CN117233009B - 地下空间塌陷临界点模拟系统和塌陷临界点获取方法 - Google Patents

Abstract

本公开提出了一种地下空间塌陷临界点模拟系统和塌陷临界点获取方法，该系统包括：外部振动模拟模块设置在样品容器框架上部，用于产生第一振动；内部振动模块设置在地层试样的内部，用于产生第二振动；接收模块用于采集地层试样基于第一振动和第二振动的响应数据和地层物理力学特性。通过本公开的系统可以模拟待模拟地下空间特定振动强度的振动信号的吸收情况，并通过对仿真数据进行分析获得系统变化，间接表征地层物理力学特性的变化情况，获得地层物理力学特性与塌陷临界点的关系，并通过振动吸收情况进行量化，从而建立不同工况下地层塌陷临界点的数据，为城市地下空间塌陷预警提供量化数据，提高预警准确性，降低获取的成本。

Description

地下空间塌陷临界点模拟系统和塌陷临界点获取方法

技术领域

本公开涉及地下空间塌陷监测的技术领域，尤其涉及一种地下空间塌陷临界点模拟系统和塌陷临界点获取方法。

背景技术

城市地下空间是指城市地表以下或者底层内部的各类建筑空间，这些空间通常位于地下，包括了各种基础设施和建筑，如地下轨道交通、地下避难设施、地下商场和地下停车场等。随着城市人口的增长和城市功能的扩展，城市地下空间的利用日益广泛。利用地下空间可以有效缓解城市地表交通压力、提高土地利用率，同时也为城市的发展提供了更多可能性。与城市地下空间发展伴随来着的问题是地下城市空间的安全监测和管理问题，建成时间、地面施工、维护保养和地质变化等因素会显著影响到地下城市空间的安全，因此，对地下城市空间的地层特性进行有针对性的分析和试验，有助于提高地下空间塌陷监测的准确性，对于提高城市地下空间安全管理水平和城市道路安全等方面都具有现实意义。

现有研究表明，地下空间稳定性内部因素主要与地下空间的物理力学性质和外部因素相关，外部因素包括雨水、地震和人类生活/工程活动等，然而，地下空间的物理力学性质和外部因素不是独立存在的，不同地区的地层或者同一地区的地层在不同时间段收到外部因素的作用，会产生复杂的内部变化，这些外部因素对地层特性造成的影响很难量化表示。当前已经有各种各样的塌陷预警手段可以对地层的塌陷进行预警，从而对地下空间的安全性提供一定的安全指示，但是这些预警多是基于检测已发生的地层塌陷来做出判断的。发生塌陷的临界点与安全状态时地层自身物理力学性质的变化尚不能完全的量化，因此，通过试验的方法获取地层物理力学性质的变化，以及根据这些变化确定发生塌陷的临界点数据，对于提高地下空间塌陷预警的实时性具有重要意义。

发明内容

本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本公开的一个目的在于提出一种地下空间塌陷临界点模拟系统。

本公开的第二个目的在于提出一种地下空间塌陷临界点获取方法。

为达上述目的，本公开第一方面实施方式提出了一种地下空间塌陷临界点模拟系统，包括：至少一个外部振动模拟模块、样品容器框架、至少一个内部振动模块和至少一个接收模块；其中，样品容器框架的底部铺设有待模拟地下空间的地层试样；外部振动模拟模块设置在样品容器框架上部，用于产生第一设定频率和第一设定振幅的第一振动；内部振动模块设置在地层试样的内部，用于产生第二设定频率和第二设定振幅的第二振动，其中，第二设定频率与第一设定频率不同，第一设定振幅与第二设定振幅不同；接收模块用于采集地层试样基于第一振动和第二振动的响应数据和地层物理力学特性。

根据本公开的一个实施方式，外部振动模拟模块和内部振动模块中的任一模块，包括：模块外壳、振动电机、安装底座、电机安装板、偏心振动轮、振动控制加速度传感器和振动接收传感器；其中，模块外壳与安装底座固定连接，电机安装板固定安装在安装底座上部，且安装在模块外壳的内部，振动电机固定安装在电机安装板的一侧，偏心振动轮安装在电机安装板的另一侧，偏心振动轮连接振动电机的转子；振动控制加速度传感器控制振动电机的工作；振动接收传感器用于将发送外部振动模拟模块或者内部振动模块工况数据，并接收其他模块发送的数据。

根据本公开的一个实施方式，系统还包括：获取待模拟地下空间的实际振动数据；基于实际振动数据确定内部振动模块的数量和分布位置。

根据本公开的一个实施方式，响应于地层物理力学特性达到坍塌临界，将响应数据作为塌陷预警数据。

根据本公开的一个实施方式，样品容器框架的形状与待模拟地下空间的形状相同。

根据本公开的一个实施方式，样品容器框架还包括地层样品容器开口，地层样品容器开口位于样品容器框架的上部。

根据本公开的一个实施方式，通过地层样品容器开口向地层试样注入填充液体，以模拟地层渗水工况。

根据本公开的一个实施方式，系统还包括：存储模块，用于存储接收模块采集的响应数据和地层物理力学特性，以及第一设定频率、第一设定振幅、第二设定频率和第二设定振幅。

根据本公开的一个实施方式，系统还包括：同时只存在一个内部振动模块产生第二振动。

为达上述目的，本公开第二方面实施方式提出了一种地下空间塌陷临界点获取方法，包括：获取待模拟地下空间的模拟数据；基于所述模拟数据对地下空间塌陷临界点模拟系统进行配置，并对所述地下空间塌陷临界点模拟系统进行模拟操作，同时检测地层物理力学特性和响应数据，其中，所述地下空间塌陷临界点模拟系统为第一方面实施例所述的地下空间塌陷临界点模拟系统；响应于所述地层物理力学特性达到坍塌临界，将响应数据作为塌陷预警数据。

通过本公开地下空间塌陷临界点模拟系统可以模拟待模拟地下空间特定振动强度的振动信号的吸收情况，并通过对仿真数据进行分析获得系统变化，间接表征地层物理力学特性的变化情况，获得地层物理力学特性与塌陷临界点的关系，此外还可以分析不同工况的变化随着时间推移对地层的物理力学特性造成的影响，并通过振动吸收情况进行量化，从而建立不同工况下地层塌陷临界点的数据，为城市地下空间塌陷预警提供量化数据，提高预警的实时性和准确性，降低获取成本。

附图说明

图1是本公开一个实施方式的一种地下空间塌陷临界点模拟系统的结构示意图；

图2为本公开外部振动模拟模块和内部振动模块的结构示意图；

图3为本公开偏心振动轮的结构示意图；

图4为本公开一种地下空间塌陷临界点获取方法的流程示意图；

图5是本公开一个实施方式的一种电子设备的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本公开的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本公开，而不能理解为对本公开的限制。

本公开技术方案中对数据的获取、存储、使用、处理等均符合相关法律法规的相关规定。

图1是本公开一个实施方式的一种地下空间塌陷临界点模拟系统的结构示意图，如图1所示，该地下空间塌陷临界点模拟系统100包括：至少一个外部振动模拟模块110、样品容器框架120、至少一个内部振动模块130和至少一个接收模块140。

其中，样品容器框架120的底部铺设有待模拟地下空间的地层试样。

外部振动模拟模块110设置在样品容器框架120上部，用于产生第一设定频率和第一设定振幅的第一振动。

内部振动模块130设置在地层试样的内部，用于产生第二设定频率和第二设定振幅的第二振动，其中，第二设定频率与第一设定频率不同，第一设定振幅与第二设定振幅不同。

接收模块140用于采集地层试样基于第一振动和第二振动的响应数据和地层物理力学特性。

需要说明的是，接收模块140可位于样品容器框架120的内部，也可位于样品容器框架120的外部，此处不作任何限定。

需要说明的是，地层试样可为待模拟地下空间实际采集的，还可为根据待模拟地下空间的结构进行人工构成的，此处不作任何限定。

通过本公开地下空间塌陷临界点模拟系统可以模拟待模拟地下空间特定振动强度的振动信号的吸收情况，并通过对仿真数据进行分析获得系统变化，间接表征地层物理力学特性的变化情况，获得地层物理力学特性与塌陷临界点的关系，此外还可以分析不同工况的变化随着时间推移对地层的物理力学特性造成的影响，并通过振动吸收情况进行量化，从而建立不同工况下地层塌陷临界点的数据，为城市地下空间塌陷预警提供量化数据，提高预警的实时性和准确性，降低获取成本。

在本公开实施例中，外部振动模拟模块110和内部振动模块130的结构相同，针对任一模块，如图2所示，图2为本公开外部振动模拟模块和内部振动模块的结构示意图，该模块包括模块外壳210、振动电机220、安装底座230、电机安装板240、偏心振动轮250、振动控制加速度传感器260、振动接收传感器270和振动存储模块280。

其中，模块外壳210与安装底座230固定连接，电机安装板240固定安装在安装底座230上部，且安装在模块外壳210的内部，振动电机220固定安装在电机安装板240的一侧，偏心振动轮250安装在电机安装板240的另一侧，偏心振动轮250连接振动电机220的转子。

需要说明的是，偏心振动轮250如图3所示，图3为本公开偏心振动轮的结构示意图，偏心振动轮250的旋转点不在圆心处，通过振动电机220的转子带动偏心振动轮250转动时，偏心振动轮250会因为转动点不在圆心，产生周期性的转动。

需要说明的是，振动控制加速度传感器260控制振动电机220的工作。振动控制加速度传感器260可为控制器，该振动控制加速度传感器260可检测偏心振动轮250的振动频率或者振动电机220的转动频率，并根据偏心振动轮250的振动频率或者振动电机220的转动频率调整振动电机220的输出功率。同时，振动控制加速度传感器260还可保证振动电机220产生的振动频率和幅值与设定值相同。

振动接收传感器270用于将发送外部振动模拟模块110或者内部振动模块130工况数据，并接收其他模块发送的数据。需要说明的是，振动接收传感器270可设有无线通信装置，用于通过无线信号发送或者接收数据。该无线通信装置可为多种，此处不作任何限定。举例来说，该无线通信装置可为蓝牙装置、红外装置等。

振动存储模块280为存储单元，用于存储振动接收传感器270接收的外部振动模拟模块110或者内部振动模块130工况数据。

外部振动模拟模块110用于模拟地层外部振动，举例来说，可模拟如车辆运行和周边工程施工等对地层产生的周期性扰动。试验时，外部振动模拟模块110按照取样地的地层实测振动范围设定振动幅值和频率，需要进行作业的外部振动模拟模块110的数量根据设定值的幅值与频率来决定。在待模拟地下空间的地层试样内的内部振动模块130同一时刻只有1个处于产生振动的状态，振动振幅、频率和尺寸时间根据实际参数确定，其中振动的振幅和频率需要避开外部振动模拟模块110的振动的振幅和频率。当内部振动模块130中其中一个作为振动源时，其他内部振动模块130可以通过模块中的振动接收传感器270接收到振动信号，依次改变主振动源，其他内部振动模块130分别的振动接收传感器270均可以获得响应信号，所有内部振动模块130依次作为振动源工作依次作为一次完成的工作过程，振动信号的响应值可以表征待模拟地下空间的地层试样的部分物理力学性质。

外部振动模拟模块110模拟产生一定时间的外部循环后，可以依次使用内部振动模块130作为振动源产生与之前设定值相同的频率和周期的振动，一次完整的工作过程后，可以与未施加本次外部振动模拟模块110模拟振动的工作过程的数据进行对比，可以改变外部振动模拟模块110模拟的外部振动的频率、幅值和持续时间，重复上述工作过程，可以分析得出外部循环扰动的强度、频率、幅值和持续时间与内部振动模块130中各接收振动幅值之间的关系。

在本公开的一种可能实现的方式中，如图1所示，样品容器框架120还包括地层样品容器开口150，品容器开口位于样品容器框架120的上部。

通过地层样品容器开口注入适量水和其他液体，模拟地层渗水等特性，依次进行测量，通过振动信号的响应值变化表征地层物理力学特性随着渗水量不同而产生的变化情况；可以增加外部振动模拟模块110的振动强度或者通过增加模拟渗水量，记录在待模拟地下空间的地层试样从样品容器框架120底部发生坍塌时的各振动传感器响应数据来表征发生地层塌陷时的地层物理力学特性。

需要说明的是，内部振动模块130的数量需要根据实际的设计需要进行设定，此处不作任何限定。

在一种可能实现的方式中，可首先获取待模拟地下空间的实际振动数据，然后基于实际振动数据确定内部振动模块130的数量和分布位置。

在本公开实施例中，响应于地层物理力学特性达到坍塌临界，将响应数据作为塌陷预警数据。

需要说明的是，坍塌临界为在当前第一振动和第二振动的作用下，已经具备坍塌条件的临界点。

需要说明的是，可将地层物理力学特性与判断条件，来确定是否达到坍塌临界。该判断条件为提前设定好的，并可根据实际的设计需要和实际的待模拟地下空间情况进行限定。

在本公开实施例中，系统还包括：存储模块，用于存储接收模块140采集的响应数据，以及第一设定频率、第一设定振幅、第二设定频率和第二设定振幅。由此，可以为后续的数据分析、数据差错等操作提供数据基础，并可作为历史数据为后续的模拟过程提供数据支撑。

需要说明的是，任意一个内部振动模拟模块作为振动源时，应该避开外部振动模拟模块110使用的振动特性，从而排除实际取样地外部扰动对于试验结果的影响。

图4为本公开一种地下空间塌陷临界点获取方法的流程示意图，如图4所示，该方法包括：

S401，获取待模拟地下空间的模拟数据。

在本公开实施例中，待模拟地下空间的模拟数据为提前设定好的，并可根据实际的模拟需要进行变更，此处不作任何限定。

需要说明的是，模拟数据可包括多种，举例来说，可包括需要模拟的待模拟地下空间的工况数据、振动频率、振幅值等。

S402，基于模拟数据对地下空间塌陷临界点模拟系统进行配置，并对地下空间塌陷临界点模拟系统进行模拟操作，同时检测地层物理力学特性和响应数据。

需要说明的是，本公开中的地下空间塌陷临界点模拟系统为如图1-图4所示的地下空间塌陷临界点模拟系统。具体的配置过程可参照上述实施例中的内容，此处不再赘述。

S403，响应于地层物理力学特性达到坍塌临界，将响应数据作为塌陷预警数据。

在本公开实施例中，首先获取待模拟地下空间的模拟数据，然后基于模拟数据对地下空间塌陷临界点模拟系统进行配置，并对地下空间塌陷临界点模拟系统进行模拟操作，同时检测地层物理力学特性和响应数据，响应于地层物理力学特性达到坍塌临界，将响应数据作为塌陷预警数据。由此，通过本公开地下空间塌陷临界点模拟系统可以模拟待模拟地下空间特定振动强度的振动信号的吸收情况，并通过对仿真数据进行分析获得系统变化，间接表征地层物理力学特性的变化情况，获得地层物理力学特性与塌陷临界点的关系，此外还可以分析不同工况的变化随着时间推移对地层的物理力学特性造成的影响，并通过振动吸收情况进行量化，从而建立不同工况下地层塌陷临界点的数据，为城市地下空间塌陷预警提供量化数据，提高预警的实时性和准确性，降低获取成本。

为了实现上述实施例，本公开实施例还提出一种电子设备500，图5是本公开一个实施方式的一种电子设备的示意图，如图5所示，该电子设备500包括：处理器502和处理器通信连接的存储器501，存储器501存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器502执行，以实现如本公开图4实施例的地下空间塌陷临界点获取方法。

为了实现上述实施例，本公开实施例还提出一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其中，计算机指令用于使计算机实现如本公开图4实施例的地下空间塌陷临界点获取方法。

为了实现上述实施例，本公开实施例还提出一种计算机程序产品，包括计算机程序，计算机程序在被处理器执行时实现如本公开图4实施例的地下空间塌陷临界点获取方法。

需要说明的是，来自用户的个人信息应当被收集用于合法且合理的用途，并且不在这些合法使用之外共享或出售。此外，应在收到用户知情同意后进行此类采集/共享，包括但不限于在用户使用该功能前，通知用户阅读用户协议/用户通知，并签署包括授权相关用户信息的协议/授权。此外，还需采取任何必要步骤，保卫和保障对此类个人信息数据的访问，并确保有权访问个人信息数据的其他人遵守其隐私政策和流程。

本申请预期可提供用户选择性阻止使用或访问个人信息数据的实施方案。即本公开预期可提供硬件和/或软件，以防止或阻止对此类个人信息数据的访问。一旦不再需要个人信息数据，通过限制数据收集和删除数据可最小化风险。此外，在适用时，对此类个人信息去除个人标识，以保护用户的隐私。

在前述各实施例描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种地下空间塌陷临界点模拟系统，其特征在于，包括：至少一个外部振动模拟模块、样品容器框架、至少一个内部振动模块和至少一个接收模块；

其中，所述样品容器框架的底部铺设有待模拟地下空间的地层试样；

所述外部振动模拟模块设置在所述样品容器框架上部，用于产生第一设定频率和第一设定振幅的第一振动；

所述内部振动模块设置在地层试样的内部，用于产生第二设定频率和第二设定振幅的第二振动，其中，所述第二设定频率与所述第一设定频率不同，所述第一设定振幅与所述第二设定振幅不同；

所述接收模块用于采集所述地层试样基于所述第一振动和所述第二振动的响应数据和地层物理力学特性；

所述外部振动模拟模块和所述内部振动模块中的任一模块，包括：

模块外壳、振动电机、安装底座、电机安装板、偏心振动轮、振动控制加速度传感器和振动接收传感器；

其中，所述模块外壳与所述安装底座固定连接，所述电机安装板固定安装在所述安装底座上部，且安装在所述模块外壳的内部，所述振动电机固定安装在所述电机安装板的一侧，所述偏心振动轮安装在所述电机安装板的另一侧，所述偏心振动轮连接所述振动电机的转子；

所述振动控制加速度传感器控制所述振动电机的工作；

所述振动接收传感器用于将发送所述外部振动模拟模块或者所述内部振动模块工况数据，并接收其他模块发送的数据；

所述地下空间塌陷临界点模拟系统还包括：

获取所述待模拟地下空间的实际振动数据；

基于所述实际振动数据确定所述内部振动模块的数量和分布位置;

所述地下空间塌陷临界点模拟系统还用于：

响应于所述地层物理力学特性达到坍塌临界，将所述响应数据作为塌陷预警数据；

所述地下空间塌陷临界点模拟系统还包括：

存储模块，用于存储所述接收模块采集的所述响应数据和所述地层物理力学特性，以及所述第一设定频率、所述第一设定振幅、所述第二设定频率和所述第二设定振幅；

同时只存在一个所述内部振动模块产生所述第二振动。

2.根据权利要求1所述的地下空间塌陷临界点模拟系统，其特征在于，所述样品容器框架的形状与所述待模拟地下空间的形状相同。

3.根据权利要求1所述的地下空间塌陷临界点模拟系统，其特征在于，所述样品容器框架还包括地层样品容器开口，所述地层样品容器开口位于所述样品容器框架的上部。

4.根据权利要求3所述的地下空间塌陷临界点模拟系统，其特征在于，通过所述地层样品容器开口向所述地层试样注入填充液体，以模拟地层渗水工况。

5.一种塌陷临界点获取方法，其特征在于，包括：

获取待模拟地下空间的模拟数据；

基于所述模拟数据对地下空间塌陷临界点模拟系统进行配置，并对所述地下空间塌陷临界点模拟系统进行模拟操作，同时检测地层物理力学特性和响应数据，其中，所述地下空间塌陷临界点模拟系统为如权利要求1-4中任一项所述的地下空间塌陷临界点模拟系统；

响应于所述地层物理力学特性达到坍塌临界，将响应数据作为塌陷预警数据。