CN117491593A - 一种循环动载下的地层特性模拟试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种循环动载下的地层特性模拟试验装置及试验方法，该试验装置包括模型箱、振动单元、接收单元和控制单元。其中，振动单元设置在模型箱上，接收单元预埋于地层样品内，控制单元则与振动单元和接收单元通讯连接。通过振动单元能够对地层样品输出循环动载和接收单元则能够对地层样品传递的循环动载进行接收和参数采集，并利用控制单元对振动单元的输出参数和接收单元的采集参数计算输出地层样品对循环动载的衰减量，并基于地层样品对循环动载的衰减量实现对地层样品的地层特性的量化表征，为地下空间安全预警提供定量化依据。

Description

一种循环动载下的地层特性模拟试验装置及试验方法

技术领域

本申请涉及地下结构模型试验技术领域，尤其涉及一种循环动载下的地层特性模拟试验装置及试验方法。

背景技术

随着社会发展和城市化的不断进行，城市地下空间的利用率也在不断提高。而城市中车辆增加、工程施工、轨道交通等周期性的循环动载工况会对城市的地下空间产生显著的影响，这些循环动载会影响地下空间地层的结构稳定性，降低地下空间的服务寿命，造成严重的安全隐患。

当前，对于地层特性的分析多以理论建模分析和地层沉降分析为主，这些研究方法或者测量手段在一定程度上都可以对地层特性进行描述，从而对于地下空间的安全预警等方面具有一定的指导作用。然而，理论建模分析很难考虑不同地区地层特性差异带来的影响，且由于地层特性的参数多，无法准确确定其合理范围，也就存在较大的误差；而地层沉降只能对地层已经发生的宏观沉降和变化进行测量，在得到测量结果的时候，所检测的地层已经发生了位移变化，并不能揭示地层物理力学性质的变化与地层沉降之间的内在联系。

因此，如何提供一种循环动载下的地层特性模拟试验装置及试验方法，能够对地层在循环动载条件下的地层特性进行量化分析，以成为本领域人员的研究重点。

发明内容

本申请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，本申请的第一个目的在于提出一种循环动载下的地层特性模拟试验装置和试验方法，可以建立地层对振动的衰减量以及循环动载条件与地层塌陷临界点之间的关系，为地下空间地层特性的研究提供定量化数据。

为达上述目的，本申请第一方面实施例提出了一种循环动载下的地层特性模拟试验装置，包括：

模型箱，所述模型箱底部设有开口，所述开口自所述模型箱的底部向顶部延伸形成一空腔，所述空腔内装载有地层样品；

振动单元，设置在所述模型箱上部，并向所述地层样品模拟输出循环动载；

接收单元，设置在所述地层样品的内部，用于对周侧所述地层样品的循环动载进行采集，输出循环动载的接收参数；

控制单元，与所述振动单元和所述接收单元通讯连接，用于控制所述振动单元输出的循环动载的输出参数，并接收所述接收单元输出的循环动载的接收参数；所述控制单元被配置为能够根据循环动载的输出参数和接收参数，输出所述地层样品对循环动载的衰减量，以及对所述地层样品的地层特性的量化表征。

在一种可能的实施方式中，所述振动单元由多个弥散分布的振动器组成，多个所述振动器之间相互搭配，共同向所述地层样品模拟循环动载。

在一种可能的实施方式中，所述振动器包括相互连接的振动电机和偏心轮，所述偏心轮在所述振动电机的驱动下产生周期性振动。

在一种可能的实施方式中，所述接收单元由多个弥散分布的接收器组成，以对所述地层样品不同位置的循环动载进行接收和参数采集。

在一种可能的实施方式中，所述接收器包括振动接收传感器和存储器，所述振动接收传感器用于接收所述地层样品传递而来循环动载，所述存储器用于对所述振动接收传感器采集的循环动载的参数进行存储。

在一种可能的实施方式中，所述接收器还包括壳体和底座，所述振动接收传感器和所述存储器共同设置在所述底座上，并位于所述壳体和所述底座相互连接形成的密封腔体内，与所述地层样品相间隔。

在一种可能的实施方式中，所述模型箱的底部还设有一横梁，所述横梁贯穿所述开口，为所述地层样品能够填充在所述空腔之内提供底部支撑。

在一种可能的实施方式中，所述控制单元包括：

控制器，与所述振动单元通讯连接，用于控制所述振动单元输出的循环动载的输出参数；

电子计算机，与所述控制器和所述接收单元通讯连接，用于试验装置的驱动控制、试验数据的记录和处理。

为达上述目的，本申请第二方面实施例提出了一种循环动载下的地层特性模拟试验方法，包括采用上述任意一种实施方式中所述的循环动载下的地层特性模拟试验装置，还包括：

提供装载有所述地层样品的所述模型箱，并将所述接收单元预埋于所述地层样品内的预设位置，以对周侧所述地层样品的循环动载进行采集，输出循环动载的接收参数；

于所述模型箱的顶部设置振动单元，以向所述地层样品模拟输出循环动载，直至所述地层样品在所述模型箱内所述地层样品发生断层或坍塌；

所述控制单元基于所述振动单元输出的循环动载的输出参数和所述接收单元输出的循环动载的接收参数，输出所述地层样品对循环动载的衰减量与所述地层样品的地层特性之间量化关系。

在一种可能的实施方式中，所述于所述模型箱的顶部设置振动单元的步骤之前，还包括：

对目标区域的循环动载水平进行实测，获取目标区域循环动载的实测数据；

对所述实测数据进行统计和处理，模拟计算所述振动单元在所述模型箱顶部的位置分布和振动条件。

本申请至少包括如下有益效果：

本申请提供了一种循环动载下的地层特性模拟试验装置及试验方法，该试验装置包括模型箱、振动单元、接收单元和控制单元，其中，振动单元设置在模型箱上，接收单元预埋于地层样品内，控制单元则与振动单元和接收单元通讯连接。通过振动单元能够对地层样品输出循环动载和接收单元则能够对地层样品传递的循环动载进行接收和参数采集，并利用控制单元对振动单元的输出参数和接收单元的采集参数计算地层样品对循环动载的衰减量，并基于地层样品对循环动载的衰减量实现对地层样品的地层特性的量化表征，为地下空间安全预警提供定量化依据。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本申请实施例所提供的一种循环动载下的地层特性模拟试验装置的结构示意图。

图2为本申请实施例所提供的一种接收器的结构示意图。

图3为本申请实施例所提供的一种振动器的结构示意图。

图4为本申请实施例所提供的一种循环动载下的地层特性模拟试验方法的流程示意图。

100模型箱；110地层样品；120横梁；200接收单元；210接收器；211振动接收传感器；212存储器；300振动单元；310振动器；311振动电机；312偏心轮；330振动传感器；400控制单元。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，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，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

本申请实施例提供了一种循环动载下的地层特性模拟试验装置及试验方法，以建立地层对振动的衰减量以及循环动载条件与地层塌陷临界点之间的关系，为地下空间地层特性的研究提供定量化数据。

根据本申请实施例的一个方面，提供了一种循环动载下的地层特性模拟试验装置，如图1所示，该试验装置包括模型箱100、振动单元300、接收单元200和控制单元400。

模型箱100的底部设有开口，开口自模型箱100的底部向顶部方向形成一空腔，该空腔内装载有地层样品110。振动单元300设置在模型箱100的上部，以向地层样品110模拟输出循环动载。接收单元200设置在地层样品110的内部，被地层样品110埋覆，用于对接收单元200周侧的地层样品110的循环动载进行接收和参数采集，并输出循环动载的接收参数。控制单元400则分别与振动单元300和接收单元200通讯连接，以对振动单元300输出的循环动载的输出参数进行控制，以及对接收单元200输出的循环动载的接收参数进行接收。

该试验装置的工作原理和效果在于：通过振动单元300模拟目标区域的实际工况，向地层样品110持续输出循环动载，并利用埋覆在地层样品110中的接收单元200对其周侧循环动载的振动波形参数进行采集，控制单元400再根据接收单元200输出的接收参数和振动单元300输出的输出参数，计算地层样品110对循环动载的衰减量，并基于该衰减量对地层样品110的地层特性进行表征。

具体地，当地层样品110的地层特性未受循环动载影响时，埋覆在地层样品110中的接收单元200输出的接收参数应保持相对稳定，相对应地，接收单元200与振动单元300之间的地层样品110对循环动载的衰减量也应保持在预设的波动范围以内。当地层样品110在循环动载下发生内部断层或塌陷等结构变化时，地层样品110的结构变化也就会导致其会对循环动载的衰减量的突变。也就是说，利用控制单元400持续监测地层样品110对循环动载的衰减量，并在检测到衰减量出现突变情况下，即表明模型箱100内的地层样品110出现了断层或塌陷等结构变化，进而实现了利用率衰减量对地层样品110的地层特性的量化表征，为地下空间地层特性的研究提供定量化数据参考。

需要说明的是，地层样品110应由实际目标区域的地层中取样获取，以使模型箱100能够根据目标区域的原型工况进行模拟设计，而振动单元300输出的循环动载的输出参数也应根据目标区域的原型工况进行测量后模拟输出，以在最大限度上模拟原目标区域的地层特点和循环动载属性，保证地层特性的一致性和动载循环输出的准确性。

作为示例，如图3所示，振动单元300可以由多个弥散分布的振动器310组成，多个振动器310之间相互搭配，共同向地层样品110输出模拟循环动载。考虑到不同地区地层特性的差异化，设定循环动载的振动条件之前，应在目标取样地实测循环动载荷的实际水平，进行统计和处理后作为振动条件输入。同时，还需要计算振动器310的数量和分布位置，在地层样品110上合理布置振动器310的数量和位置，才能最大程度使振动单元300模拟输出的循环动载与目标取样地的地层实际情况相符，保证了振动单元300模拟输出的循环动载的准确性。

在一实施例中，振动器310包括相互连接的振动电机311和偏心轮312。其中，偏心轮312在振动电机311的驱动下会产生周期性的振动。也就是说，通过控制振动电机311的频率、角速度和工作时间，，即可控制每个振动器310产生的振动波形参数，而多个不同振动器310按照一定的规律组合，即可以组合产生不同振动规律的循环动载，满足不同振动条件的振动需求。其中，振动波形参数包括振动幅值、振动频率和振动持续时间等，依即振动单元模拟输出的输出参数。

在一具体实施例中，振动器310还包括底座，底座上设有安装板，振动电机311和偏心轮312则通过安装板固定在底座上，底座上设有一底部带有开口的外壳，以使振动电机311和偏心轮312能够位于底座和外壳密封腔内，保证振动器310在持续振动时的稳定性。

较佳地，振动器310内还包括一传感器，该传感器可以是振动传感器330，设置在底座上，用于对振动器310的产生的振动波形参数进行检测和表征，保证振动器310产生的振动与预设的振动条件相符。

作为示例，如图2所述，接收单元200也可以由多个弥散分布的接收器210组成，以对地层样品110不同位置的循环动载进行接收和参数采集。本领域人员可以知道，地层样品110会对输入的循环动载的传递造成衰减，且衰减量与振动器310和接收器210之间的距离呈正相关，也就导致地层样品110不用位置对于循环动载的衰减量均不相同。因此，本实施例将多个接收器210弥散分布在地层样品110的不同位置，以对不同位置处的地层样品110在循环动载条件下的地层特性进行监测。

在一实施例中，接收器210包括振动接收传感器211和存储器212，振动接收传感器211用于对地层样品110传递而来的循环动载的参数进行接收和采集，以对不同位置处的地层样品110在循环动载条件下的地层特性进行监测。而存储器212则用于对振动接收传感器211采集的循环动载的接收参数进行存储，以使控制单元400能够基于存储器212内存储的接收参数，确定此接收器210对应位置附近的地层样品110的地层特性。

在一具体实施例中，接收器210还包括底座，底座和壳体。振动接收传感器211和存储器212共同设置在该底座上，并位于壳体和底座相互连接形成的密封腔体内，与地层样品110相间隔，以对振动接收传感器211和存储器212的稳定运行提供物理防护，避免地层样品110在循环动载下对振动接收传感器211和存储器212造成干扰或损坏，以及影响控制单元400对地层样品110的底层特性的输出结果的判断。

需要说明的是，接收器210的设置数量越多，对地层样品110地层特性的有效参数信息也就越多，但也会增加参数信息的处理难度。同时，受接收器210体积尺寸的影响，将多个接收器210埋覆在地层样品110之中，也会破坏地层样品110结构的完整性，导致试验结果失真。因此，对于接收器210的设置数量不宜过多，略大于或等于振动器310的数量即可。例如，在本实施例中，振动单元300由4个振动器310组成，接收单元200由4个接收器210组成。

在一实施例中，控制单元400包括控制器和电子计算机。控制器与振动单元300通讯连接，用于控制振动单元300输出的循环动载的输出参数。电子计算机与控制器和接收单元200通讯连接，用于整个试验装置的驱动控制、试验数据的记录和处理。

整个试验装置的驱动控制即利用控制器控制振动器310内的振动电机311，以为振动器310提供振动的驱动力的同时，还能够根据目标振动条件，对振动单元300输出的循环动载的输出参数进行控制。

电子计算机通过与控制器通讯连接，不仅用于对整个试验装置的进行驱动控制，还能够由此获取振动单元300输出的循环动载的输出参数。而电子计算机通过与接收单元200通讯连接，即存储器212之间通讯连接，以获取内存储内循环动载的接收参数。

进一步地，利用电子计算机的大数据分析计算能力，能够在数据量大、数据类型多、自然变量多的情况下，建立基于振动单元300输出的循环动载的输出参数和接收单元200输出的循环动载的接收参数，计算输出地层样品110对于循环动载的衰减量，以及建立衰减量与地层特性之间的量化关系的数据库，以满足基于地层样品110对循环动载的衰减量与地层特性变化的量化表征，为地下空间对应的上部空间的交通流量控制、周边工程施工强度约束和轨道交通建设提供参考依据。

在一实施例中，模型箱100的底部还设有一横梁120，该横梁120贯穿模型箱100的底部开口，为地层样品110能够填充在模型箱100的内部空腔之内提供底部支撑，提高了地层样品110在模型箱100内的状态稳定性。

第二方面，本申请还提供了一种循环动载下的地层特性模拟试验方法，如图1和图4所示，该试验方法采用上述任意实施例中所述循环动载下的地层特性模拟试验装置，具体包括如下步骤：

首先，进行步骤S1，提供装载有地层样品110的模型箱100，并将接收单元200预埋于地层样品110内的预设位置，以对位于接收单元200周侧的地层样品110的循环动载进行采集，输出循环动载的接收参数；

然后，进行步骤S2，于模型箱100的顶部设置振动单元300，通过振动单元300向地层样品110模拟输出循环动载，直至地层样品110在模型箱100内的地层样品110发生断层或坍塌；

最后，进行步骤S3，控制单元400基于振动单元300输出的循环动载的输出参数和接收单元200输出的循环动载的接收参数，输出地层样品110对循环动载的衰减量与地层样品110的地层特性之间量化关系。

通过振动单元300模拟目标区域的实际工况，向地层样品110持续输出循环动载，并利用埋覆在地层样品110中的接收单元200对其周侧循环动载的振动波形参数进行采集，控制单元400再根据接收单元200输出的接收参数和振动单元300输出的输出参数，计算地层样品110对循环动载的衰减量，并基于该衰减量对地层样品110的地层特性进行表征。具有工作原理已在前文进行说明，在此不再进行重复叙述，

在一实施例中，于模型箱100的顶部设置振动单元300的步骤之前，还包括步骤：

S21，对目标区域的循环动载水平进行实测，获取目标区域循环动载的实测数据；

S22，对所述实测数据进行统计和处理，模拟计算所述振动单元300在模型箱100顶部的位置分布和振动条件。

考虑到不同地区地层特性的差异化，在将振动单元300设置在模型箱100的顶部之前，对目标区域实测循环动载荷的实际水平，进行统计和处理后作为输入振动单元300的振动条件，并计算需要振动其的数量和分布位置。在地层样品110上合理布置振动器310的数量和位置，才能最大程度使振动单元300模拟输出的循环动载与目标区域的地层实际情况相符，保证了振动单元300模拟输出的循环动载的准确性。

综上所述，本申请提供了一种循环动载下的地层特性模拟试验装置及试验方法，该试验装置包括模型箱100、振动单元300、接收单元200和控制单元400，其中，振动单元300设置在模型箱100上，接收单元200预埋于地层样品110内，控制单元400则与振动单元300和接收单元200通讯连接。通过振动单元300能够对地层样品110输出循环动载和接收单元200则能够对地层样品110传递的循环动载进行接收和参数采集，并利用控制单元400对振动单元300的输出参数和接收单元200的采集参数计算地层样品110对循环动载的衰减量，并基于地层样品110对循环动载的衰减量实现对地层样品110的地层特性的量化表征，为地下空间安全预警提供定量化依据。

本申请中所涉及的用户个人信息的收集、存储、使用、加工、传输、提供和公开等处理，均符合相关法律法规的规定，且不违背公序良俗。

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。

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。

Claims (10)

1.一种循环动载下的地层特性模拟试验装置，其特征在于，包括：

模型箱，所述模型箱底部设有开口，所述开口自所述模型箱的底部向顶部延伸形成一空腔，所述空腔内装载有地层样品；

振动单元，设置在所述模型箱上部，并向所述地层样品模拟输出循环动载；

接收单元，设置在所述地层样品的内部，用于对周侧所述地层样品的循环动载进行采集，输出循环动载的接收参数；

控制单元，与所述振动单元和所述接收单元通讯连接，用于控制所述振动单元输出的循环动载的输出参数，并接收所述接收单元输出的循环动载的接收参数；所述控制单元被配置为能够根据循环动载的输出参数和接收参数，输出所述地层样品对循环动载的衰减量，以及对所述地层样品的地层特性的量化表征。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述振动单元由多个弥散分布的振动器组成，多个所述振动器之间相互搭配，共同向所述地层样品模拟循环动载。

3.根据权利要求2所述的试验装置，其特征在于，所述振动器包括相互连接的振动电机和偏心轮，所述偏心轮在所述振动电机的驱动下产生周期性振动。

4.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述接收单元由多个弥散分布的接收器组成，以对所述地层样品不同位置的循环动载进行接收和参数采集。

5.根据权利要求4所述的试验装置，其特征在于，所述接收器包括振动接收传感器和存储器，所述振动接收传感器用于接收所述地层样品传递而来循环动载，所述存储器用于对所述振动接收传感器采集的循环动载的参数进行存储。

6.根据权利要求5所述的试验装置，其特征在于，所述接收器还包括壳体和底座，所述振动接收传感器和所述存储器共同设置在所述底座上，并位于所述壳体和所述底座相互连接形成的密封腔体内，与所述地层样品相间隔。

7.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述模型箱的底部还设有一横梁，所述横梁贯穿所述开口，为所述地层样品能够填充在所述空腔之内提供底部支撑。

8.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述控制单元包括：

控制器，与所述振动单元通讯连接，用于控制所述振动单元输出的循环动载的输出参数；

电子计算机，与所述控制器和所述接收单元通讯连接，用于试验装置的驱动控制、试验数据的记录和处理。

9.一种循环动载下的地层特性模拟试验方法，采用权利要求1～8任意一项所述的循环动载下的地层特性模拟试验装置，其特征在于，包括：

提供装载有所述地层样品的所述模型箱，并将所述接收单元预埋于所述地层样品内的预设位置，以对周侧所述地层样品的循环动载进行采集，输出循环动载的接收参数；

于所述模型箱的顶部设置振动单元，以向所述地层样品模拟输出循环动载，直至所述地层样品在所述模型箱内所述地层样品发生断层或坍塌；

所述控制单元基于所述振动单元输出的循环动载的输出参数和所述接收单元输出的循环动载的接收参数，输出所述地层样品对循环动载的衰减量与所述地层样品的地层特性之间量化关系。

10.根据权利要求9所述的试验方法，其特征在于，所述于所述模型箱的顶部设置振动单元的步骤之前，还包括：

对目标区域的循环动载水平进行实测，获取目标区域循环动载的实测数据；

对所述实测数据进行统计和处理，模拟计算所述振动单元在所述模型箱顶部的位置分布和振动条件。