CN114061875B - 一种模拟隧洞车辆振动荷载作用下采空区动力响应实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种模拟隧洞车辆振动荷载作用下采空区动力响应实验装置，有效解决了在实验过程中采空区上覆的地层内存在地下轨道列车或地下通道，在轨道内的轨道列车以及行驶车辆行进过程中产生的振动对下方的采空区以及周围地层的影响的问题，同时能对存在列车的路段在通车的情况下进行模拟，通过模拟装置将采空区上方通车情况下采空区及其周围地层发生变化的情况进行模拟并记录，还能通过按压装置对列车的重量进行模拟，使得测试时能模拟出更精确的数据，本发明结构巧妙不仅结构简单并且实用。

Description

一种模拟隧洞车辆振动荷载作用下采空区动力响应实验装置

技术领域

本发明涉及一种实验模拟装置，特别是一种模拟隧洞车辆振动荷载作用下采空区动力响应实验装置。

背景技术

我国经济的发展极大地提高了人们的出行便利程度，一些高铁地铁隧洞交通线路不可避免地要穿越采空区。轨道交通在高速行进过程中产生振动，在列车行进过程中，振动源的位置也是沿轨道不断变化运动。高速轨道交通对沉降变形控制要求极为严格，为探究轨道交通振动载荷对采空区地层沉降的影响作用规律，亟待设计一种能够模拟隧洞动荷载作用对下伏地层含有采空区的动力作用机制的物理模型试验。

为了更好地模拟不同地块层的轨道振动荷载作用下地层的动力响应机制，试验装置不仅可以实现对水平地层进行模拟，而且还应满足对倾斜地层开展模拟进行试验。因此，开展对具有一定倾角地层采空区受隧洞振动荷载的动力响应机制的物理模型试验，探索在这些多因素耦合作用对采空区地层诱发沉降作用机制及规律具有很高的理论及现实意义。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明提供了一种模拟隧洞车辆振动荷载作用下采空区动力响应实验装置，有效解决了在实验过程中采空区上部地层内存在地下轨道，在轨道内的列车以及汽车进行行进过程中对下方的采空区以及周围地层产生的振动以及压力作用下的影响的问题，其解决的技术方案是，包括传感器，其特征在于，还包括用于承载各个模拟层及各个传感器的沉降模拟箱，沉降模拟箱下端面左侧与支撑座上端面左侧之间转动连接，转轴与沉降模拟箱下端面之间固定连接，转轴伸出支撑座部位固定连接有角度指针，沉降模拟箱由方形底板、固定连接在底板前侧面的前挡板、固定连接在下底板后侧面的后挡板组成，下底板左侧面与右侧面上均开设有穿透前挡板与后挡板的弧形槽，弧形槽内均转动连接有转动杆，转动杆上均固定连接有倾斜板，倾斜板宽度与前挡板后侧面到后挡板前侧面之间距离相同，转动杆伸出前挡板部位均固定连接有垂直于转动杆轴线的指针，固定连接在前挡板上的与指针相配合的刻度盘，倾斜板上端转动连接有平行杆，左侧倾斜板左侧和右侧倾斜板右侧的前挡板与后挡板之间分别固定连接有支撑板，左侧支撑板与左侧倾斜板之间设有倾斜板角度调节装置，右侧支撑板与右侧倾斜板之间设有倾斜板角度固定装置，位于下底板下底面右侧与支撑座右侧之间设有液压千斤顶；

一种模拟隧洞车辆振动荷载作用下采空区动力响应实验装置，其特征在于，还包括内部列车模拟装置，所述内部列车模拟装置包括用于模拟隧道的模拟筒，固定连接在模拟筒内且均匀间隔布置的多个转动电机，各个转动电机转轴上均固定连接有偏心轮，位于模拟筒内侧壁上固定连接有内置通电线的滑道，各个转动电机侧面上与滑道相对应位置处均固定连接有与滑道位置相对应的轨道，滑道与轨道之间的空间内设有平行布置的螺纹轴与导杆，螺纹轴经驱动电机进行驱动，螺纹轴上螺纹连接有经导杆进行导向的滑动块，滑动块内转动连接有接触块，接触块同时与滑道和轨道之间相接触，在接触块将不同的轨道与滑道之间相连接时该轨道连接的转动电机开始转动，在接触块断开连接时转动电机停止转动，滑动块经螺纹轴进行驱动并沿导轨进行往复运动。

作为优选，还包括用于对隧道模拟筒进行施加模拟重力的按压装置，所述按压装置包括固定连接在模拟箱侧面上的支撑架，支撑架上端固定连接的第二支撑板，第二支撑板上固定连接的支撑电机，支撑电机转轴竖向布置且向上伸出，支撑电机转轴上开设有螺纹且螺纹连接有压板，压板两端固定连接有向下伸出且与支撑架之间滑动连接的弹性压杆，弹性压杆下端均固定连接有与模拟筒外轮廓相配合的压爪。

作为优选，所述倾斜板角度调节装置包括纵向转动连接在左侧支撑板上的螺纹套，螺纹套内转动连接有螺纹调节杆，螺纹调节杆右端转动连接有左连接套，左连接套左端与螺纹调节杆右端之间转动连接，左连接套右端与左侧倾斜板左侧面之间纵向转动连接。

作为优选，所述倾斜板角度固定装置包括纵向转动连接在右支撑板上的定位套，定位套内侧面上均匀间隔排布有多个卡齿，定位套内滑动连接有定位杆，定位杆上固定有与定位套内卡齿相配合的卡块，当卡块与卡齿错位时定位杆与定位套之间滑动连接，当定位杆转动九十度时卡块与卡齿之间相配合并使定位杆与定位套之间不能进行滑动运动。

作为优选，所述定位杆左端转动连接有右连接套，右连接套左端与右侧倾斜板右侧面之间纵向转动连接，右连接套右端与定位杆左端面之间转动连接。

作为优选，所述弧形槽内转动连接的转动杆与弧形槽之间密封转动连接，所述转动杆上固定连接的倾斜板与前挡板和后挡板之间密封滑动连接。

作为优选，所述平行杆由前平行杆与后平行杆组成，前平行杆左端与左倾斜板上端面前端之间纵向转动连接，前平行杆右端与右倾斜板上端面前端之间纵向转动连接，后平行杆左端与左倾斜板上端面后端之间纵向转动连接，后平行杆右端与有倾斜板上端面后端之间纵向转动连接，所述前平行杆与后平行杆上端面之间始终保持在一个平面，前平行杆与后平行杆前侧面之间平行。

作为优选，所述液压千斤顶位于支撑座上端面右侧向下开设的收容槽内，液压千斤顶上端与下底板下底面右侧之间纵向转动连接，液压千斤顶下端与收容槽下底面之间纵向转动连接。

作为优选，所述后挡板上开设有挖煤口。

本发明有益效果是： 1.在使用过程中能准确的调整沉降模拟箱的倾斜角度的问题；2.在调节过程中能准确的反应出倾斜角度，将倾斜板的倾斜角度与模拟箱倾斜角度调整为一致，能有效提高实验数据的准确性；3.沉降模拟箱的倾斜角度与倾斜板的支撑角度能进行比较；4.在进行实验时左右两侧的倾斜板始终保持竖直状态；5.在填埋模拟层过程中能将模拟箱先调整到实验时的角度，再进行填埋实验模拟层，能使填埋的模拟层的角度及厚度都是符合实验时所需要的模拟层的厚度；6.在设置传感器时使传感器始终与倾斜板保持平行就能保证在实验时传感器为竖直状态，使实验数据更加准确；7.能通过列车模拟装置能对采空区下方的采空区地层进行模拟并通过传感器将周围地层的变化进行记录；8.能通过列车模拟装置内的螺纹杆的驱动电机的正反转不停的切换实现对列车的循环行驶进行模拟；9.能通过按压装置对列车的重量进行模拟，使得测试时能模拟出更精确的数据。

附图说明

图1为本发明整体示意图。

图2为本发明整体示意图B区域放大图。

图3为本发明整体示意图C区域放大图。

图4为本发明整体示意图第二视角。

图5为本发明剖视图。

图6为本发明列车模拟装置局部剖视图。

图7为本发明列车模拟装置局部剖视图第二视角。

图8为本发明列车模拟装置局部剖视图A区域局部放大图。

图9为本发明列车模拟装置局部剖视图第三视角。

1.支撑座，2.液压千斤顶，3.沉降模拟箱，4.转轴，5.角度指针，6.下底板，7.前挡板，8.后挡板，9.弧形槽，10.转动杆，11.倾斜板，12.刻度盘，13.平行杆，14.支撑板，15.倾斜板角度调节装置，16.倾斜板角度固定装置，17.螺纹套，18.螺纹调节杆，19.左连接套，20.定位套，21.卡齿，22.定位杆，23.卡块，24.右连接套，25.收容槽，26.挖煤口，27.模拟筒，28.转动电机，29.偏心轮，30.滑道，31.轨道，32. 螺纹轴，33.导杆，34.驱动电机，35.滑动块，36.接触块，37.支撑架，38.第二支撑板，39.支撑电机，40.压板，41.弹性压杆，42.压爪。

具体实施方式

以下结合附图1-9对本发明的具体实施方式做出进一步详细说明。

该实施例在使用时，先将实验装置的支撑座1放置在水平硬质地面上，此时调节液压千斤顶2将沉降模拟箱3右端向上升起到实验所需要的角度，此时沉降模拟箱3下端面左侧与支撑座1转动连接部位向前侧面伸出部位上固定连接的角度指针5指示出此时沉降模拟箱3的倾斜角度，然后在指针指示到需要的角度后停止液压千斤顶2并使液压千斤顶2保持原位，此时调整左侧倾斜板11左侧面上的倾斜角度调节装置上的螺纹调节杆18，使倾斜板11倾斜角度转动到与沉降模拟箱3倾斜角度相一致，由于左右两侧上的倾斜板11上端转动连接有平行杆13，平行杆13使左右两侧的倾斜板11的倾斜角度始终保持相同，然后将倾斜角度固定装置转动九十度，使倾斜板11的角度固定，此时将传感器放置在所要测量的部位，传感器的方向要与倾斜板11保持平行，接通传感器的电源并连接电脑，此时开始逐层铺设沉降模拟层，铺设第一层时其第一层上表面与水平面相一致，在铺设好后将模拟层进行铺平、压实，然后开始填充其上一层的模拟层，依次填充好后将液压千斤顶2放下，将沉降模拟装置放置三到五天，等地层相对稳定后再开始实验，实验时液压千斤顶2连通液压泵，模拟箱在液压力作用下右端向上升起，模拟箱整体产生倾斜，将模拟箱倾斜角度调整到与倾斜板11角度相同时停止液压千斤顶2的动作，且使液压千斤顶2保持原位，此时接通传感器的电源并连接信息处理电脑，将挖煤口26打开并模拟开挖煤层，并实时监测传感器传回的数据，收集好实验数据后将模拟箱内的模拟材料清空，将传感器收回，然后将液压千斤顶2回位，再逆时针旋转倾斜板角度固定装置16将倾斜板11定位取消，调整倾斜板角度调节装置15将倾斜板11回位，然后重新进行模拟箱不同倾斜角度时的实验并收集数据。

在需要对列车行进中的采空区进行模拟装置时，启动列车模拟装置内部的螺纹轴连接的驱动电机，驱动电机在转动过程中位于螺纹轴上螺纹连接的滑动块会在导杆作用下限制转动，同时在螺纹轴进行转动过程中滑动块会经螺纹连接作用下沿导杆进行移动，在滑动块移动过程中位于滑动块内部转动连接的接触块会同步进行移动，在滑动块将不同的轨道与滑道之间相连接时，由于滑道内置通电线，而各个轨道均位于各个转动电机上，在将各个轨道通过连接块将转动电机进行通电时，该转动电机进行转动，由于各个转动电机转轴上均固定连接有偏心轮，在转动电机进行转动过程中会使列车模拟装置振动，而列车模拟装置在震动过程中振动源为正在转动的转动电机，而滑动块经由螺纹杆进行驱动时接触块每次与不同的转动电机的轨道之间进行接触，使得在接触块接触的转动电机进行通电转动而非接触的转动电机停止转动，滑动块在螺纹杆固定连接的驱动电机的正反转作用下进行往复移动，而在接触块移动过程中不同的转动电机依次进行转动或停止转动，在转动电机依次进行转动时模拟列车经过时的振动情况，同时在模拟列车经过过程中，位于模拟箱内的多个传感器同步对模拟箱内的地层的变化情况进行记录，将采集到的信息进行收集并传递给电脑，采用电脑对数据进行分析并记录。

与传感器输出端相连的数据采集仪和与数据采集仪相连的电脑，设置的下伏地层模拟层、设置在下伏地层模拟层上方的煤层模拟层、和设置在煤层模拟层上覆的多层地质模拟层F1、F2……Fn，并设置有挖煤口26，所述的挖煤口26上设置有调节法兰，所述的传感器包括位移传感器和压力传感器，所述的位移传感器和压力传感器通过数据线分别连接到相应的数据采集仪，所述多层地质模拟层F1、F2……Fn中均设置有位移传感器和压力传感器，还包括支撑座1，液压千斤顶2。

在设置传感器时使传感器始终与倾斜板保持平行就能保证在实验时传感器为竖直状态，使实验数据更加准确，本发明名称还可以为一种模拟变倾角地层采空区沉降机制的实验装置。

进一步的，在对列车进行模拟时为了对列车的重量进行模拟，在模拟过程中需要对列车重量进行模拟，在需要启动重量模拟时将位于第二支撑板上固定连接的支撑电机进行通电使得支撑电机进行转动，支撑电机在转动过程中位于支撑电机上端转轴上螺纹连接的的压板在探险压缩杆作用下向下进行运动，在压板向下运动过程中由于弹性压杆与压板之间为滑动连接，所以弹性压杆在压板导向作用下会垂直向下进行运动，在弹性压杆向下运动过程中为了放置弹性压杆对周围地层造成另外倾斜力，所以弹性压杆需要竖直放置使弹性压杆不对地层侧面产生挤压力，在弹性压杆下端固定连接的压爪为弧形结构，其中弧形部分与模拟筒外轮廓形状相吻合，在弹性压杆内设有压力弹簧，在弹性压杆向下运动时压力弹簧提供一个缓冲力，在提供缓冲力的同时对模拟筒提供一个持续的向下的压力，同时为了模拟沉降区地层部分塌陷时的情况，由于两端均由弹性压杆进行压迫，所以在模拟筒一端向下倾斜时能继续提供一个向下的压力而不是压力为固定部位提供的压力，在模拟筒向下运动时压力会消失，这样能尽可能的模拟出真实情况，使得结果更加精确。

进一步的，顺时针旋转螺纹调节杆18，螺纹调节杆18向右进行运动，螺纹调节杆18向右运动时推动左连接套19向右进行移动，左连接套19向右进行移动时推动左倾斜板11向右进行转动并起到实时定位作用，当需要左倾斜板11回位时，逆时针转动左螺纹调节杆18，左倾斜板11在螺纹调节杆18的拉力下回位。

进一步的，在定位杆22未转动时定位套20内的卡齿21与定位杆22上的卡套之间交错排布，定位杆22与定位套20之间滑动连接，当定位杆22转动九十度后定位杆22上的卡块23与定位套20内的卡齿21之间进行重合，此时定位杆22与定位套20之间只能在外力作用下进行转动而不能进行滑动运动，从而起到对右侧倾斜板11的支撑定位作用，在使用完后。

进一步的，转动定位杆22时连接套由于与定位杆22之间转动连接，所以在定位杆22转动时会由于螺纹连接的作用推动连接套进行转动。

进一步的，弧形槽9与转动杆10之间密封转动连接是为了防止模拟层的土壤结构掉落，并在转动时不会受到杂物的影响。

进一步的，平行杆13的长度选择与下底板6长度保持一致，并使左倾斜板11与右倾斜板11之间始终保持平行，并组成平行四边形结构，这样左倾斜板11与右倾斜板11在动作时会同时动作并始终保持平行，前后方均安装平行杆13还能起到支撑作用，防止内部的模拟层在挤压力的作用下将左倾斜板11与右倾斜板11产生位移。

进一步的，液压千斤顶2连接有液压泵，液压泵连接有控制单元，液压泵在需要将下底板6支撑起一定角度时对液压泵内加压，液压泵将下底板6支撑起一定角度，在达到指定角度时停止并锁紧，使支撑板14保持在固定位置，当需要下底板6回位时，液压泵在控制单元控制下缓慢向下降，并收容在收容槽25内。

进一步的，在后挡板8上开设的收容槽25上设有开启门，当需要进行模拟开挖煤层时将开启门打开，在不使用时将开启门封闭，防止模拟层泄露。

Claims (9)

1.一种模拟隧洞车辆振动荷载作用下采空区动力响应实验装置，包括传感器，其特征在于，还包括用于承载各个模拟层及各个传感器的沉降模拟箱（3），沉降模拟箱（3）下端面左侧与支撑座（1）上端面左侧之间转动连接，转轴（4）与沉降模拟箱（3）下端面之间固定连接，转轴（4）伸出支撑座（1）部位固定连接有角度指针（5），沉降模拟箱（3）由方形下底板（6）、固定连接在下底板（6）前侧面的前挡板（7）、固定连接在下底板（6）后侧面的后挡板（8）组成，下底板（6）左侧面与右侧面上均开设有穿透前挡板（7）与后挡板（8）的弧形槽（9），弧形槽（9）内均转动连接有转动杆（10），转动杆（10）上均固定连接有倾斜板，倾斜板宽度与前挡板（7）后侧面到后挡板（8）前侧面之间距离相同，转动杆（10）伸出前挡板（7）部位均固定连接有垂直于转动杆（10）轴线的指针，固定连接在前挡板（7）上的与指针相配合的刻度盘（12），倾斜板上端转动连接有平行杆，左侧倾斜板左侧和右侧倾斜板右侧的前挡板（7）与后挡板（8）之间分别固定连接有支撑板，左侧支撑板与左侧倾斜板之间设有倾斜板角度调节装置（15），右侧支撑板与右侧倾斜板之间设有倾斜板角度固定装置（16），位于下底板（6）下底面右侧与支撑座（1）右侧之间设有液压千斤顶（2）；

还包括内部列车模拟装置，所述内部列车模拟装置包括用于模拟隧道的模拟筒（27），固定连接在模拟筒内且均匀间隔布置的多个转动电机（28），各个转动电机转轴上均固定连接有偏心轮（29），位于模拟筒（27）内侧壁上固定连接有内置通电线的滑道（30），各个转动电机侧面上与滑道相对应位置处均固定连接有与滑道位置相对应的轨道（31），滑道与轨道之间的空间内设有平行布置的螺纹轴（32）与导杆（33），螺纹轴经驱动电机（34）进行驱动，螺纹轴上螺纹连接有经导杆进行导向的滑动块（35），滑动块内转动连接有接触块（36），接触块同时与滑道和轨道之间相接触，在接触块将不同的轨道与滑道之间相连接时该轨道连接的转动电机开始转动，在接触块断开连接时转动电机停止转动，滑动块经螺纹轴进行驱动并进行往复运动。

2.根据权利要求1所述一种模拟隧洞车辆振动荷载作用下采空区动力响应实验装置，其特征在于，还包括用于对模拟筒（27）进行施加模拟重力的按压装置，所述按压装置包括固定连接在模拟箱侧面上的支撑架（37），支撑架上端固定连接的第二支撑板（38），第二支撑板上固定连接的支撑电机（39），支撑电机转轴竖向布置且向上伸出，支撑电机转轴上开设有螺纹且螺纹连接有压板（40），压板两端固定连接有向下伸出且与支撑架（37）之间滑动连接的弹性压杆（41），弹性压杆下端均固定连接有与模拟筒外轮廓相配合的压爪（42）。

3.根据权利要求1所述一种模拟隧洞车辆振动荷载作用下采空区动力响应实验装置，其特征在于，所述倾斜板角度调节装置（15）包括纵向转动连接在左侧支撑板上的螺纹套（17），螺纹套（17）内转动连接有螺纹调节杆（18），螺纹调节杆（18）右端转动连接有左连接套（19），左连接套（19）左端与螺纹调节杆（18）右端之间转动连接，左连接套（19）右端与左侧倾斜板左侧面之间纵向转动连接。

4.根据权利要求1所述一种模拟隧洞车辆振动荷载作用下采空区动力响应实验装置，其特征在于，所述倾斜板角度固定装置（16）包括纵向转动连接在右侧支撑板上的定位套（20），定位套（20）内侧面上均匀间隔排布有多个卡齿（21），定位套（20）内滑动连接有定位杆（22），定位杆（22）上固定有与定位套（20）内卡齿（21）相配合的卡块（23），当卡块（23）与卡齿（21）错位时定位杆（22）与定位套（20）之间滑动连接，当定位杆（22）转动九十度时卡块（23）与卡齿（21）之间相配合并使定位杆（22）与定位套（20）之间不能进行滑动运动。

5.根据权利要求4所述一种模拟隧洞车辆振动荷载作用下采空区动力响应实验装置，其特征在于，所述定位杆（22）左端转动连接有右连接套（24），右连接套（24）左端与右侧倾斜板右侧面之间纵向转动连接，右连接套（24）右端与定位杆（22）左端面之间转动连接。

6.根据权利要求1所述一种模拟隧洞车辆振动荷载作用下采空区动力响应实验装置，其特征在于，所述弧形槽（9）内转动连接的转动杆（10）与弧形槽（9）之间密封转动连接，所述转动杆（10）上固定连接的倾斜板与前挡板（7）和后挡板（8）之间密封滑动连接。

7.根据权利要求1所述一种模拟隧洞车辆振动荷载作用下采空区动力响应实验装置，其特征在于，所述平行杆由前平行杆与后平行杆组成，前平行杆左端与左侧倾斜板上端面前端之间纵向转动连接，前平行杆右端与右侧倾斜板上端面前端之间纵向转动连接，后平行杆左端与左侧倾斜板上端面后端之间纵向转动连接，后平行杆右端与右侧倾斜板上端面后端之间纵向转动连接，所述前平行杆与后平行杆上端面之间始终保持在一个平面，前平行杆与后平行杆前侧面之间平行。

8.根据权利要求1所述一种模拟隧洞车辆振动荷载作用下采空区动力响应实验装置，其特征在于，所述液压千斤顶（2）位于支撑座（1）上端面右侧向下开设的收容槽（25）内，液压千斤顶（2）上端与下底板（6）下底面右侧之间纵向转动连接，液压千斤顶（2）下端与收容槽（25）下底面之间纵向转动连接。

9.根据权利要求1所述一种模拟隧洞车辆振动荷载作用下采空区动力响应实验装置，其特征在于，所述后挡板（8）上开设有挖煤口（26）。