CN105510558B - 应用于模拟岩溶地区地铁振动引发岩溶塌陷的模拟试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用于模拟岩溶地区地铁振动引发岩溶塌陷的模拟试验装置，该装置主要由电动激振器、外部箱体、侧壁、底板、基座、柔性杆、垫板以及量测系统等构成。可通过外部箱体固定水平激振器和地面上的基座固定竖直激振器，并经模型箱的垫板连接到模型箱内部，以实现水平和竖直振动。基座与激振器、外部箱体与激振器之间是刚连接。通过外部调节激振器频率和振幅，传力到相应柔性杆，再传递到对应一级的垫板上；通过垫板将振动传到模型箱体的土体中，以实现激振器对模型箱体的水平和竖直振动。与现有技术相比，本发明可更为可靠便捷地用于模拟地铁振动作用下岩溶塌陷的形成机制，能够实现水平和竖向振动，具有频响范围大，振动和频率容易控制，成本低的优点。
Description
技术领域
本发明属于地质工程与地质灾害防治技术领域，尤其是涉及一种基于激振器实现的双向振动装置的模拟试验装置。
背景技术
我国岩溶地区城市也通过修建地铁来解决城市交通问题，与国内外研究较多的山岭隧道施工和建(构)筑物基础或地下室施工岩溶处理相比，地铁工程多处于繁华都市区，周边建筑物和地下管线密集，环境保护要求高，岩溶探测难度大，岩溶处理限制因多；地铁工程为线型工程，工法多样，穿越岩溶区跨度大，岩溶与地铁线路关系复杂，不同的岩溶处理手段对工程的造价和安全影响大；为尽量避开岩溶区，地铁工程多采用浅埋型，地下溶洞、土洞隐蔽性强，增加了工程风险的突发性和工程使用期的安全风险。对地铁振动的研究主要集中于非岩溶土体隧道，有关岩溶地铁隧道的研究工作主要集中于建设期。关于模拟岩溶地区地铁振动时的试验模型箱方面研究更是少之又少。
发明内容
本发明的目的，就是为克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种可用于模拟岩溶地区地铁振动时的模拟试验装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种可用于模拟岩溶地区地铁振动引发岩溶塌陷的模拟试验装置，其特征在于，该装置包括若干激振器、外部箱体2、内部箱体15(即模型箱)、若干垫板、侧壁7、底板4、基座9、柔性杆、量测系统。
所述激振器包括水平激振器和垂直激振器，分别提供水平和竖向的振源；
所述外部箱体2起到了支撑和支架作用，用于固定水平激振器；
所述内部箱体15内放有模拟用的岩石11和土体12，是被激振对象；
内部箱体15通过模型箱底板4架设在外部箱体2内；
外部箱体2、内部箱体15都设置有侧壁7，为透明的有机玻璃板，以便于观察；
外力输入通过垫板作用于内部箱体15；
地面上的基座固定竖直激振器，竖直激振器经内部箱体的垫板连接到内部箱体的内部，以实现竖直振动。
基座9与垂直的激振器之间是刚性连接，外部箱体与水平的激振器之间是刚性连接。
通过外部调节激振器频率和振幅，传力到相应柔性杆，再传递到对应一级的垫板上；通过垫板将振动传到内部箱体的土体12中，以实现激振器对内部箱体的水平和竖直振动。
本发明装置的安装：安置好外内两个箱体。在模型箱底板4上预制两个直径为5cm的圆形漏洞8，模拟岩溶地区的溶洞。再在内部箱体侧壁7左右两侧凿出两个可容纳柔性管贯通的侧壁的圆孔10，用于激振器施加水平上的振动。水平激振器通过外部箱体固定在内部箱体的两侧，通过柔性杆施加于水平振动垫板6上，进而将水平振动施加于箱体的侧面岩溶地层中。竖直激振器连接在固定基座9上，再通过竖直振动垫板5将振动施加于内部箱体的岩溶地层中。
本发明装置的使用：在装备好内部箱体后准备试验时，在模型箱底板4的下侧用木板(图中未示意)堵住两个圆形漏洞8，在内部箱体15左右侧壁内侧放置水平振动垫板6，用以施加水平振动。然后向内部箱体15填入岩石11和土体12，待填好之后，将模型箱底板4下侧的木板移除。待稳定后，通过水平激振器和竖直激振器施加水平和竖直向的振动，观测和记录底板下土体漏出的情况。调节振幅和频率，比较不同状态下的渗漏情况。
所述激振器可以为电动式激振器，频率为10Hz-1000Hz左右，激振力为最大可达800N。可以满足地铁振动频率和振幅的要求。
所述柔性杆可通过一端串联着一力传感器，以便能够同时测量出激振力的幅值和相位角。
所述的量测系统通过在内部箱体15上勾画出标有刻度的正方形等间距的表格，可以通过测量上覆土体的位移量测出沉降量。在试验中需要在外部箱体2的正面和侧面分别安装一个摄像头13，通过摄像机能准确确定每一时刻的位移量。在模型箱底板4下部漏洞8放置带托盘的天平秤，用来测量不同时刻掉落的土体的质量。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、采用激振器进行竖直和水平双向振动，更好再现地铁振动过程中的双向振动过程的影响，可大大减少对土体扰动，适合用于软土地区；
2、采用激振器进行振动模拟，频率和振幅可以和地铁振动的产生的振动波相对应；
3、模型箱结构简单，安装方便；
4、模型箱采用材料简单，操作方便，成本低。
附图说明
图1为本发明的双向振动模型的总体连接布局示意图；
图2为本发明的双向振动模型箱的俯视示意图；
图3为本发明的双向振动模型箱的侧视示意图；
图4为本发明的双向振动模型箱箱体内的剖面示意图；
图5为本发明的双向振动模型箱箱体不同形状漏洞的底板。
图6为本发明的双向振动模型箱标有网格型刻度的侧壁。
图中，1激振器，2外部箱体，3柔性杆，4模型箱底板，5竖直振动垫板，6水平振动垫板，7侧壁，8模拟溶洞的漏洞，9基座，10侧壁的圆孔，11岩石，12土体，13摄像机，14网格型刻度，15内部箱体，16天平秤。
其中1-1、1-2为水平激振器，1-3为竖直激振器，3-1、3-2为水平激振器作用的柔性杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
一种应用于模拟岩溶地区地铁振动时的研究试验模型试验装置，主体结构如图1、2、3、4所示，该试验装置包括激振器(水平激振器1-1、1-2，竖直激振器1-3)、外部箱体2、柔性杆3、模型箱底板4、竖直振动垫板5、水平振动垫板6、侧壁7、模拟溶洞的漏洞8、基座9、侧壁的圆孔10、岩石11、土体12、摄像机13、网格型刻度14、内部箱体15、天平秤16。
水平激振器1-1、1-2固定在外部箱体2上，用于试验时施加水平振动，激振器1-1、1-2又分别连接柔性杆3-1、3-2。柔性杆3作为水平振动波的传播杆通过侧壁的圆孔10连接到水平振动垫板6上，进而将振动传递到土层中。竖直激振器1-3由基座9固定，基座9与竖直激振器1-3固定连接，竖直激振器1-3通过触发振动波，传递到内部箱体15竖直振动垫板5上，进而传递到内部箱体岩溶地层中，施加竖直向振动。竖直振动垫板5是用螺母固定在模型箱底板4上的。模型箱底板4模拟溶洞的漏洞8可以根据箱体土体和岩体构造不同制作成不同形状或不同大小，以模拟现实工况中不同的地质构造情况。
在试验前期填入岩石和土体时需要将模拟溶洞的漏洞8用密封材料堵住。待岩石和土体填完后，移除密封材料，并稳定一段时间后，开始同时开启水平激振器1-1、1-2和竖直激振器1-3，观察水平和竖直双向振动同时影响下的模型箱土体的变化，也可只开一种激振器观察水平或竖直双向振动影响下的模型箱土体的变化。通过网格型刻度14测量土体的位移量，通过天平秤16测量掉落土体的质量。基于此，有助于为研究不同因素条件下地铁振动对岩溶塌陷影响机制的研究。
Claims (5)
1.一种可用于模拟岩溶地区地铁振动引发岩溶塌陷的模拟试验装置，其特征在于，该装置包括若干激振器、外部箱体(2)、内部箱体(15)、若干垫板、侧壁(7)、模型箱 底板(4)、基座(9)、柔性杆、量测系统；
所述激振器包括水平激振器和垂直激振器，分别提供水平和竖向的振源；
所述外部箱体(2)起到了支撑和支架作用，用于固定水平激振器；
所述内部箱体(15)内放有模拟用的岩石(11)和土体(12)，是被激振对象；
内部箱体(15)通过模型箱底板(4)架设在外部箱体(2)内；
外部箱体(2)、内部箱体(15)都设置有侧壁(7)，为透明的有机玻璃板；
外力输入通过垫板作用于内部箱体(15)；
地面上的基座固定竖直激振器，竖直激振器经内部箱体(15)的垫板连接到内部箱体(15)的内部，以实现竖直振动；
所述的模型箱底板(4)采用钢材材料组成，限于内部箱体(15)体积大小，在底板上预制两个直径为5cm的漏洞(8)，用于模拟岩溶地区的溶洞地貌。
2.根据权利要求1所述的一种可用于模拟岩溶地区地铁振动引发岩溶塌陷的模拟试验装置，其特征在于，所述的水平向振动由外部箱体(2)固定的激振器通过柔性杆连接到内部箱体(15)内的水平振动垫板(6)进而实现对模型水平振动的控制。
3.根据权利要求1所述的一种可用于模拟岩溶地区地铁振动引发岩溶塌陷的模拟试验装置，其特征在于，所述的竖直向振动通过竖直激振器的柔性杆连接到内部箱体(15)底部的垫板(5)上来调节内部箱体(15)竖直向的振动；设置在内部箱体(15)底部的激振器通过基座(9)支撑。
4.根据权利要求1所述的一种可用于模拟岩溶地区地铁振动引发岩溶塌陷的模拟试验装置，其特征在于，通过外部调节激振器频率和振幅，传力到相应柔性杆，再传递到对应一级的垫板上；通过垫板将振动传到内部箱体(15)的土体(12)中，以实现激振器对内部箱体(15)的水平和竖直振动。
5.根据权利要求1所述的一种可用于模拟岩溶地区地铁振动引发岩溶塌陷的模拟试验装置，其特征在于，所述的量测系统量测内部箱体(15)内土层的沉降量，土体掉落的质量。
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