阅读说明：本技术 土工离心机模型中连续可调近弧形不均匀沉降机械装置 (Continuous adjustable approximate-arc differential settlement mechanical device in geotechnical centrifuge model ) 是由 李世俊 张嘎 于 2019-11-25 设计创作，主要内容包括：一种土工离心机模型中连续可调近弧形不均匀沉降机械装置,其特征是：在模型箱底部设置有高度相等且长度均等于模型箱内长的左侧钢板平台、右侧钢板平台和边缘钢板平台,左侧钢板平台和右侧钢板平台的顶面向内延伸并形成上宽下窄的倒角,二者相隔一定距离以模拟不均匀沉降区域,在其下方与模型箱底部之间形成一个空腔,在该空腔内安装微型伺服升降电机,微型伺服升降电机的上焊接一个移动支撑平台,在其上方放置多个宽度较小且长度等于模型箱内长的钢板条,细钢丝绳贯穿连接钢板条组,组内相邻钢板条紧密接触,初始阶段钢板条组上表面与钢板平台上表面处于同一水平面上,在模型箱内位于钢板平台和钢板条的上方布设土质边坡模型。(The utility model provides a continuous adjustable nearly arc differential settlement mechanical device among geotechnical centrifuge model which characterized by: the bottom of the model box is provided with a left steel plate platform, a right steel plate platform and an edge steel plate platform which have the same height and the same length as the inner length of the model box, the top surfaces of the left steel plate platform and the right steel plate platform extend inwards and form a chamfer with a wide top and a narrow bottom, the left steel plate platform and the right steel plate platform are separated by a certain distance to simulate an uneven settlement area, a cavity is formed between the lower part of the cavity and the bottom of the model box, a micro servo lifting motor is arranged in the cavity, a movable supporting platform is welded on the micro servo lifting motor, a plurality of steel strips with smaller width and length equal to the length in the model box are arranged above the model box, the thin steel wire ropes are connected with the steel strip groups in a penetrating way, the adjacent steel strips in the groups are in close contact, the upper surface of the steel strip group and the upper surface of the steel plate platform are positioned on the same horizontal plane in the initial stage, and a soil slope model is arranged above the steel plate platform and the steel strips in the model box.)

土工离心机模型中连续可调近弧形不均匀沉降机械装置

技术领域

本发明涉及模拟深层地基不均匀沉降的控制装备，特别涉及一种土工离心机模型中连续可调近弧形不均匀沉降机械装置与方法。

背景技术

化石燃料长时间高强度开采、大断面隧道开挖、地下水过度抽取、断层结构、喀斯特石灰溶岩、地基回填土压实不足和垃圾场生物分解等易在岩土层深部或浅部形成大面积或局部的不均匀沉降区。在重力的主导作用下，不均匀沉降区域逐渐向上方覆盖层传递，最终会引起地表沉降、地面塌陷、坡体崩塌和滑坡等地质灾害，对附近建筑物的正常使用和居民生命安全构成严重威胁。因此研制地层深部模拟不均匀沉降的机械装置，探究差异变形向上方岩土层的传递规律和引起的地表变形特性，并进行针对性控制与治理，具有重要的学术价值和工程借鉴意义。

针对上述问题，大量国内外学者研制了相应的地基不均匀沉降设备并对差异沉降进行了卓有成效的研究，例如，Stone、(Stone K J L.Modelling of rupture developmentin soils[D].University of Cambridge,1988)陈虎等、(陈虎，罗强,孟伟超.土工离心机路堤地基弯沉式差异沉降控制装置研制与试验[J].实验技术与管理,2013,30(12):96-100)和Divya et al(Divya P V,Viswanadham B V S,Gourc J P.Centrifuge Modelingand Digital Image Cross-Correlation Analysis of Geofiber-Reinforced Clay-Based Landfill Covers[J].Journal of Geotechnical and GeoenvironmentalEngineering,2016,143(1):04016076)。然而，王如路(王如路.上海地铁盾构隧道纵向变形分析[J].地下工程与隧道,2009,(4):1-6)和Shen et al(Shen S L,Wu H N,Cui Y J,etal.Long-term settlement behaviour of metro tunnels in the soft deposits ofShanghai[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2014,40:309-323)通过现场监测发现地层深部不均匀沉降通常表现为弧形或半椭圆形，且在短时间内变形幅度较大，后期呈现缓慢变形状态。尽管半椭圆形或弧形很接近现场工况，但国内外学者对这类不均匀沉降设备的研制鲜有报道。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种土工离心机模型中连续可调近弧形不均匀沉降机械装置，由于在不均匀沉降向上传递过程中，岩土体重力起主导作用，本发明结合土工离心模型试验具有再现原型应力的优点，研制了在超重力场中实现精确控制的近弧形不均匀沉降设备，这对于合理探究实际不均匀沉降工况下的地表变形破坏特性具有十分重要的意义。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种土工离心机模型中连续可调近弧形不均匀沉降机械装置，包括模型箱1，在模型箱1底部设置有高度相等且长度均等于模型箱1内长的左侧钢板平台3、右侧钢板平台4和边缘钢板平台5，其中，边缘钢板平台5位于左侧钢板平台3的左侧或者右侧钢板平台4的右侧，左侧钢板平台3的顶面向右延伸，右侧钢板平台4的顶面向左延伸，两处延伸相隔一定距离以模拟不均匀沉降范围，且与模型箱1底部之间形成一个空腔，在该空腔内安装有一个微型伺服升降电机6，微型伺服升降电机6的上方焊接一个钢板形成移动支撑平台62，在移动支撑平台62下方放置一个实时记录不同时刻位移的激光位移传感器11，在移动支撑平台62上方放置多个长度等于模型箱1内长的钢板条9，分为左侧钢板条组91与右侧钢板条组92，移动支撑平台62上表面与钢板条9下表面无缝紧密接触但不连接，左侧钢丝绳81贯穿连接左侧钢板平台3和左侧钢板条组91，右侧钢丝绳82贯穿连接右侧钢板平台4和右侧钢板条组92，组内相邻钢板条紧密接触，在左侧钢丝绳81和右侧钢丝绳82未受拉力时总体处于水平放置状态，在左侧钢板条组91与右侧钢板条组92共同边界处附近的钢板条9上方放置遮挡薄钢板条10，在模型箱1内位于左侧钢板平台3、右侧钢板平台4、边缘钢板平台5、钢板条9和遮挡薄钢板条10的上方布设土质边坡模型2。初始阶段此钢板条9的上表面与左侧钢板平台3、右侧钢板平台4和边缘钢板平台5上表面都处于同一水平面。

优选地，微型伺服升降电机6的升降轴由梯形螺纹丝杆61构成，移动支撑平台62焊接在梯形螺纹丝杆61的上方。

所述左侧钢板平台3、右侧钢板平台4和边缘钢板平台5均有两只钢板脚，边缘钢板平台5为“n”型结构，左侧钢板平台3的顶面最右侧形成左侧钢板平台倒角31，右侧钢板平台4的顶面最左侧形成右侧钢板平台倒角41，左侧钢板平台倒角31和右侧钢板平台倒角41是提供钢板条9位移的一个约束；在左侧钢板平台3的顶面和右侧钢板平台4的顶面之间形成上窄下阔的用于放置钢板条9的空间，其中钢板条9的最左侧与左侧钢板平台倒角31的边沿接触，最右侧与右侧钢板平台倒角41的边沿接触，钢板条9的厚度等于左侧钢板平台3和右侧钢板平台4的顶面厚度。

所述微型伺服升降电机6通过具有自锁功能的梯形螺纹丝杆61连接移动支撑平台62，所述移动支撑平台62是不均匀变形的其中一个约束，微型伺服升降电机6通过离心机滑环与控制室的PC机连接，通过PC机上的控制软件系统能实时精确调控电机的开始、暂停和升降速率。

在左侧钢板条组91上开有沿宽度方向贯通的左侧钢板条组水平孔，在右侧钢板条组92上开有沿宽度方向贯通的右侧钢板条组水平孔，且左侧钢板条组水平孔和右侧钢板条组水平孔不在同一直线上，在左侧钢板平台3上开有相互贯通的左侧钢板平台水平孔32和左侧钢板平台竖直孔33，在右侧钢板平台4上开有相互贯通的右侧钢板平台水平孔42和右侧钢板平台竖直孔43，左侧钢板平台水平孔32和左侧钢板条组水平孔位于同一直线上且相互贯通，右侧钢板平台水平孔42和右侧钢板条组水平孔位于同一直线上且相互贯通，左侧钢丝绳81穿过左侧钢板平台竖直孔33、左侧钢板平台水平孔32和左侧钢板条组水平孔，两端分别以单孔螺丝锁线器一71和单孔螺丝锁线器二72固定，右侧钢丝绳82穿过右侧钢板平台竖直孔43、右侧钢板平台水平孔42和右侧钢板条组水平孔，两端分别以单孔螺丝锁线器三73和单孔螺丝锁线器四74固定，左侧钢丝绳81和右侧钢丝绳82是不均匀变形的第三个约束。

所述单孔螺丝锁线器二72和单孔螺丝锁线器三73位于左侧钢板条组91与右侧钢板条组92之间的缝隙中，在该缝隙上方设置有遮挡薄钢板条10；所述单孔螺丝锁线器一71位于左侧钢板平台竖直孔33的下方，单孔螺丝锁线器四74位于右侧钢板平台竖直孔43的下方。

沿长度方向，所述左侧钢板条组水平孔和右侧钢板条组水平孔分别有多组，各呈等间距形式分布，相应地，所述左侧钢板平台水平孔32和左侧钢板平台竖直孔33以及右侧钢板平台水平孔42和右侧钢板平台竖直孔43也有多组，每组左侧钢板平台水平孔32与一组左侧钢板条组水平孔在同一直线上贯通，每组右侧钢板平台水平孔42与一组右侧钢板条组水平孔在同一直线上贯通。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)利用薄钢板条整体的刚性和个体的灵活移动特性，并结合细钢丝绳较好的柔软性能，巧妙简单的得到了离心模型试验中近弧形不均匀沉降设备，合理再现了实际不均匀沉降工况。

(2)通过改变倒角的大小、移动支撑平台的位移和薄钢板条的总宽度可模拟不同阶段与不同类型的沉降工况。

(3)通过在PC机输入编制的程序远程控制微型电机，并结合其梯形螺纹丝杆的自锁功能，可在超重力场中实现近弧形的不均匀沉降模式、沉降量和沉降速率的实时精确控制。

(4)“n”型钢板平台可在模型向左右侧交替放置，以模拟边坡下不同位置的沉降工况。

(5)此机械设备装置结构简单明了，成本低，易操作，试验过程时间短，效率高，同时也适用于1g重力下的试验。

附图说明

图1为土工离心机模型中连续可调近弧形不均匀沉降机械装置侧视图。

图2是图1的A-A剖视图。

图3为土工离心机模型中连续可调近弧形不均匀沉降机械装置详细尺寸侧视图。

图4为近弧形不均匀沉降机械装置应用原理图(因简化未将小孔标出)。

图中：1为模型箱，2为土质边坡模型，3为左侧钢板平台，4为右侧钢板平台，5为边缘钢板平台，6为微型伺服升降电机，7为单孔螺丝锁线器，8为钢丝绳，9为钢板条，10为遮挡薄钢板条，11为激光位移传感器；31、32和33分别为左侧钢板平台倒角、左侧钢板平台水平孔和左侧钢板平台竖直孔；41、42和43分别为右侧钢板平台倒角、右侧钢板平台水平孔和右侧钢板平台竖直孔；61为梯形螺纹丝杆，62为移动支撑平台；71、72、73和74为依次安装的单孔螺丝锁线器一、单孔螺丝锁线器二、单孔螺丝锁线器三、单孔螺丝锁线器四；81、82分别为左侧钢丝绳、右侧钢丝绳；91、92为分别左侧薄钢板条组、右侧薄钢板条组；321和331分别为左钢板平台的第一个水平孔和竖直孔；421和431分别为右钢板平台的第一个水平孔和竖直孔；711、721、731和741为每列第一个单孔螺丝锁线器；811、821分别为左、右侧第一条细钢丝绳；9101至9119、9201至9219分别为左右侧单个薄钢板条的编号；9101-1、9102-1、……9119-1和9201-1、9202-1……9219-1分别是左右侧单个薄钢板条上第一个水平孔编号。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。为图面整洁考虑，各主要结构均用线条简化示出。

由图1、图2和图3所示，本发明一种土工离心机模型中连续可调近弧形不均匀沉降机械装置，包括模型箱1，模型箱1可采用铝制长方体箱体结构，在箱内底部放置三个高度相同的左侧钢板平台3、右侧钢板平台4和边缘钢板平台5，其中，每个钢板平台均有两只钢板脚，钢板脚宽度为10mm，高度为200mm，均为A型碳素钢，钢体平台厚度16mm。左侧钢板平台3的顶面向右延伸，右侧钢板平台4的顶面向左延伸，两处延伸相隔一定距离以模拟不均匀沉降范围。边缘钢板平台5为“n”型结构，其可位于左侧钢板平台3之左侧或者右侧钢板平台4之右侧，当位于左侧钢板平台3之左侧时，右侧钢板平台4的右侧与模型箱1的内壁紧靠，当位于右侧钢板平台4之右侧时，左侧钢板平台3的左侧与模型箱1的内壁紧靠。

上述的两处延伸部可在边缘侧沿上顶面削去一定角度，分别形成左侧钢板平台倒角31和右侧钢板平台倒角41，倒角结构是提供钢板条位移(旋转角度)约束之一，可根据沉降最大位移与沉降区范围计算。左侧钢板平台3和右侧钢板平台4的延伸部下方与模型箱1底板上方之间形成一个空腔。在此空腔内安装有一个微型伺服升降电机6，微型伺服升降电机6的上方焊接一个窄钢板形成移动支撑平台62，二者保持运动一致，其中，可利用一个梯形螺纹丝杆61连接移动支撑平台62，不但能实现一定范围内的竖直位移，且具备自锁功能。移动支撑平台62是不均匀变形的另一个约束，其上方至少能承受10kN的重力。

移动支撑平台62的上表面与左侧钢板平台3、右侧钢板平台4的下表面位于同一水平面，移动支撑平台62的宽度应大于不均匀沉降区域的宽度且小于钢板平台3的竖直孔33与钢板平台4竖直孔43的水平距离，以防止移动平台62接触到单孔螺丝锁线器7引起试验误差。在移动支撑平台62下方放置一个实时记录不同时刻位移的激光位移传感器11，量程为30mm，微型伺服升降电机6可通过离心机滑环与控制室的PC机连接，通过PC机上的控制软件系统能实时精确调控微型伺服升降电机6的开始、暂停和升降速率。

移动支撑平台62上方放置了38个宽度为4mm的钢板条9，分为左右两组，每组各19个，分别是左侧钢板条组91和右侧钢板条组92，左侧钢板条组91内由钢板条一9101～钢板条十九9119组成，右侧钢板条组92由钢板条二十9201～钢板条三十八9219组成。移动支撑平台62上表面与两钢板条组的下表面无缝紧密接触，但不连接。左侧钢板条组91和右侧钢板条组92与左侧钢板平台3、右侧钢板平台4的厚度和长度相同，都是16mm，但宽度不同，分别在两钢板条组的横轴方向(即宽度方向)上部(圆心距顶面竖直距离为4mm)打直径2.5mm的水平小孔，即左侧钢板条组水平孔和右侧钢板条组水平孔，左侧钢板条组水平孔和右侧钢板条组水平孔在纵轴方向(即长度方向)刚好错开一定距离，同时，左侧钢板平台3上开有相互贯通的直径2.5mm的左侧钢板平台水平孔32(圆心距顶面竖直距离为4mm，下同)和直径4.0mm的左侧钢板平台竖直孔33(圆心距倒角底端水平距离为12mm，下同)，在右侧钢板平台4上开有相互贯通的直径2.5mm的右侧钢板平台水平孔42和直径4.0mm的右侧钢板平台竖直孔43(竖直孔的直径较大是方便穿钢丝绳时更好的转90度的方向)，左侧钢板平台水平孔32和左侧钢板条组水平孔位于同一直线上且相互贯通，右侧钢板平台水平孔42和右侧钢板条组水平孔位于同一直线上且相互贯通，用直径1.5mm的左侧钢丝绳81穿过左侧钢板平台竖直孔33、左侧钢板平台水平孔32和左侧钢板条组水平孔，两端分别以单孔螺丝锁线器一71和单孔螺丝锁线器二72固定，用直径1.5mm的右侧钢丝绳82穿过右侧钢板平台竖直孔43、右侧钢板平台水平孔42和右侧钢板条组水平孔，两端分别以单孔螺丝锁线器三73和单孔螺丝锁线器四74固定，组内相邻钢板条紧密接触。为增加试验精度，竖直小孔的出口在钢板平台的下表面，防止沉降过程中单孔锁线器7及钢丝绳8对土体有二次扰动影响。

钢丝绳是不均匀变形的第三个约束，其直径为1.5mm，长度124mm，一共9条，沿纵向方向左侧5条，右侧4条，等距安装(左右侧沿纵向错开一定距离，避免锁线器并排，以减小初始小缝隙的空间宽度，这样沉降的轮廓更接近弧形)，每个细钢丝绳安装2个单孔螺丝锁线器以固定钢丝绳的长度，所述单孔螺丝锁线器共9对，长度与宽度都为6mm，螺丝直径为3mm，长度为5mm。

在左侧钢丝绳81和右侧钢丝绳82未受拉力时总体处于水平放置状态，初始阶段此钢板条9的上表面与左侧钢板平台3、右侧钢板平台4和边缘钢板平台5上表面都处于同一水平面，在模型箱1内位于左侧钢板平台3、右侧钢板平台4、边缘钢板平台5和钢板条9的上方布设土质边坡模型即可。

在更可行的方案中，左侧钢板条组水平孔和右侧钢板条组水平孔分别有多组，各呈等间距形式分布，例如，在图1和图2中，钢板条一9101上沿长度方向设置了钢板条一水平孔一9101-1、钢板条一水平孔二9101-2，……，第一行的水平孔即水平孔一则包括了钢板条一水平孔一9101-1～钢板条十九水平孔一9119-1以及钢板条二十水平孔一9201-1～钢板条三十八水平孔一9219-1。第二行的水平孔即水平孔二的分布形式如水平孔一。

相应地，左侧钢板平台水平孔32和左侧钢板平台竖直孔33以及右侧钢板平台水平孔42和右侧钢板平台竖直孔43也有多组，左侧钢板平台3上沿长度方向设置了左侧钢板平台水平孔一321、左侧钢板平台水平孔二322，……，以及左侧钢板平台竖直孔一331、左侧钢板平台竖直孔二332，……，右侧钢板平台4上则沿长度方向设置了右侧钢板平台水平孔一421、右侧钢板平台水平孔二422，……，以及右侧钢板平台竖直孔一431、右侧钢板平台竖直孔二432，……，各依图示与钢板条水平孔在同一直线上连通。

相应地，左侧钢丝绳81和右侧钢丝绳82也有多条，即左侧钢丝绳一811、左侧钢丝绳二812，……，以及右侧钢丝绳一821、右侧钢丝绳二822，……。

相应地，单孔螺丝锁线器一71、单孔螺丝锁线器二72、单孔螺丝锁线器三73和单孔螺丝锁线器四74也有多个，即第一行单孔螺丝锁线器一711、第二行单孔螺丝锁线器一712，……，第一行单孔螺丝锁线器二721、第二行单孔螺丝锁线器二722，……，第一行单孔螺丝锁线器三731、第二行单孔螺丝锁线器三732，……，第一行单孔螺丝锁线器四741、第二行单孔螺丝锁线器四742，…….。

依图示，将左侧钢丝绳81依次穿入左侧钢板平台竖直孔一331、左侧钢板平台水平孔一321和左侧钢板条组小孔(钢板条一水平孔一9101-1～钢板条十九水平孔一9119-1)，将左侧钢板条组91与左侧钢板平台3连接，同样对应的右侧钢板条组92与右侧钢板平台4连接，组内单个钢板条紧密接触。此时左侧钢丝绳81和右侧钢丝绳82总体处于水平放置状态(未受拉力)，在两钢板条组中间留有小缝隙以放置单孔螺丝锁线器二72和单孔螺丝锁线器三73，并在左侧钢板平台竖直孔33和右侧钢板平台竖直孔43出口侧放置单孔螺丝锁线器一71、单孔螺丝锁线器四74固定钢丝绳，单孔螺丝锁线器一71、单孔螺丝锁线器二72固定左侧钢丝绳81，使左侧钢丝绳81长度固定，同上，单孔螺丝锁线器三73、单孔螺丝锁线器四74固定左侧钢丝绳82，使右侧钢丝绳82长度固定，同时在两钢板条组中间小缝隙上方放置宽度为30mm厚度为2mm的遮挡薄钢板条10。

连续可调近弧形不均匀沉降控制设备原理图如图4所示：在制作边坡模型前，微型伺服电机6的梯形螺纹丝杆61位于最大冲程内，其连接的移动支撑平台62支撑左侧钢板条组91和右侧钢板条组92使其与三个钢板平台处于同一水平位置，并运用锁死系统使得梯形螺纹丝杆61位置固定，其中左侧钢丝绳一811与右侧钢丝绳一821穿过小孔(左：至331至321至9101-1至9119-1；右：至431至421至9219-1至9201-1)分别将左侧钢板条组91和右侧钢板条组92与左侧钢板平台3、右侧钢板平台4无缝连接好，在穿过左侧钢板条组91和右侧钢板条组92中间小缝隙区域水平孔9119-1、9201-1及左侧钢板平台3、右侧钢板平台4竖直孔331、431的细钢丝绳811、821末端用单孔螺丝锁线器711、721、731、741固定钢丝绳811、821，使钢丝绳811、821长度固定，此时钢丝绳811、821不受轴向拉力，总体处于水平放置状态，并在左侧钢板条组91和右侧钢板条组92共同边界处放置上述遮挡薄钢板条10，进而形成一个水平的底部平台。接着在底部平台上方建立土坡模型2，并放入到离心机中加载，当模拟重力加速度达到试验要求并稳定若干时间后，通过控制室的PC机远程控制电机6向下缓慢运动。

鉴于离心机中超重力场的作用，同时基于钢丝绳较高的抗拉强度、较好的柔软性能和较薄的钢板条9的灵活移动特征，钢丝绳形成弯曲的弧线，左侧钢板条组91和右侧钢板条组92的薄钢板条随细钢丝绳下降并绕其旋转一定角度，旋转角度的大小与左侧钢板条组91、右侧钢板条组92中的单个钢板条和左侧钢板平台3、右侧钢板平台4的距离成反比，此时左侧钢板条组91、右侧钢板条组92中间部分只有若干钢板条与微型升降移动支撑平台62在竖直方向保持相对静止运动(相互接触，旋转角度接近0度)，进而整体的钢板条9上表面构成近弧形的沉降轮廓(钢板平台倒角31、41提供了钢板条9旋转的有限空间)，由于钢丝绳两端单孔螺丝锁线器的固定作用，钢丝绳长度不变，但在其弯曲过程中，由直变曲，水平方向投影变短，左侧钢板条组91、右侧钢板条组92中间缝隙逐渐增大，通过放在其上方的遮挡薄钢板条10，阻挡了土颗粒的落入，此时形成了总体连续的弧形沉降槽(由于左右组边缘薄钢板条的旋转，与两侧钢板平台并不连续，有小的缝隙，可放置柔软土工布条遮挡，总体上可近似连续)。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，然其并非用以限定本发明。应当指出，对于相关技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进型，这些改进型也应视为本发明的保护范围。