本发明公开了一种变频振冲模拟设备及其模拟方法，模拟设备包括有外壳、振动棒、上部连接部件、下部连接部件、水管和综合控制系统。模拟方法包括有如下步骤：S1，埋设传感器设备；S2，悬挂模拟设备；S3，水管预通水；S4，调节初始出水压力；S5，调节初始频率；S6，调节不同悬空高度的模拟设备，作用于土体；S7，完成一个批次工作模拟；S8，重复步骤S6～S7，进行下一轮模拟；S9，关闭设备开关。本发明能高质量还原振冲器加固过程，方便模拟振冲器对土体的加固实验。
1.一种变频振冲模拟设备，其特征在于，包括有变频振冲模拟装置和与变频振冲模拟装置连接的综合控制系统(6)；
所述变频振冲模拟装置包括有外壳(3)、安装在外壳(3)内的振动棒(1)、固定振动棒(1)的上部连接部件(2)和下部连接部件(4)，以及设置在外壳(3)内壁上的水管(5)；所述上部连接部件(2)和下部连接部件(4)与外壳(3)固定连接；
所述下部连接部件(4)上设置有出水口(4021)，所述水管(5)的出水端弯折后与出水口(4021)连接，所述水管(5)的进水端连接综合控制系统(6)，所述振动棒(1)与综合控制系统(6)连接。
2.根据权利要求1所述的一种变频振冲模拟设备，其特征在于，所述外壳(3)包括有薄壁空心圆筒(301)、设置在薄壁空心圆筒(301)外部的刻度线(303)和两处抗扭片(302)。
3.根据权利要求2所述的一种变频振冲模拟设备，其特征在于，所述上部连接部件(2)包括有圆环(202)和固定在圆环(202)下端的上部空心圆柱(201)；所述圆环(202)上设置有安装水管(5)的水管预留口(2021)。
4.根据权利要求3所述的一种变频振冲模拟设备，其特征在于，所述下部连接部件(4)包括有下部空心圆柱(401)和固定在下部空心圆柱(401)下端的空心圆锥(402)，所述下部空心圆柱(401)设置有安装水管(5)的水管通道(4012)。
5.根据权利要求4所述的一种变频振冲模拟设备，其特征在于，所述水管(5)包括有内部水管(502)和外部水管(503)，以及连接内部水管(502)和外部水管(503)的水管连接装置(501)；所述外部水管(503)与综合控制系统(6)连接。
6.根据权利要求5所述的一种变频振冲模拟设备，其特征在于，所述外壳(3)的上部设置有若干个安装上部连接部件(2)的上螺孔(3011)，所述外壳(3)的下部设置有若干个安装下部连接部件(4)的外壳下螺孔(3012)；所述上部空心圆柱(201)上设置有若干安装上部连接部件(2)上部件螺孔(2011)，所述上部连接部件(2)通过螺栓(7)安装固定在外壳(3)上；
所述下部空心圆柱(401)设置有若干个安装下部连接部件(4)的下部件螺孔(4011)；所述下部连接部件(4)通过螺栓(7)安装固定在外壳(3)上。
7.根据权利要求6所述的一种变频振冲模拟设备，其特征在于，所述振动棒(1)包括有由下往上依次连接的振动棒主体(101)、减震段(103)和振动软轴(102)；所述振动棒主体(101)通过上部件螺孔(2011)和下部件螺孔(4011)中的螺栓(7)卡紧固定。
8.根据权利要求5‑7任一所述的一种变频振冲模拟设备，其特征在于，还包括有设置在所述外壳(3)外壁的侧壁压力传感器(304)、设置在所述下部连接部件(4)底部的底部压力传感器(4022)和孔隙水压力传感器(4023)、设置在所述内部水管(502)端部的水压传感器(504)；所述侧壁压力传感器(304)、所述底部压力传感器(4022)、所述水压传感器(504)通过无线方式将数据传输至控制系统(6)。
9.一种采用权利要求1‑8任一项所述的变频振冲模拟设备的模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：设定加固方案中初始水压、初始频率和工作水压；确定变频振冲模拟设备的数量、各个批次的变频振冲模拟设备的加固顺序、以及确定加固方案的土体预定加固效果；准备模拟所需的加固土体，在加固土体中埋设土体传感器设备，并将传感器设备连接至综合控制系统(6)；
S2：根据加固方案选取所需变频振冲模拟设备的数量，并将振动软轴(102)悬挂至龙门架上，使变频振冲模拟设备处于垂直地面的状态；
S3：将水管(5)的进水端与综合控制系统(6)连接，开启变频振冲模拟设备，通过调节综合控制系统(6)对水管(5)进行预通水；
S4：利用水压传感器(504)检测的水压大小，将水管(5)的压力调节至初始出水压力；
S5：初始出水压力调节完成后，调节变频振冲模拟设备的工作振动频率至初始频率，振动软轴(102)以初始频率震动，并将震动传递到振动棒(1)上；
S6：通过龙门架上的自动升降装置调节所有变频振冲模拟设备的悬挂高度，使其按照加固方案的顺序有序下降并作用于加固土体中；
S7：完成一个批次的振冲模拟工作后将变频振冲模拟设备吊起至脱离土体表面；
S8：重复步骤S6～S7，开启下一轮的变频振冲模拟工作，直至完成加固方案的所有批次的振冲模拟工作；
S9：待所有批次的振冲模拟工作完成后，关闭变频振冲模拟设备的水源开关、电源开关和数据采集设备的采集开关。
10.根据权利要求9所述的变频振冲模拟设备的模拟方法，其特征在于，所述土体传感器设备包括土体孔隙水压力传感器、土压力盒传感器、加速度传感器和速度传感器。
一种变频振冲模拟设备及模拟方法
技术领域
[0001] 本发明涉及振冲器振冲模拟领域，具体涉及一种变频振冲模拟设备及其模拟方法。
背景技术
[0002] 目前地基处理技术全面发展并应用，作为加固砂体以及部分特殊土体的地基处理方式，振冲法被广泛运用于工程。振冲法又称振动水冲法。在振冲器振动过程中，土体受到振冲器作用的水平激振力，土体因此变得更为密实。同时，地基土体在振冲器高频反复激振作用下发生液化，从而发生土体位置的重新排布，导致重新排列后的土体孔隙减少，形成具有更高密实度与更强承载力的地基，同时提升土体的抗液化能力。因此，振冲法在工业与民用建筑工程、交通工程和市政工程等地基处理工程中得到广泛应用。
[0003] 然而，在研究和改进振冲法的内在作用机理和施工方法时，由于振冲器自身尺寸过大等内在原因和流程复杂、施工成本高和场地要求高等外在原因，同时无法通过埋置各项传感器准确、高效、反复地研究其实际作用时的内在规律，导致无法根据各项参数的实际响应来优化振冲器本身及振冲器作用模式。同时，传统振冲器采用统一的振冲频率，无法研究频率对振冲加固效果的影响。总体而言，当前振冲器的试验现状不利于振冲器的长期发展。
[0004] 将大型设备振冲器经过缩尺改良，保留水平激振力和振冲头出水的基础上，形成可进行变频工作的变频振冲模拟设备。在土体中埋设各类型传感器，通过改变振冲器本身的频率参数或改变振冲试验工况，通过所得数据研究振冲加固效果与加固机理。所以，有必要提出一种可应用于室内模型工作的变频振冲模拟设备。
发明内容
[0005] 针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种可应用于室内模型工作的变频振冲模拟设备。
[0006] 为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：
[0007] 一种变频振冲模拟设备，包括有变频振冲模拟装置和与变频振冲模拟装置连接的综合控制系统；变频振冲模拟装置包括有外壳、安装在外壳内的振动棒、固定振动棒的上部连接部件和下部连接部件，以及设置在外壳内壁上的水管；上部连接部件和下部连接部件与外壳固定连接；下部连接部件上设置有出水口，水管的出水端折弯后与出水口连接，水管的进水端连接综合控制系统，振动棒与综合控制系统连接。
[0008] 进一步地，外壳包括有薄壁空心圆筒、设置在薄壁空心圆筒外部的刻度线和两处抗扭片。抗扭片防止变频振冲模拟设备发生损失仪器内部的大扭动变形。刻度线用于观察进入土体深度。
[0009] 进一步地，上部连接部件包括有圆环和固定在圆环下端的上部空心圆柱；圆环上设置有安装水管的水管预留口。
[0010] 进一步地，下部连接部件包括有下部空心圆柱和固定在下部空心圆柱下端的空心圆锥，下部空心圆柱设置有安装水管的水管通道。
[0011] 进一步地，水管包括有内部水管和外部水管，以及连接内部水管和外部水管的水管连接装置；外部水管与综合控制系统连接。外部水管在出现破损情况后，借助水管连接装置可对其进行拆卸并重新安装新水管。
[0012] 进一步地，外壳的上部设置有若干个安装上部连接部件的上螺孔，外壳的下部设置有若干个安装下部连接部件的外壳下螺孔；上部空心圆柱上设置有若干安装上部连接部件上部件螺孔，上部连接部件通过螺栓安装固定在外壳上；下部空心圆柱设置有若干个安装下部连接部件的下部件螺孔；下部连接部件通过螺栓安装固定在外壳上。
[0013] 进一步地，还包括有设置在外壳外壁的侧壁压力传感器、设置在下部连接部件底部的底部压力传感器和孔隙水压力传感器、设置在内部水管端部的水压传感器；侧壁压力传感器、底部压力传感器、水压传感器通过无线方式将数据传输至控制系统。
[0014] 进一步地，振动棒包括有由下往上依次连接的振动棒主体、减震段和振动软轴；振动棒主体通过上部件螺孔和下部件螺孔中的螺栓卡紧固定。
[0015] 一种变频振冲模拟设备的模拟方法，包括有如下步骤：
[0016] S1：设定加固方案中初始水压、初始频率和工作水压；确定变频振冲模拟设备的数量、各个批次的变频振冲模拟设备的加固顺序、以及确定加固方案的土体预定加固效果；准备模拟所需的加固土体，在加固土体中埋设土体传感器设备，并将传感器设备连接至综合控制系统(6)；
[0017] S2：根据加固方案选取所需变频振冲模拟设备的数量，并将振动软轴(102)悬挂至龙门架上，使变频振冲模拟设备处于垂直地面的状态；
[0018] S3：将水管(5)的进水端与综合控制系统(6)连接，开启变频振冲模拟设备，通过调节综合控制系统(6)对水管(5)进行预通水；
[0019] S4：利用水压传感器(504)检测的水压大小，将水管(5)的压力调节至初始出水压力；
[0020] S5，初始出水压力调节完成后，调节变频振冲模拟设备的工作振动频率至初始频率，振动软轴(102)以初始频率震动，并将震动传递到振动棒(1)上；
[0021] S6，通过龙门架上的自动升降装置调节所有变频振冲模拟设备的悬挂高度，使其按照加固方案的顺序有序下降并作用于加固土体中；
[0022] S7，完成一个批次的振冲模拟工作后将变频振冲模拟设备吊起至脱离土体表面；
[0023] S8，重复步骤S6～S7，开启下一轮的变频振冲模拟工作，直至完成加固方案的所有批次的振冲模拟工作；
[0024] S9，待所有批次的振冲模拟工作完成后，关闭变频振冲模拟设备的水源开关、电源开关和数据采集设备的采集开关。
[0025] 进一步地，土体传感器设备包括土体孔隙水压力传感器、土压力盒传感器、加速度传感器和速度传感器。
[0026] 本发明的有益效果为：本发明包括振动棒、上部连接部件、外壳、下部连接部件和水管。将水管和可变频混凝土振动棒依次穿过上部连接部件、外壳、下部连接部件后，通过螺栓将各部件固定组装，形成一种变频振冲模拟试验设备。该设备在实现可变化频率的水平激振力的同时，确保振冲头前端有压力水源对土体进行射水处理，高质量还原振冲器加固过程，并可应用于科研试验研究。本发明所述装置适用于研究振冲器对土体加固机理并进行方案优化的试验研究，供设计和研究人员开展相关模型试验研究。
附图说明
[0027] 图1为变频振冲模拟设备的整体结构示意图；
[0028] 图2为变频振冲模拟设备的部分剖面示意图；
[0029] 图3为上部连接部件结构示意图；
[0030] 图4为外壳结构示意图；
[0031] 图5为下部连接部件结构示意图；
[0032] 图6为水管结构示意图；
[0033] 图中主要部件符号说明如下：
[0034] 1、振动棒；101、振动棒主体；102、振动软轴；103、减震段；6、综合控制系统；
[0035] 2、上部连接部件；201、上部空心圆柱；2011、上部件螺孔；202、圆环；2021、水管预留口；
[0036] 3、外壳；301、薄壁空心圆筒；3011、外壳上螺孔；3012、外壳下螺孔；302、抗扭片；303、刻度线；304、侧壁压力传感器；
[0037] 4、下部连接部件；401、下部空心圆柱；4011、下部件螺孔；4012、水管通道；402、空心圆锥；4021、出水口；4022、底部压力传感器；4023、孔隙水压力传感器；
[0038] 5、水管；501、水管连接装置；502、内部水管；503、外部水管；504、水压传感器。
具体实施方式
[0039] 下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0040] 如图1和图2所示，一种变频振冲模拟设备包括有变频振冲模拟装置和与变频振冲模拟装置连接的综合控制系统(6)；变频振冲模拟装置包括有金属的外壳3、安装在外壳3内的振动棒1、固定振动棒1的上部连接部件2和下部连接部件4，以及设置在外壳3内壁上的水管5。上部连接部件2和下部连接部件4与外壳3固定连接。下部连接部件4上设置有出水口4021，水管5的出水端朝向出水口4021，水管5的进水端连接综合控制系统6，振动棒1与综合控制系统6连接。
[0041] 还包括有设置在外壳3外壁的侧壁压力传感器304、设置在下部连接部件4底部的底部压力传感器4022和孔隙水压力传感器4023、设置在内部水管502端部的水压传感器504；侧壁压力传感器304、底部压力传感器4022、水压传感器504通过无线方式将数据传输至控制系统6。
[0042] 如图4所示，外壳3包括有薄壁空心圆筒301、设置在薄壁空心圆筒301外部的刻度线303和两处抗扭片302。外壳3主体为薄壁空心圆筒301。薄壁空心圆筒301上下有螺栓孔洞。外壳3外部对称焊接两块细长的抗扭片302，并在外壁处设置有刻度线303。外壳3外部设置侧壁压力传感器304。抗扭片302防止变频振冲模拟设备发生损失仪器内部的大扭动变形。刻度线303用于观察进入土体深度。侧壁压力传感器304监测侧向土压力。
[0043] 如图3所示，上部连接部件2包括有圆环202和固定在圆环202下端的上部空心圆柱201；在圆环202上设置有安装水管5的水管预留口2021。上部连接部件2由上部具有水管预留口2021的圆环202和下部带有上部件螺孔2011的上部空心圆柱201组成。上部件螺孔2011均匀分布于上部连接部件2的上部空心圆柱201四周。上部连接部件2上半部分的圆环202外直径比下半部分的上部空心圆柱201外直径略大，两者差值大小为外壳3的壁厚大小。圆环
202的内直径大小略大于振动棒1的直径。水管预留口2021用于水管5穿过上部连接部件2。
水管预留口2021垂直贯通圆环202和上部空心圆柱201。
[0044] 下部连接部件4包括有下部空心圆柱401和固定在下部空心圆柱401下端的空心圆锥402，下部空心圆柱401设置有安装水管5的水管通道4012。下部连接部件4由上部具有下部件螺孔4011和水管通道4012的下部空心圆柱401和下部具有出水口4021的空心圆锥402组成。空心圆锥402底部附加设置底部压力传感器4022和孔隙水压力传感器4023。底部压力传感器4022监测贯入阻力；孔隙水压力传感器4023监测土体液化程度。下部连接部件4的下部空心圆柱401和上部连接部件2的上部空心圆柱201具有相同的内外直径与壁厚。下部件螺孔4011均匀分布于下部连接部件4的下部空心圆柱401四周。水管通道4012入口位于下部空心圆柱401上部，出口位于下部空心圆柱401内壁下部。空心圆锥402的内空心部分为内部水管502在邻近出水口4021区域提供可弯折空间。
[0045] 如图2至图6所示，振动棒1包括有由下往上依次连接的振动棒主体101、减震段103和振动软轴102。振动棒1可产生频率可调节的高频率水平振动，通过振动软轴102与综合控制系统6连接。振动棒主体101通过上部件螺孔2011和下部件螺孔4011中的螺栓7卡紧固定。振动棒1是通过外部的振动软轴101与变频器设备连接的振动棒设备。上部件螺孔2011与外壳3的外壳上螺孔3011相匹配。下部件螺孔4011与外壳3的外壳下螺孔3012相匹配。变频振冲模拟设备的组装过程，首先将内部水管502依次穿过水管预留口2021、外壳3和水管通道
4012，在空心圆锥402内弯折后与出水口4021连接。将振动棒1的振动软轴102延伸连接至外部综合控制系统6。然后将振动棒1依次穿过上部连接部件2、外壳3，伸入下部连接部件4中。
再将上部连接部件2、外壳3、下部连接部件4拼接组合，此时各个螺栓孔洞需对应匹配。螺栓
7依次穿过外壳3、上部连接部件2，各方位的螺栓7将振动棒1牢牢抵住卡紧。外部水管503通过水管连接装置501与内部水管502相连接。将各类传感器安装就位于变频振冲模拟设备的外部，后对传感器信号与综合控制系统6进行无线连接配对。完成变频振冲模拟设备的组装。
[0046] 如图6所示，水管5包括有内部水管502和外部水管503，以及连接内部水管502和外部水管503的水管连接装置501，外部水管503与综合控制系统6连接。水管5是一套便于对外部损毁的水管进行装卸的水管装置设施，其主要由水管连接装置501、内部水管502和外部水管503共同组成。水管连接装置501将位于变频振冲模拟设备内部的内部水管502和外部的外部水管503相连接，外部水管503的出水端折弯后与出水口4021连接，水管连接装置501为普通的水管连接头即可。内部水管502临近出水口4021处内部设置水压传感器504。水压传感器504监测水管5内的水压大小。外部水管503连接综合控制系统6并接受综合控制系统6对其进行的水源水压控制。外部水管503在出现破损情况后，借助水管连接装置501可对其进行拆卸并重新安装新水管。
[0047] 变频振冲模拟设备的组装过程：首先将内部水管502依次穿过水管预留口2021、外壳3和水管通道4012，在空心圆锥402内弯折后与出水口4021连接。将振动棒1的振动软轴102延伸连接至外部综合控制系统6。然后将振动棒1依次穿过上部连接部件2、外壳3，伸入下部连接部件4中。再将上部连接部件2、外壳3、下部连接部件4拼接组合，此时各个螺栓孔洞需对应匹配。螺栓7依次穿过外壳3、上部连接部件2，各方位的螺栓7将振动棒1牢牢抵住卡紧。外部水管503通过水管连接装置501与内部水管502相连接。将各类传感器安装就位于变频振冲模拟设备的外部，后对传感器信号与综合控制系统6进行无线连接配对。完成变频振冲模拟设备的组装。
[0048] 综合控制系统6是一套变频振冲模拟设备的综合控制系统，接受各项参数传感器的土体信号，并对接收信号进行自动处理后，综合控制系统6对变频振冲模拟设备反馈发出工作调整信号，工作调整信号经振动软轴102传递至振动棒主体101对变频振冲模拟装置进行工作控制。综合控制系统6对水管5提供水源并对水源进行水压调节。
[0049] 一种变频振冲模拟设备的模拟方法，包括以下步骤：
[0050] S1：设定加固方案中初始水压、初始频率和工作水压；确定变频振冲模拟设备的数量、各个批次的变频振冲模拟设备的加固顺序、以及确定加固方案的土体预定加固效果；准备模拟所需的加固土体，在加固土体中埋设土体传感器设备，并将传感器设备连接至综合控制系统(6)；土体传感器设备包括土体孔隙水压力传感器、土压力盒传感器、加速度传感器和速度传感器；
[0051] S2：根据加固方案选取所需变频振冲模拟设备的数量，并将振动软轴(102)悬挂至龙门架上，使变频振冲模拟设备处于垂直地面的状态；在龙门架上安装自动升降装置，自动升降装置用于控制变频振冲模拟设备升降，并控制变频振冲模拟设备的升降速度；
[0052] S3：将水管(5)的进水端与综合控制系统(6)连接，开启变频振冲模拟设备，通过调节综合控制系统(6)对水管(5)进行预通水；
[0053] S4：利用水压传感器(504)检测的水压大小，将水管(5)的压力调节至初始出水压力；
[0054] S5，初始出水压力调节完成后，调节变频振冲模拟设备的工作振动频率至初始频率，振动软轴(102)以初始频率震动，并将震动传递到振动棒(1)上；
[0055] S6，通过龙门架上的自动升降装置调节所有变频振冲模拟设备的悬挂高度，使其按照加固方案的顺序有序下降并作用于加固土体中；在变频振冲模拟设备作用于加固土体的过程中，振动棒主体101带动变频振冲模拟设备在土体中产生水平激振力，水管5射出压力水作用于土体；
[0056] S7，完成一个批次的振冲模拟工作后将变频振冲模拟设备吊起至脱离土体表面；
[0057] S8，重复步骤S6～S7，开启下一轮的变频振冲模拟工作，直至完成加固方案的所有批次的振冲模拟工作；
[0058] S9，待所有批次的振冲模拟工作完成后，关闭变频振冲模拟设备的水源开关、电源开关和数据采集设备的采集开关。
[0059] 其中，综合控制系统6连接变频振冲模拟设备与加固土体中的传感器，综合控制系统6对传感器设备采集的数据进行实时处理，综合控制系统6根据处理后的信息对变频振冲模拟设备进行调节，调整的工作信号返回至变频振冲模拟设备；同时将处理数据、反馈数据保存在综合控制系统6中。
[0060] 其中，综合控制系统6根据变频振冲模拟装置上的侧壁压力传感器304、底部压力传感器4022和孔隙水压力传感器4023，以及土体传感器设备测试的结果，反馈得到贯入阻力、贯入速度和密实度变化参数，综合控制系统6实时自动调整振动软轴102的工作振动频率、自动升降装置的下降速度，使加固达到加固方案的土体预定加固效果；水压传感器504根据土体状况反馈至综合控制系统6后，综合控制系统6实时反馈调节水管5中水压至加固方案的工作水压；振冲工作状态调节过程，变频振冲模拟设备与加固土体中的各个传感器将各种信号反馈至综合控制系统6后，综合控制系统6通过工作信号反馈调节振动软轴102。。
