CN116147574A - 深部振动作用下隧洞及上覆地层动力响应实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的深部振动作用下隧洞及上覆地层动力响应实验装置，有效解决了在隧洞下部如地震波振动作用下隧洞沉降机制的实验模拟难题，而且该装置还可以开展模拟地震作用对不同倾角地层中的隧洞沉降机制及规律研究，其解决的技术方案是，包括沉降模拟箱，沉降模拟箱内的角度调节装置和角度固定装置，还包括振动发生装置，波动采集监测装置，以及沉降监控***。

Description

深部振动作用下隧洞及上覆地层动力响应实验装置

技术领域

本发明涉及一种实验装置，特别是深部振动作用下隧洞及上覆地层动力响应实验装置。

背景技术

随着经济路网的快速发展，隧洞工程越来越多，不可避免地要穿越一些地震带，而地震对隧洞构成最大威胁。地震波在地球内部的传播分为纵波和横波。震动方向与传播方向一致的波为纵波(P波)，来自地下的纵波引起地面上下颠簸振动。震动方向与传播方向垂直的波为横波(S波)，来自地下的横波能引起地面的水平晃动。因此模拟地震振动必须考虑模拟地震的水平方向以及垂直方向震动，使之与真实工况运动相似。

隧洞建于地下，其受深部振动如地震作用下的动力响应特征与地上构筑是不同的。因此，开展深部振动作用荷载对隧洞周边及上覆层的动力影响模型试验研究具有较高的实际工程意义。目前需设计一种能够对在隧洞下部如地震波振动作用下隧洞及上覆地层沉降机制及规律进行实验模拟的装置。而且该装置还应实现对地震作用对不同倾角地层中的隧洞及上覆地层沉降机制及规律进行实验模拟研究。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明提供了深部振动作用下隧洞及上覆地层动力响应实验装置，有效解决了在模拟隧洞沉降实验过程中的不同倾角的模拟层的影响作用问题，并且在填充完成后的实验阶段无法保证模拟层所倾斜的角度是实验所需要的角度，同时能在小空间内获得更大的振动力，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。

深部振动作用下隧洞及上覆地层动力响应实验装置，其特征在于，还包括用于模拟深部振动的深部振动模拟装置，所述深部振动模拟装置包括固定连接在沉降模拟箱底面上表面上的振动箱体，振动箱体内固定连接的支撑架，支撑架上固定连接的双向电机，双向电机两端分别向外伸出轴上固定连接有蜗杆，固定连接在振动箱体上转动连接有与蜗轮之间相配合的蜗杆，蜗杆同轴固定连接有第一齿轮，各个第一齿轮分别与转动连接在振动箱体上的第二齿轮之间齿轮配合，支撑架前后两端分别固定连接有转动轴，转动轴上套设有转动连接的偏心块，偏心块同轴向外伸出有第二转动轴，第二转动轴上固定连接有第三齿轮，各个第三齿轮与相对应的第二齿轮之间经同步带进行连接并进行同步运动。

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开挖隧洞的开口。

作为优选，所述地层中除了设有压力传感器、位移传感器外，还设有用于检测地层波动的振动传感器。

本发明有益效果是：解决了以下问题；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.在填装模拟层过程中能将模拟箱先调整到实验时的角度，再进行填装实验模拟层，能使填装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.在小空间内能获得较大的振动力；8.振动通过多个偏心块同步转动并产生振动，能避免大振动电机体积过大的问题；9.有效减少振动源所占空间，为实验地层预留更大的实验空间。

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局部放大图。

图3为本发明整体示意图第二视角。

图4为本发明整体示意图第二视角B区域局部放大图。

图5为本发明俯视图。

图6为本发明剖视图。

图7为本发明深部振动模拟装置剖视图。

附图标记

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.隧洞开挖口，27.振动箱体，28.支撑架，29.双向电机，30.偏心块，31.第一齿轮，32.第二齿轮，33.转动轴，34.第三齿轮，35.同步带。

具体实施方式

以下结合附图1-7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，将隧洞开挖口26打开并模拟隧洞开挖，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。

在需要使用深部振动模拟装置来模拟在底部振动情况下隧洞及上覆地层产生的数据变化时将振动箱体内的双向电机通电，在双向电机通电时位于双向电机两端固定连接的偏心块会同步进行转动，同时位于双向电机两端固定连接的蜗轮会开始转动，蜗轮转动带动与之相配合的蜗杆进行转动，蜗杆转动时与蜗杆同轴固定连接的第一齿轮会同步进行转动，与两端的第一齿轮之间分别齿轮啮合的第二齿轮会同步进行转动，在两端的第二齿轮开始转动时分别与第二齿轮经同步带进行连接的第三齿轮在同步带作用下会同步开始转动，第三齿轮分别与前后方位的偏心块之间固定连接，在前后两端的第三齿轮开始转动时会带动同轴固定连接的偏心块同步进行转动，为了获得更大的振动力将所有偏心块偏心角度初始位置设置为一致，由于各个偏心块转动连接部位经齿轮与同步带进行连接，所以在偏心块进行转动时所有偏心块会同步进行转动且使得振动力更大。

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隧洞地层模拟层、和设置在隧洞模拟层上覆的多层地质模拟层F1、F2……Fn，并设置有隧洞开挖口26，所述的隧洞开挖口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不同倾角地层中隧洞及上覆沉降机制的实验装置。

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，当需要进行模拟挖取地层内的隧洞时将开启门打开，在不使用时将开启门封闭，防止模拟层泄露。

Claims (8)

1.深部振动作用下隧洞及上覆地层动力响应实验装置，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（11），倾斜板（11）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（11）上端转动连接有平行杆（13），左侧倾斜板（11）左侧和右侧倾斜板（11）右侧的前挡板（7）与后挡板（8）之间分别固定连接有支撑板（14），左侧支撑板（14）与左侧倾斜板（11）之间设有倾斜板角度调节装置（15），右侧支撑板（14）与右侧倾斜板（11）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）；

还包括用于模拟深部振动的深部振动模拟装置，所述深部振动模拟装置包括固定连接在沉降模拟箱底面上表面上的振动箱体（27），振动箱体内固定连接的支撑架（28），支撑架上固定连接的双向电机（29），双向电机两端转轴上分别固定连接的偏心块（30），双向电机两端分别向外伸出轴上固定连接有蜗杆，固定连接在振动箱体上转动连接有与蜗轮之间相配合的蜗杆，蜗杆同轴固定连接有第一齿轮（31），各个第一齿轮分别与转动连接在振动箱体上的第二齿轮（32）之间齿轮配合，支撑架前后两端分别固定连接有转动轴（33），转动轴上套设有转动连接的偏心块，偏心块同轴向外伸出有第二转动轴，第二转动轴上固定连接有第三齿轮（34），各个第三齿轮与相对应的第二齿轮之间经同步带（35）进行连接并进行同步运动。

2.根据权利要求1所述深部振动作用下隧洞及上覆地层动力响应实验装置，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（14）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（11）左侧面之间纵向转动连接。

3.根据权利要求1所述深部振动作用下隧洞及上覆地层动力响应实验装置，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支撑板（14）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。

4.根据权利要求3所述深部振动作用下隧洞及上覆地层动力响应实验装置，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（11）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。

5.根据权利要求1所述深部振动作用下隧洞及上覆地层动力响应实验装置，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（11）与前挡板（7）和后挡板（8）之间密封滑动连接。

6.根据权利要求1所述深部振动作用下隧洞及上覆地层动力响应实验装置，其特征在于，所述平行杆（13）由前平行杆（13）与后平行杆（13）组成，前平行杆（13）左端与左倾斜板（11）上端面前端之间纵向转动连接，前平行杆（13）右端与右倾斜板（11）上端面前端之间纵向转动连接，后平行杆（13）左端与左倾斜板（11）上端面后端之间纵向转动连接，后平行杆（13）右端与有倾斜板（11）上端面后端之间纵向转动连接，所述前平行杆（13）与后平行杆（13）上端面之间始终保持在一个平面，前平行杆（13）与后平行杆（13）前侧面之间平行。

7.根据权利要求1所述深部振动作用下隧洞及上覆地层动力响应实验装置，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。

8.根据权利要求1所述深部振动作用下隧洞及上覆地层动力响应实验装置，其特征在于，所述后挡板（8）上开设有隧洞开挖口（26）。

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