CN210804945U - 能够模拟锤击振动及流水对岩溶塌陷造成影响的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型为研究人们在施工过程中产生的锤击振动及自然流水对岩溶塌陷造成的影响设计一种实验装置，一种能够模拟锤击振动及流水对岩溶塌陷造成影响的实验装置,该实验装置包括主体模型结构、供排水系统及振动系统，主体模型结构外围包裹一层透明钢化玻璃便于观察，主体模型结构模拟真实的岩溶溶洞，通过供排水系统对主体模型结构的进水和排水模拟自然流水对岩溶塌陷造成的影响，通过振动系统对主体模型结构的锤击模拟打桩震动对岩溶塌陷造成的影响，二者可以单独作用也可以同时作用，能够较真实地模拟施工过程中锤击振动及流水作用下岩溶塌陷的发育过程，为更好地研究岩溶塌陷提供科学依据。

Description

能够模拟锤击振动及流水对岩溶塌陷造成影响的实验装置

技术领域

本实用新型涉及岩溶塌陷实验装置，具体地说是一种能够模拟锤击振动及流水对岩溶塌陷造成影响的实验装置。

背景技术

岩溶即喀斯特(KARST)，是水对可溶性岩石(碳酸盐岩、石膏及岩盐等)进行以化学溶蚀作用为主，流水的冲蚀、潜蚀和塌崩等机械作用为辅的地质作用，以及由这些作用所产生的现象的总称。在我国喀斯特地貌分布广、面积大，主要分布在碳酸盐岩出露地区，面积约91～130万平方千米，其中以广西、贵州和云南懂不所占的面积最大，西藏和北方一些地区也有分布，是世界上最大的喀斯特区之一。

岩溶塌陷是岩溶地区特殊的地址灾害类型，它是指隐伏在覆盖层下的可溶岩中存在岩溶空洞，在日然或人为因素作用下，覆盖层物质沿岩溶通道进入岩溶空洞，引起覆盖土体发生漏失，导致地面出现塌陷的自然现象。随着社会的发展和经济的增长，人类活动对覆盖层岩溶区的影响越来越大，尤其是近年来我国大面积的喀斯特地区基础建设快速发展，在人们进行不断的施工中这种塌陷发生的比较突然且快速，对道路、水库及岩土工程都产生巨大的破坏，极易造成人员伤亡与财产损失。因此，设计一种实验装置，来模拟人们在施工过程中产生的锤击振动及流水活动对岩溶塌陷造成的影响，进而更好地研究岩溶塌陷具有一定的科学意义。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种能够模拟锤击振动及流水对岩溶塌陷造成影响的实验装置，来模拟施工过程中的锤击振动及流水作用下岩溶塌陷的发育过程，且便于观察，适用于地质灾害的研究。

本实用新型为实现上述技术目的所采用的技术方案是：

一种能够模拟锤击振动及流水对岩溶塌陷造成影响的实验装置，包括主体模型结构、供排水系统及振动系统，其中，

所述主体模型结构包括模拟箱、模拟岩层、岩溶溶洞及覆盖土层，所述模拟箱由透明有机钢化玻璃材料制成，所述模拟岩层设置在模拟箱的内部，且由混凝土浇筑而成，所述岩溶溶洞预制在所述模拟岩层内的底部中央，所述模拟岩层的顶部设有开口，在开口处设置可调整开口大小的扇叶，所述覆盖土层铺设在所述模拟岩层的顶部；

所述供排水系统包括水箱、进水管及排水管，所述进水管的一端连接在所述覆盖土层的侧面，所述进水管的另一端与水箱连接，所述排水管的一端连接在所述岩溶溶洞的底部，所述排水管的另一端与外部集水箱相连接；

所述振动系统包括平行设置在模拟箱长边两侧的轨道、设置在两个轨道上的龙门及设置在龙门横梁上的吊锤，所述吊锤的底部末端可拆卸地连接一锤头。

优选的，所述岩溶溶洞是由整块灰岩岩石切割而成的具有上端开口小、下端腹部隆起形状的结构。

优选的，所述进水管上设有流量计和进水阀门。

优选的，所述排水管上设有抽水机和出水阀门。

优选的，所述模拟箱上预留有监测传感器的接口。

优选的，所述的实验装置还包括控制系统，所述控制系统与流量计、进水阀门、抽水机、出水阀门及监测传感器电性连接。

优选的，所述控制系统还与扇叶和龙门的驱动电机电性连接。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型通过水箱和进水管进行供水，水流通过覆盖土层和设置在模拟岩层顶部开口处的扇叶进行渗透，可模拟自然水对岩溶塌陷的影响状况，通过进水管上的流量计和进水阀门可以控制水流流量大小，来模拟不同水动力条件对岩溶塌陷的影响；

2、本实用新型通过水箱给岩溶溶洞进行通水后，溶洞中的地下水水位进行抬升，可模拟地下水水位上升引起覆盖层岩溶塌陷过程；

3、本实用新型通过排水管和出水阀门进行放水，放水后岩溶溶洞中的地下水水位下降，可模拟人工抽水引起的覆盖层岩溶塌陷过程；

4、本实用新型通过龙门、吊锤及锤头实现在覆盖土层上的任意敲打，且锤头可更换不同重量的锤头，来模拟不同打桩产生的振动对岩溶塌陷造成的影响；

5、本实用新型能够模拟岩溶塌陷在地下水位下降、地下水位上升及锤击振动分别作用下或者多种条件组合作用下引起覆盖层岩溶塌陷的过程；

6、本实用新型的模拟箱采用透明有机钢化玻璃材料，使用者可随时观察模拟箱内的模拟情况，便于观察。

综上，本实用新型装置能够模拟地表自然水及锤击振动单独作用下及其联合作用下岩溶塌陷的发育过程，便于观察，适用于地质灾害的研究。

附图说明

图1为本实用新型实验装置的整体结构示意图。

图中所示：

1-模拟箱，2-模拟岩层，3-岩溶溶洞，4-覆盖土层，5-扇叶，6-水箱，7-进水管，8-排水管，9-轨道，10-龙门，11-吊锤，12-锤头，13-流量计，14-进水阀门，15-抽水机，16-出水阀门。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本实用新型进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，本实施例提供一种能够模拟锤击振动及流水对岩溶塌陷造成影响的实验装置，整个实验装置由主体模型结构、供排水系统及振动系统组成，其中，

所述的主体模型结构包括模拟箱1、模拟岩层2、岩溶溶洞3及覆盖土层4，所述模拟岩层2设置在模拟箱1的内部，由混凝土浇筑而成，所述岩溶溶洞3预制在所述模拟岩层2内的底部中央，所述模拟岩层2的顶部设有开口，在开口处设置可调整开口大小的扇叶5，所述覆盖土层4铺设在所述模拟岩层2的顶部。

具体的，为了方便实验者进行观察，所述模拟箱1为加厚透明有机钢化玻璃材料制成的长方形箱体，所述模拟岩层2和岩溶溶洞3设置在其中。

具体的，所述岩溶溶洞3的上端开口小、下端腹腔隆起，由整块灰岩岩石切割而成，所述岩溶溶洞3的高度为1米，径深为1米，腹腔最宽处约为0.6米。

具体的，为了增强与岩溶溶洞3之间的电性差异，所述模拟岩层2为长方形箱体结构，由混凝土浇筑而成，所述模拟岩层2的长为3米，宽为1.2米，高为1.1米，所述模拟岩层2顶部的扇叶5为电动百叶窗形式，通过与控制系统电性连接来控制扇叶5转动，进而调整模拟岩层2顶部开口的大小，以满足不同泥水量进入岩溶溶洞3的需要，此处扇叶5采用高分子材料制作，具有一定的强度和硬度。

具体的，覆盖土层4填充在模拟岩层2的顶部，其长度为3米，宽为1.2米，高为0.5米，覆盖土层4的下面不设置底板，直接铺设在模拟岩层2上，与模拟岩层2顶部平面重合用胶水封闭，在覆盖土层4的左端设置进水口，通过进水管7与水箱6相连，所述覆盖土层4可以是不同土壤的填充，以模拟不同土层。

所述的供排水系统包括水箱6、进水管7及排水管8，所述进水管7的一端连接在所述覆盖土层4的侧面，所述进水管7的另一端与水箱6连接，所述排水管8的一端连接在所述岩溶溶洞3的底部，所述排水管8的另一端与外部集水箱相连接。

具体的，所述进水管7上设有流量计13和进水阀门14来控制水流速度并计算水流流量，所述排水管8上设有抽水机15和出水阀门16来控制出水和出水流速。

所述振动系统包括平行设置在模拟箱1长边两侧的轨道9、设置在两个轨道9上的龙门10及设置在龙门10横梁上的吊锤11，所述吊锤11的底部末端可拆卸地连接一锤头12。

具体的，两个轨道9直接设置在地面或实验平台上，与模拟箱1的两个长边保持平行，每条轨道9的长度为3米，龙门10设置可移动地设置在两个轨道9上，且龙门10的两个支撑臂高度为2.5米，连接两个支撑臂的横梁长度为1.5米，在龙门10的横梁上可移动地连接一吊锤11，则吊锤11、龙门10和两个轨道9构成了一个小型龙门吊，搭配驱动电机，且驱动电机与控制系统电性连接，如此可以实现吊锤11在X和Y两个方向上的移动。

进一步地，在吊锤11的末端设置一锤头12,搭配一个触发机关，将触发机关与控制系统电性连接，通过控制系统控制触发机关动作，来使得锤头12连通吊锤11一起做自由落体动作以模拟桩基锤击，且通过控制系统可以精确控制锤头12的下降高度，所述锤头12与吊锤11的连接为可拆卸式，如此可以更换不同重量的锤头以模拟不同打桩产生的振动对岩溶塌陷的影响。

具体的，所述模拟箱1上还预留有监测传感器的接口，所述的监测传感器与控制系统电性连接。

具体的，本实施例中的进水阀门14、流量计13、抽水机15、出水阀门16、扇叶5的驱动电机、龙门10的驱动电机及触发机关均与控制系统电性连接，所述控制系统可以是安装在控制面板上，通过控制面板上的控制按钮来完成相应动作的控制。

综上，本实施例提供的一种能够模拟锤击振动及流水对岩溶塌陷造成影响的实验装置总体需要占地面积约长4米，宽2米，具有体积小的优势，通过控制水流流量大小可模拟不同水动力条件对岩溶塌陷的影响，通过观察自然流水可了解人工抽水对岩溶塌陷的影响，通过锤头11的锤击振动模拟打桩振动对岩溶塌陷的影响，所述的实验装置可以进行如下实验：

实验一：可模拟自然流水对岩溶塌陷造成的影响

将水箱6装满水，打开进水阀门14，水流进入覆盖土层4，通过模拟岩层2顶部扇叶5处的开口进入岩溶溶洞3，最后通过排水管8排出，由于水流可带走一定的泥土，经过一段时间的观测，可了解自然水对岩溶塌陷的影响状况，进一步地，通过流量计13控制水流的流量大小，可模拟不同水动力条件对岩溶塌陷的影响。

实验二：可模拟人工抽水对岩溶塌陷造成的影响

将水箱6和岩溶溶洞3装满水，水面至少需要盖过模拟岩层2，打开排水管8的出水阀门16和抽水机15，工作一段时间后关闭抽水机15和出水阀门16，然后打开进水阀门14，此实验模拟人工对地下抽水一段时间之后，再在自然流水情况下，观察一段时间，可模拟人工抽水对岩溶塌陷造成的影响。

实验三：可模拟桩基震动对岩溶塌陷造成的影响

通过控制系统控制触发机关工作，使得吊锤11和锤头12一起进行上下打桩的动作，再通过控制系统可控制吊锤11在X和Y方向上的移动，进而实现锤头12在覆盖土层4上任意点的锤击，来模拟打桩产生的震动，锤击过程中，部分泥土会通过模拟岩层2顶部的扇叶5开口处进入岩溶溶洞3，观察一段时间后，可了解周边锤击振动对岩溶塌陷造成的影响。

本实施例的实验装置在进行上述的实验操作时可单独项进行操作，也可以将上述实验同时进行，即本实施例提供的实验装置既可以模拟自然水和锤击振动单独作用下对岩溶塌陷造成的影响，也可以模拟自然水和锤击振动联合作用下对岩溶塌陷造成的影响，透明的模拟箱便于观察，适用于地质灾害的研究。

应当理解的是，说明书中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。本实施例仅用于说明该实用新型，而不用于限制本实用新型的范围，本领域技术人员对于本实用新型所做的等价置换等修改均认为是落入该实用新型权利要求书所保护范围内。

Claims (7)

1.一种能够模拟锤击振动及流水对岩溶塌陷造成影响的实验装置，其特征在于：所述的实验装置包括主体模型结构、供排水系统及振动系统，其中，

所述主体模型结构包括模拟箱(1)、模拟岩层(2)、岩溶溶洞(3)及覆盖土层(4)，所述模拟箱(1)由透明有机钢化玻璃材料制成，所述模拟岩层(2)设置在模拟箱(1)的内部，且由混凝土浇筑而成，所述岩溶溶洞(3)预制在所述模拟岩层(2)内的底部中央，所述模拟岩层(2)的顶部设有开口，在开口处设置可调整开口大小的扇叶(5)，所述覆盖土层(4)铺设在所述模拟岩层(2)的顶部；

所述供排水系统包括水箱(6)、进水管(7)及排水管(8)，所述进水管(7)的一端连接在所述覆盖土层(4)的侧面，所述进水管(7)的另一端与水箱(6)连接，所述排水管(8)的一端连接在所述岩溶溶洞(3)的底部，所述排水管(8)的另一端与外部集水箱相连接；

所述振动系统包括平行设置在模拟箱(1)长边两侧的轨道(9)、设置在两个轨道(9)上的龙门(10)及设置在龙门(10)横梁上的吊锤(11)，所述吊锤(11)的底部末端可拆卸地连接一锤头(12)。

2.根据权利要求1所述的一种能够模拟锤击振动及流水对岩溶塌陷造成影响的实验装置，其特征在于：所述岩溶溶洞(3)是由整块灰岩岩石切割而成的具有上端开口小、下端腹部隆起形状的结构。

3.根据权利要求1所述的一种能够模拟锤击振动及流水对岩溶塌陷造成影响的实验装置，其特征在于：所述进水管(7)上设有流量计(13)和进水阀门(14)。

4.根据权利要求1所述的一种能够模拟锤击振动及流水对岩溶塌陷造成影响的实验装置，其特征在于：所述排水管(8)上设有抽水机(15)和出水阀门(16)。

5.根据权利要求1所述的一种能够模拟锤击振动及流水对岩溶塌陷造成影响的实验装置，其特征在于：所述模拟箱(1)上预留有监测传感器的接口。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种能够模拟锤击振动及流水对岩溶塌陷造成影响的实验装置，其特征在于：所述的实验装置还包括控制系统，所述控制系统与流量计(13)、进水阀门(14)、抽水机(15)、出水阀门(16)及监测传感器电性连接。

7.根据权利要求6所述的一种能够模拟锤击振动及流水对岩溶塌陷造成影响的实验装置，其特征在于：所述控制系统还与扇叶(5)和龙门(10)的驱动电机电性连接。

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