[发明专利]土工离心模型中连续可调梯形或锥形不均匀沉降控制设备

说明书

一种土工离心模型中连续可调梯形或锥形不均匀沉降控制设备，其组成为：在模型箱底部设置有高度相等且长度均等于箱内长的左、右侧钢板平台和边缘钢板平台，左、右侧钢板平台的顶面向内延伸并形成倒角，两处延伸相隔一定距离以模拟不均匀沉降区域，且与模型箱底部之间形成一个空腔，在空腔内安装微型伺服升降电机，微型伺服升降电机的上方焊接移动支撑平台，其上方放置多个长度等于模型箱内长的钢板条，左侧钢板条组最左侧钢板条的左侧边和右侧钢板条组最右侧钢板条的右侧边均形成倒角，最左侧钢板条与左侧钢板平台、最右侧钢板条与右侧钢板平台以及每个钢板条组内相邻的钢板条都处在同一水平面上且之间均以小型合页无缝连接。

技术领域

本发明涉及模拟深层地基不均匀沉降的机械装置，特别涉及一种土工离心模型中连续可调梯形或锥形不均匀沉降控制设备。

背景技术

煤炭、石油等化石燃料长时间高强度开采、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，这些差异变形区逐渐向上方岩土层传递，最终引起地裂缝、地表沉降和地面塌陷等地质灾害，而当地表为一定倾角的边坡时，变形破坏相对更加剧烈，常常表现为坡面台阶状沉陷、坡体崩塌和滑坡等现象，对附近建筑物的正常使用和居民生命安全构成严重威胁，给社会生产生活造成巨大损失。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覆盖层的传递规律和引起的地表变形破坏机制，对于地下不均匀空区引起的地表灾害进行针对性控制与治理，具有重要的学术意义和工程应用价值。

土工离心模型试验具有再现原型应力的优点，是土力学与岩土工程等相关领域研究中不可或缺的试验手段。在高速旋转的超重力场中模拟连续精细的不均匀沉降区域的开挖，难度较大，大量国内外学者对于离心机中不均匀沉降设备的研制进行了卓有成效的研究，但这些设备还值得进一步完善与改进。陈虎等研制的土工离心机试验模型弯沉式沉降控制设备(CN202275020U)两倾斜板中间对接位置、倾斜板与固定端搭接位置随着沉降位移的增加都会出现缝隙(缝隙宽度与沉降位移成正比，未给出最大竖直位移，不能计算其最大宽度值)；Stone[Stone K J L.Modelling of rupture development in soils[D].University of Cambridge,1988]、Viswanadham et al[Viswanadham B V S,D.Centrifuge modeling of geotextile-reinforced slopes subjected todifferential settlements[J].Geotextiles and Geomembranes,2009,27(2):77-88；Viswanadham B V S,Rajesh S,Bouazza A.Effect of Differential Settlements onthe Sealing Efficiency of GCLs compared to CCLs:Centrifuge Study[J].Geotechnical Engineering Journal of the SEAGSAGSSEA,2012,43(3):55-61；DivyaP V,Viswanadham B V S,Gourc JP.Centrifuge Modeling and Digital Image Cross-Correlation Analysis of Geofiber-Reinforced Clay-Based Landfill Covers[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2016,143(1):04016076.]虽在倾斜板与固定端安装了定做的转轴来实现连续的沉降，但在离心模型中十几毫米厚的钢板间安装定制的转轴成本高，工序较复杂，也容易在钢板间边界形成大的缝隙，而且他们也没有解决水平底板与倾斜板的缝隙问题：Stone 100g离心试验中最大缝隙宽度为7.08mm，对应原型708mm，Viswanadham et al 40g试验中最大缝隙宽度5.26mm，对应原型210mm。对于小比例的离心模型试验上述数据是不能忽略的，出现缝隙的原因是倾斜板是由水平位置逐渐倾斜的，此过程中倾斜板水平投影变短，在没有补偿的情况下，倾斜板与水平板之间的缝隙越来越大，随着沉降位移的增加，土颗粒落入逐渐增大的缝隙中(即使放置土工布来遮挡，也有一部分落入)，这样增加不可控变形的额外因素，易对我们探究的变形破坏规律有较大影响。