CN110987600B - 土工离心模型中连续可调梯形或锥形不均匀沉降控制设备 - Google Patents
土工离心模型中连续可调梯形或锥形不均匀沉降控制设备 Download PDFInfo
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Abstract
一种土工离心模型中连续可调梯形或锥形不均匀沉降控制设备，其组成为：在模型箱底部设置有高度相等且长度均等于箱内长的左、右侧钢板平台和边缘钢板平台，左、右侧钢板平台的顶面向内延伸并形成倒角，两处延伸相隔一定距离以模拟不均匀沉降区域，且与模型箱底部之间形成一个空腔，在空腔内安装微型伺服升降电机，微型伺服升降电机的上方焊接移动支撑平台，其上方放置多个长度等于模型箱内长的钢板条，左侧钢板条组最左侧钢板条的左侧边和右侧钢板条组最右侧钢板条的右侧边均形成倒角，最左侧钢板条与左侧钢板平台、最右侧钢板条与右侧钢板平台以及每个钢板条组内相邻的钢板条都处在同一水平面上且之间均以小型合页无缝连接。
Description
技术领域
本发明涉及模拟深层地基不均匀沉降的机械装置，特别涉及一种土工离心模型中连续可调梯形或锥形不均匀沉降控制设备。
背景技术
煤炭、石油等化石燃料长时间高强度开采、隧道开挖、地下水过度抽取、断层结构、喀斯特石灰溶岩、地基回填土压实不足和垃圾场生物分解等易在岩土层深部或浅部形成大面积或局部的不均匀沉降区。在重力的主导作用下，这些差异变形区逐渐向上方岩土层传递，最终引起地裂缝、地表沉降和地面塌陷等地质灾害，而当地表为一定倾角的边坡时，变形破坏相对更加剧烈，常常表现为坡面台阶状沉陷、坡体崩塌和滑坡等现象，对附近建筑物的正常使用和居民生命安全构成严重威胁，给社会生产生活造成巨大损失。因此，研制地层深部模拟不均匀沉降的机械装置，探究差异变形向上方覆盖层的传递规律和引起的地表变形破坏机制，对于地下不均匀空区引起的地表灾害进行针对性控制与治理，具有重要的学术意义和工程应用价值。
土工离心模型试验具有再现原型应力的优点，是土力学与岩土工程等相关领域研究中不可或缺的试验手段。在高速旋转的超重力场中模拟连续精细的不均匀沉降区域的开挖，难度较大，大量国内外学者对于离心机中不均匀沉降设备的研制进行了卓有成效的研究，但这些设备还值得进一步完善与改进。陈虎等研制的土工离心机试验模型弯沉式沉降控制设备(CN202275020U)两倾斜板中间对接位置、倾斜板与固定端搭接位置随着沉降位移的增加都会出现缝隙(缝隙宽度与沉降位移成正比，未给出最大竖直位移，不能计算其最大宽度值)；Stone[Stone K J L.Modelling of rupture development in soils[D].University of Cambridge,1988]、Viswanadham et al[Viswanadham B V S,
D.Centrifuge modeling of geotextile-reinforced slopes subjected todifferential settlements[J].Geotextiles and Geomembranes,2009,27(2):77-88；Viswanadham B V S,Rajesh S,Bouazza A.Effect of Differential Settlements onthe Sealing Efficiency of GCLs compared to CCLs:Centrifuge Study[J].Geotechnical Engineering Journal of the SEAGS&AGSSEA,2012,43(3):55-61；DivyaP V,Viswanadham B V S,Gourc JP.Centrifuge Modeling and Digital Image Cross-Correlation Analysis of Geofiber-Reinforced Clay-Based Landfill Covers[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2016,143(1):04016076.]虽在倾斜板与固定端安装了定做的转轴来实现连续的沉降，但在离心模型中十几毫米厚的钢板间安装定制的转轴成本高，工序较复杂，也容易在钢板间边界形成大的缝隙，而且他们也没有解决水平底板与倾斜板的缝隙问题：Stone 100g离心试验中最大缝隙宽度为7.08mm，对应原型708mm，Viswanadham et al 40g试验中最大缝隙宽度5.26mm，对应原型210mm。对于小比例的离心模型试验上述数据是不能忽略的，出现缝隙的原因是倾斜板是由水平位置逐渐倾斜的，此过程中倾斜板水平投影变短，在没有补偿的情况下，倾斜板与水平板之间的缝隙越来越大，随着沉降位移的增加，土颗粒落入逐渐增大的缝隙中(即使放置土工布来遮挡，也有一部分落入)，这样增加不可控变形的额外因素，易对我们探究的变形破坏规律有较大影响。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，并结合土层下部工程开挖的特点：开挖范围相对小或者初始开挖阶段可能呈现锥形沉降槽(近似点开挖引起的变形)，开挖范围相对较大或开挖进行一段时间可能呈现梯形沉降槽(近似面开挖引起的变形)。本发明的目的在于提供一种土工离心模型中连续可调梯形或锥形不均匀沉降控制设备，这对于提升离心模型试验精度、合理探究复杂工况下土坡的变形破坏特性具有重要的意义。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种土工离心模型中连续可调梯形或锥形不均匀沉降控制设备，包括模型箱1，在模型箱1底部设置有高度相等且长度均等于模型箱1内长的左侧钢板平台3、右侧钢板平台4和边缘钢板平台5，其中，边缘钢板平台5位于左侧钢板平台3的左侧或者右侧钢板平台4的右侧，左侧钢板平台3的顶面向右延伸并在最右侧上宽下窄形成左侧钢板平台倒角31，右侧钢板平台4的顶面向左延伸并在最左侧上宽下窄形成右侧钢板平台倒角41，两处延伸相隔一定距离以模拟不均匀沉降范围，且与模型箱1底部之间形成一个空腔，在该空腔内安装有一个微型伺服升降电机6，微型伺服升降电机6采用梯形螺纹丝杆61为升降轴，梯形螺纹丝杆61的上方焊接一个钢板形成移动支撑平台62，在移动支撑平台62下方放置一个实时记录不同时刻位移的激光位移传感器10，在移动支撑平台62上方放置多个长度等于模型箱1内长的钢板条8，分为左侧钢板条组与右侧钢板条组，左侧钢板条组最左侧的钢板条8的左侧边和右侧钢板条组最右侧的钢板条8的右侧边均上宽下窄形成倒角，左侧钢板条组最左侧的钢板条8的倒角最上端与左侧钢板平台倒角31的最上端之间、右侧钢板条组最右侧的钢板条8的倒角最上端与右侧钢板平台倒角41的最上端之间以及每个钢板条组内相邻的钢板条8之间，均以小型合页7无缝连接，而在左右两组钢板条共同边界处的两钢板条8之间无缝接触，但不连接，并在其上方放置遮挡薄钢板条9，在模型箱1内位于左侧钢板平台3、右侧钢板平台4、边缘钢板平台5、钢板条8和遮挡薄钢板条9的上方布设土质边坡模型2。
所述左侧钢板平台3、右侧钢板平台4和边缘钢板平台5均有两只钢板脚，边缘钢板平台5为“n”型结构，在左侧钢板平台3的顶面和右侧钢板平台4的顶面之间形成上窄下阔的用于放置钢板条8的空间，钢板条8的厚度等于左侧钢板平台3和右侧钢板平台4的顶面厚度。
所述微型伺服升降电机6通过具有自锁功能的梯形螺纹丝杆61连接移动支撑平台62，所述移动支撑平台62是不均匀变形的其中一个约束，微型伺服升降电机6通过离心机滑环与控制室的PC机连接，通过PC机上的控制软件系统能实时精确调控电机的开始、暂停和升降速率。
所述移动支撑平台62上表面与钢板条8下表面无缝紧密接触但不连接。
所述左侧钢板条组最左侧的钢板条8的倒角最上端与左侧钢板平台倒角31的最上端之间以及右侧钢板条组最右侧的钢板条8的倒角最上端与右侧钢板平台倒角41的最上端之间在初始状态下均用小型合页7无缝连接。
所述左侧钢板条组与右侧钢板条组之间无缝紧挨，并在紧挨区域上方设置有遮挡薄钢板条9。
所述钢板条8有4个，左侧钢板条组与右侧钢板条组各有2个，，由此进行梯形不均匀沉降控制。
所述钢板条8有2个，左侧钢板条组与右侧钢板条组各有1个，由此进行锥形不均匀沉降控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本设备通过倒角、移动支撑平台和小型合页三个约束条件巧妙简单的处理了离心模型试验中不均匀沉降倾斜板与水平板的缝隙问题，实现了不均匀变形的连续性，合理增加了试验的精度。
(2)通过改变倒角的大小、钢板条的个数与宽度可模拟不同阶段与不同类型的沉降工况。
(3)通过在PC机输入编制的程序远程控制微型电机，并结合其梯形螺纹丝杆的自锁功能，可在超重力场中实现对梯形或锥形的不均匀沉降模式、沉降量和沉降速率的实时精确控制。
(4)“n”型钢板平台可在模型向左右侧交替放置，以模拟边坡下不同位置的不均匀沉降工况。
(5)此机械设备装置结构简单，制作成本低，可操作性强，试验过程时间短，效率高，同时也适用于1g重力加速度下的试验。
附图说明
图1为土工离心机模型中连续可调梯形不均匀沉降控制设备侧视图。
图2是图1的A-A剖视图。
图3为土工离心机模型中连续可调梯形不均匀沉降控制设备详细尺寸侧视图(对图1的补充)。
图4为梯形不均匀沉降控制设备应用原理图。
图5为土工离心机模型中连续可调锥形不均匀沉降控制设备侧视图。
图6是图5的B-B剖视图。
图7为锥形不均匀沉降控制设备应用原理图。
图中：1为模型箱，2为土质边坡模型，3为左侧钢板平台，4为右侧钢板平台，5为边缘钢板平台，6为微型伺服升降电机，7为小型合页，8为钢板条，9为遮挡薄钢板条，10为激光位移传感器；31为左侧钢板平台倒角，41为右侧钢板平台倒角；61为梯形螺纹丝杆，62为移动支撑平台；71、72、73和74为依次安装的小型合页一、小型合页二、小型合页三、小型合页四；81、82、83和84为依次排列的钢板条一、钢板条二、钢板条三、钢板条四；711为直径3mm长度12mm的沉头螺丝；811、821、841分别是钢板条一、二、四倒角。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式，为图面整洁考虑，各结构均用线条简化示出。
实施例1
如图1、图2和图3所示，一种土工离心模型中连续可调梯形不均匀沉降控制设备，包括模型箱1，模型箱1可采用铝制长方体箱体结构，在箱内底部放置三个高度相同的左侧钢板平台3、右侧钢板平台4和边缘钢板平台5，其中，每个钢板平台均有两只钢板脚，钢板脚的宽度为10mm，高度为200mm，均为A型碳素钢，钢板平台厚度16mm。
边缘钢板平台5为“n”型结构，其可位于左侧钢板平台3之左侧或者右侧钢板平台4之右侧，当位于左侧钢板平台3之左侧时，右侧钢板平台4的右侧与模型箱1的内壁紧靠，当位于右侧钢板平台4之右侧时，左侧钢板平台3的左侧与模型箱1的内壁紧靠。
左侧钢板平台3的顶面向右延伸并在最右侧沿上顶面削去一定角度，形成上宽下窄的左侧钢板平台倒角31，右侧钢板平台4的顶面向左延伸并在最左侧沿上顶面削去一定角度，形成上宽下窄的右侧钢板平台倒角41，左侧钢板平台倒角31和右侧钢板平台倒角41是提供最大沉降位移的约束之一，可根据沉降最大位移与沉降区范围计算，两处延伸相隔一定距离以模拟不均匀沉降范围。
左侧钢板平台3和右侧钢板平台4的延伸部下方与模型箱1底板上方之间形成一个空腔。在该空腔内安装有一个微型伺服升降电机6，微型伺服升降电机6的升降轴由梯形螺纹丝杆61构成，梯形螺纹丝杆61的上方焊接一个钢板形成移动支撑平台62，二者保持运动一致，其中，微型伺服升降电机6的梯形螺纹丝杆61不但能实现一定范围内的竖直位移，且具备自锁功能，能精确定位一定范围内的竖直位移。移动支撑平台62是不均匀变形的另一个约束，其上方至少能承受1000kg的重量。
初始阶段移动支撑平台62的上表面与左侧钢板平台3、右侧钢板平台4的下表面位于同一水平面。在移动支撑平台62下方放置一个实时监测记录不同时刻位移的激光位移传感器10，量程为30mm，微型伺服升降电机6可通过离心机滑环与地面控制室的PC机连接，通过PC机上的控制软件系统能实时精确调控微型伺服升降电机6的开始、暂停和升降速率。
在左侧钢板平台3的顶面和右侧钢板平台4的顶面之间，形成了上窄下阔的用于放置钢板条8的空间，钢板条8的厚度等于左侧钢板平台3和右侧钢板平台4的顶面厚度，总宽度刚好与空腔的宽度相同。
本发明的实施例1中，在移动支撑平台62上方放置四个长度等于模型箱1内长的钢板条8，分为左侧钢板条组与右侧钢板条组，自左向右，左侧钢板条组由钢板条一81、钢板条二82组成，右侧钢板条组由钢板条三83、钢板条四84组成。在初始阶段移动支撑平台62上表面与各钢板条下表面紧密接触，但不连接，使得钢板条组上表面与左侧钢板平台3、右侧钢板平台4和钢板平台5的上表面处于同一水平面，其宽度较窄，大于钢板条二82、钢板条三83的宽度和即可。
钢板条一81的左侧边沿上顶面削去一定角度形成上宽下窄的钢板条一倒角811，钢板条四84的右侧边沿上顶面削去一定角度形成上宽下窄的钢板条四倒角841，初始阶段，钢板条一倒角811最上端与左侧钢板平台倒角31最上端无缝接触，钢板条四倒角841最上端与右侧钢板平台倒角41最上端无缝接触。
钢板条一81左侧与左侧钢板平台3之间以小型合页一71无缝连接，钢板条一81右侧与钢板条二82左侧之间以小型合页二72无缝连接，钢板条三83右侧与钢板条四84左侧之间以小型合页三73无缝连接，钢板条四84右侧与右侧钢板平台4之间以小型合页四74无缝连接。
小型合页一71、小型合页二72、小型合页三73、小型合页四74均可有多个，每组位于同一直线上，共同构成了小型合页7，各小型合页均采用不锈钢材质，是不均匀变形的第三个约束，其尺寸为20mm×20mm×1.2mm或38mm×28mm×1.5mm(长×宽×厚)，本实施例中，小型合页一共12个，沿纵向方向3个，等距安装，每个合页安装4个沉头螺丝711，螺丝直径为3mm，螺孔直径3.5mm，深12mm。
钢板条二82与钢板条三83之间无缝紧挨，但没有连接，同时在紧挨区域的上方放置宽度20mm厚度2mm的遮挡薄钢板条9，形成一个底部无缝平台。在模型箱1内位于底部无缝平台的上方布设土质边坡模型2。
连续可调梯形不均匀沉降控制设备原理图如图1～4所示：在制作土质边坡模型2前，微型伺服电机6的梯形螺纹丝杆61位于最大冲程内，移动支撑平台62支撑钢板条一81、钢板条二82、钢板条三83、钢板条四84，使其与左侧钢板平台3、右侧钢板平台4和边缘钢板平台5处于同一水平位置，并运用锁死系统使得梯形螺纹丝杆61位置固定。其中小型合页7将各连接部位无缝连接好，接着在底部平台上方建立土质边坡模型2，并放入到离心机中加载，当模拟重力加速度达到试验要求并稳定若干时间后，通过控制室的PC机远程控制微型伺服电机6的梯形螺纹丝杆61向下缓慢运动，由于超重力场的作用，此时钢板条二82、钢板条三83与移动支撑平台62竖直方向相对静止，钢板条一81、钢板条四84由于小型合页一71和小型合页四74的约束而绕左侧钢板平台3、右侧钢板平台4旋转，从而形成连续且逐级增加的不均匀沉降位移，同时钢板条一81、钢板条四84的水平投影变小，由于钢板条二82、钢板条三83与钢板条一81、钢板条四84的小型合页二72、小型合页三73的铰接作用，钢板条二82、钢板条三83向两端移动，这样以补偿钢板条一81、钢板条四84(倾斜板)与钢板条二82、钢板条三83(水平板)之间的缝隙，防止土颗粒落进来，同时由于钢板条二82、钢板条三83沿水平方向向两侧移动，在中间区域也形成缝隙，通过放在其上方的遮挡薄钢板条9，也阻挡了土颗粒的落入，此时形成了连续的梯形不均匀沉降槽，当钢板条一倒角811、钢板条四倒角841边界面与左侧钢板平台倒角31、右侧钢板平台倒角41边界面完全接触重合时，此时达到梯形槽的最大沉降高度。
实施例2
如图5和图6，一种土工离心模型中连续可调锥形不均匀沉降控制设备，移动支撑平台62下部设备和构造与实施例1一致，不再赘述。
区别在于，移动支撑平台62上方放置两个钢板条8，即钢板条一81和钢板条二82，移动支撑平台62上表面与钢板条一81和钢板条二82下表面无缝紧密接触，但不连接。
钢板条一81的左侧边沿上顶面削去一定角度形成上宽下窄的钢板条一倒角811，钢板条二82的右侧边沿上顶面削去一定角度形成上宽下窄的钢板条二倒角821，初始阶段，钢板条一倒角811最上端与左侧钢板平台倒角31最上端无缝接触，钢板条二倒角821最上端与右侧钢板平台倒角41最上端无缝接触。
钢板条一81左侧与左侧钢板平台3之间以小型合页一71无缝连接，钢板条二82右侧与右侧钢板平台4之间以小型合页二72无缝连接。钢板条一81与钢板条二82之间无缝紧挨，但没有连接，同时在紧挨区域的上方放置宽度20mm厚度2mm的遮挡薄钢板条9，形成一个底部无缝平台。在模型箱1内位于底部无缝平台的上方布设土质边坡模型2。
本实施例中，小型合页一共6个，沿纵向方向3个，等距安装。
连续可调锥形不均匀沉降控制设备原理图如图5～7所示：在制作土质边坡模型2前，微型伺服电机6的梯形螺纹丝杆61位于最大冲程内，移动支撑平台62支撑钢板条一81、钢板条二82，使其与左侧钢板平台3、右侧钢板平台4和边缘钢板平台5处于同一水平位置，并运用锁死系统使得梯形螺纹丝杆61位置固定。其中小型合页7将各连接部位无缝连接好，接着在底部平台上方建立土质边坡模型2，并放入到离心机中加载，当模拟重力加速度达到试验要求并稳定若干时间后，通过控制室的PC机远程控制微型伺服电机6的梯形螺纹丝杆61向下缓慢运动，由于超重力场的作用，此时钢板条一81、钢板条二82由于小型合页一71、小型合页二72的约束而绕左侧钢板平台3、右侧钢板平台4旋转，从而形成连续且逐级增加的不均匀沉降位移，同时由于钢板条一81、钢板条二82在水平方向投影变短，在中间区域也形成缝隙，通过放在其上方的遮挡薄钢板条9，阻挡了土颗粒的落入，此时形成了连续的锥形不均匀沉降槽，当钢板条一倒角811、钢板条二倒角821边界面与左侧钢板平台倒角31、右侧钢板平台倒角41边界面完全接触重合时，此时达到锥形槽的最大沉降高度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，然其并非用以限定本发明。应当指出，对于相关技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进型，这些改进型也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种土工离心模型中连续可调梯形或锥形不均匀沉降控制设备，包括模型箱（1），其特征在于，在模型箱（1）的底部设置有高度相等且长度均等于模型箱（1）内长的左侧钢板平台（3）、右侧钢板平台（4）和边缘钢板平台（5），其中，边缘钢板平台（5）位于左侧钢板平台（3）的左侧或者右侧钢板平台（4）的右侧，左侧钢板平台（3）的顶面向右延伸并在最右侧上宽下窄形成左侧钢板平台倒角（31），右侧钢板平台（4）的顶面向左延伸并在最左侧上宽下窄形成右侧钢板平台倒角（41），两处延伸相隔一定距离以模拟不均匀沉降范围，且与模型箱（1）底部之间形成一个空腔，在该空腔内安装有一个微型伺服升降电机（6），微型伺服升降电机（6）采用梯形螺纹丝杆（61）为升降轴，梯形螺纹丝杆（61）的上方焊接一个钢板形成移动支撑平台（62），在移动支撑平台（62）下方放置一个实时记录不同时刻位移的激光位移传感器（10），在移动支撑平台（62）上方放置多个长度等于模型箱（1）内长的钢板条（8），分为左侧钢板条组与右侧钢板条组，初始阶段此钢板条（8）的上表面与左侧钢板平台（3）、右侧钢板平台（4）和边缘钢板平台（5）上表面都处于同一水平面，左侧钢板条组最左侧钢板条（8）的左侧边和右侧钢板条组最右侧钢板条（8）的右侧边均上宽下窄形成倒角，左侧钢板条组最左侧钢板条（8）的倒角最上端与左侧钢板平台倒角（31）的最上端之间、右侧钢板条组最右侧钢板条（8）的倒角最上端与右侧钢板平台倒角（41）的最上端之间以及每个钢板条组内相邻的钢板条（8）之间，均以小型合页（7）无缝连接，在左右两组钢板条共同边界处的两钢板条（8）之间无缝接触，但不连接，并在其上方放置遮挡薄钢板条（9），在模型箱（1）内位于左侧钢板平台（3）、右侧钢板平台（4）、边缘钢板平台（5）、钢板条（8）和遮挡薄钢板条（9）的上方布设土质边坡模型（2）。
2.根据权利要求1所述土工离心模型中连续可调梯形或锥形不均匀沉降控制设备，其特征在于，所述左侧钢板平台（3）、右侧钢板平台（4）和边缘钢板平台（5）均有两只钢板脚，边缘钢板平台（5）为“n”型结构，在左侧钢板平台（3）的顶面和右侧钢板平台（4）的顶面之间形成上窄下阔的用于放置钢板条（8）的空间，钢板条（8）的厚度等于左侧钢板平台（3）和右侧钢板平台（4）的顶面厚度。
3.根据权利要求1所述土工离心模型中连续可调梯形或锥形不均匀沉降控制设备，其特征在于，所述微型伺服升降电机（6）通过具有自锁功能的梯形螺纹丝杆（61）连接移动支撑平台（62），所述移动支撑平台（62）是不均匀变形的其中一个约束，微型伺服升降电机（6）通过离心机滑环与控制室的PC机连接，通过PC机上的控制软件系统能实时精确调控电机的开始、暂停和升降速率。
4.根据权利要求1所述土工离心模型中连续可调梯形或锥形不均匀沉降控制设备，其特征在于，所述移动支撑平台（62）上表面与钢板条（8）下表面无缝紧密接触但不连接。
5.根据权利要求1所述土工离心模型中连续可调梯形或锥形不均匀沉降控制设备，其特征在于，所述钢板条（8）有4个，左侧钢板条组与右侧钢板条组各有2个，由此进行梯形不均匀沉降控制。
6.根据权利要求1所述土工离心模型中连续可调梯形或锥形不均匀沉降控制设备，其特征在于，所述钢板条（8）有2个，左侧钢板条组与右侧钢板条组各有1个，由此进行锥形不均匀沉降控制。
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