个串联支路中的分压电阻的两端电压； 采用信号处理装置， 将 各采集通道采集的电压信号发送至信号处理装置进行汇总分析， 信号处理装置通过对应各 试验桩体的采集通道采集的电压信号的变化， 来确定各试验桩体状态是否为破坏状态及破 说明书 1/4 页 3 CN 111456115 A 3 坏顺序。 0010 进一步地， 电源采用直流电源。

11、。 0011 进一步地， 在每一个所述串联支路中串联多个分压电阻。 0012 进一步地， 采用阻值为1100兆欧的电阻作为分压电阻。 0013 进一步地， 将石墨碳棒预埋在试验桩体的中心。 0014 本发明具有的优点和积极效果是： 通过将石墨碳棒植入试验桩体内部， 将其与定 值的分压电阻串联形成回路的方式， 在土工离心机试验过程当中， 可以在无法观测到桩身 形态的情况下， 对桩体发生破坏情况进行实时监测； 同时， 该方法在离心机试验过程当中不 会受到升g的影响， 每根带有碳棒的桩体都对应着独立的数据采集通道， 彼此之间不会产生 影响， 便于实时检测桩体发生破坏的顺序。 本发明能够较好的适用于土。

12、工离心机试验， 能够 适应较高的离心加速度并方便观测人员对实时数据进行采集。 附图说明 0015 图1是本发明的一种土工离心机模型试验中桩体破坏实时检测系统结构示意图。 0016 图中： 1、 石墨碳棒； 2、 试验桩体； 3、 导线； 4、 分压电阻； 5、 直流电源； 6、 电压采集模 块； 7、 信号处理装置。 具体实施方式 0017 为能进一步了解本发明的发明内容、 特点及功效， 兹列举以下实施例， 并配合附图 详细说明如下： 0018 请参见图1， 一种土工离心机模型试验中桩体破坏实时检测系统， 包括石墨碳棒1、 分压电阻4、 电源、 电压采集模块6及信号处理装置7； 每个试验桩体2。

13、内预埋有一个所述石墨 碳棒1； 所述石墨碳棒1与试验桩体2间相互绝缘； 每个所述石墨碳棒1与至少一个所述分压 电阻4串联构成一个串联支路； 每个所述串联支路与所述电源的两级连接形成回路； 所述电 压采集模块6包括多个采集通道； 一个所述采集通道对应采集一个所述串联支路中的所述 分压电阻4的两端电压； 所述信号处理装置7接收来自所述电压采集模块6采集的信号， 处理 后输出各试验桩体2是否破坏的状态， 以及各试验桩体2的破坏顺序。 0019 所述石墨碳棒1的长度与试验桩体2长度相匹配， 埋设后， 其两端可比试验桩体2的 长度略短5-10厘米。 所述石墨碳棒1可外涂绝缘漆， 或外包绝缘层， 或者试验。

14、桩体2的材料采 用绝缘材料等， 使所述石墨碳棒1与试验桩体2间相互绝缘。 0020 分压电阻4指与某一电路串联的电阻， 在总电压不变的情况下， 在某一电路上串联 一个分压电阻4， 将能起分压的作用， 一部分电压将降在分压电阻4上， 使该部分电路两端的 电压减小。 0021 所述电压采集模块6可采用现有技术中的多路电压采集模块， 所述信号处理装置7 可采用现有技术中的电压信号处理器、 微处理器模块或工控机等电压信号处理及分析装 置， 可采用输出信号为数字量信号的多路电压采集模块6， 其可通过总线接口与所述信号处 理装置7连接。 所述信号处理装置7对各个采集通道的采集信号， 进行汇总处理， 其可根。

15、据采 集信号绘制对应各试验桩体2的电压波形图， 通过电压波形变化或电压值的变化等进行分 析， 判断各试验桩体2是否破坏， 以及各试验桩体2的破坏顺序， 并输出分析结果， 并可将处 说明书 2/4 页 4 CN 111456115 A 4 理后的数据及分析结果通过显示器显示， 以及通过打印机打印等。 0022 如果采用输出信号为模拟量信号的多路电压采集模块， 则可将多路电压采集模块 的输出信号进行A/D转换后， 再输入至所述信号处理装置7； 也可采用内置A/D转换模块的信 号处理装置7， 比如内置A/D转换模块的微处理器等。 0023 进一步地， 所述电源可为直流电源。 可采用现有技术中的直流稳。

16、压电源， 如果采用 交流电源， 也可以采用采集交流电压信号的电压采集模块6。 或者在电压采集模块6前端可 采用桥式整流器对所述分压电阻4的两端电压进行整流， 然后电压采集模块6采集整流后的 电压信号。 0024 每一个所述串联支路中可串联多个所述分压电阻4， 通过串联多个分压电阻4， 可 以更灵活的匹配电压采集模块6的输入量程及电源的输出电压。 为便于减少电压损耗以及 更精确地测量所述分压电阻4两端的电压， 所述分压电阻4的阻值可为1100兆欧。 为便于 分析， 各分压电阻4可选择阻值相同或相接近的电阻。 0025 为便于试验的一致性， 所述石墨碳棒1优选预埋在试验桩体2的中心。 0026 本。

17、发明还提供了一种土工离心机模型试验中桩体破坏实时检测方法， 该方法为： 在每一个试验桩体2内预埋一个石墨碳棒1， 使所述石墨碳棒1与试验桩体2间相互绝缘； 将 每个石墨碳棒1和至少一个分压电阻4串联构成一个串联支路， 将每个串联支路与电源的两 级连接形成回路； 在离心机试验过程中， 采用具有多个采集通道的电压采集模块6， 电压采 集模块6中的一个采集通道对应采集一个串联支路中的分压电阻4的两端电压； 采用信号处 理装置7， 将电压采集模块6中的各采集通道采集的电压信号发送至信号处理装置7进行汇 总分析， 信号处理装置7通过对应各试验桩体2的采集通道采集的电压信号的变化， 来确定 各试验桩体2状。

18、态是否为破坏状态及破坏顺序。 0027 所述石墨碳棒1的长度与试验桩体2长度相匹配， 埋设后， 其两端可比试验桩体2的 长度略短5-10厘米。 所述石墨碳棒1可外涂绝缘漆， 或外包绝缘层， 或者试验桩体2的材料采 用绝缘材料等， 使所述石墨碳棒1与试验桩体2间相互绝缘。 0028 埋设时先将导线3与石墨碳棒1连接， 然后将导线3引出， 再将灌注试验桩体2的材 料。 0029 电源优选直流电源， 直流便于后续的数据处理。 0030 可在每一个串联支路中串联多个分压电阻4， 通过串联多个分压电阻4， 可以更灵 活的匹配电压采集模块6的输入量程及电源的输出电压。 为便于减少电压损耗以及更精确 地测量。

19、所述分压电阻4两端的电压， 可选阻值为1100兆欧的电阻作为分压电阻4。 为便于 分析对比， 各分压电阻4可选择阻值相同或相接近的电阻。 0031 为便于试验的一致性， 优选将所述石墨碳棒1预埋在试验桩体2的中心。 0032 下面以本发明的一个优选实施例来进一步说明本发明的工作原理： 0033 如图所示所述的石墨碳棒1安置在试验桩体2的模具内部， 位于试验桩体2模具的 中心， 两端导线3从模具引出。 试验桩体2的材料可由水， 砂， 石膏三者按一定配比进行拌合， 倒入模具中凝固成桩， 并在常温状态下养护而成， 试验桩体2的材料接近于绝缘材料， 不具 备导电性； 石墨碳棒1具有良好的导电性能； 同。

20、时， 石墨碳棒1自身的抗弯刚度小， 将其放入 到模型桩当中， 不会影响桩体的抗弯强度， 对试验结果不会造成影响。 0034 将带有石墨碳棒1的试验桩体2插入指定位置， 将石墨碳棒1通过引出的导线3与分 说明书 3/4 页 5 CN 111456115 A 5 压电阻4串联成串联支路， 将串联支路接入直流电源5形成闭合回路， 此时石墨碳棒1相当于 导线3。 将电压采集模块6与分压电阻4的两端连接， 电压采集模块6采集分压电阻4的两端电 压。 0035 电压采集模块6采集的信号发送至信号处理装置7， 由石墨碳棒1和分压电阻4组成 的各串联支路相互独立， 每一个试验桩体2内的石墨碳棒1对应一个采集通。

21、道， 由信号处理 装置7进行汇总分析， 能够根据采集通道的地址及其采集的电压信号来判断相应的试验桩 体2的状态。 0036 在土工离心机的试验进行过程中， 当试验桩体2发生弯曲破坏， 桩体中心处的石墨 碳棒1随之发生断裂， 此时原本的闭合回路发生断路， 分压电阻4两端的电压降为零， 信号处 理装置7可以通过读取电压采集模块6采集的信号， 根据电压的变化趋势， 进而判定加载过 程当中， 桩体的破坏时间及顺序。 0037 以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点， 其目的在于使本领域内 的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施， 不能仅以本实施例来限定本发明的专利范 围， 即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰， 仍落在本发明的专利范围内。 说明书 4/4 页 6 CN 111456115 A 6 图1 说明书附图 1/1 页 7 CN 111456115 A 7 。