本发明属于城市地下工程防灾减灾和地面沉降地质灾害技术领域，尤其是涉及一种模拟复杂振动环境下高密集区地面长期沉降模型试验装置。
背景技术
近年来，我国高速铁路建设和城市地铁建设迅猛发展，运营里程均具世界第一，特别是长三角地区的上海、杭州、南京和珠三角地区的广州、深圳等特大城市均属于软土地区，而这些城市生产力最发达，经济增长最强劲，人口最密集，密集建筑群分布最多，高速铁路和城市地铁在运营过程中受列车振动荷载引起的地基土振陷、隧道建设期地基土未完成的固结变形、隧道邻近范围的密集建(构)筑物、隧道所处地层水位变化等因素的影响，不可避免地会导致地面长期沉降，引发隧道渗漏水、隧道裂缝及损坏、危及邻近建(构)筑物、桩基和地下管线，对城市生命线工程的安全运营构成重大威胁。现有地面长期沉降模型试验研究，主要针对地铁建设过程中引起的工后短期沉降，没有考虑地铁运营期车辆振动对地面长期沉降的影响，也没有考虑地面城市高密集建筑群的影响，对岩溶地层的地铁运营荷载对地面长期沉降的影响研究较少，特别是考虑高速铁路循环振动荷载和地铁运营车辆循环振动荷载耦合作用对地面长期沉降的相关模型实验研究极少。因此，如何定量化对城市高密集区运营期高铁和地铁耦合振动荷载下诱发的地面长期沉降进行研究，关系到地铁运营安全和高铁运营安全，也关系到城市高密集区人民的生命财产安全，对遏制群死群伤重大事故有重要意义，能为城市工程防灾减灾和防治地面沉降灾害提供理论依据。
中国专利cn104390629b一种确定地铁运营列车动荷载与隧道长期沉降的方法，实现步骤：第一步，确定地铁运营列车轴动荷载；第二步，建立荷载-钢轨-扣件-隧道-地基力学耦合模型，确定单次列车对下方土体的加载大小及加载次数；第三步、建立二维有限元模型，依次进行隧道开挖、列车荷载加载分析步，确定隧道下方土体的初始偏应力和列车荷载引起的动偏应力；第四步、根据上述步骤的结果，确定隧道下方土体累积塑性应变；第五步、确定列车荷载引起的隧道累积沉降量，并绘制隧道沉降曲线。该专利主要是基于二维有限元模型研究地铁运营列车动荷载与隧道长期沉降量，对地层模拟没有考虑岩溶地层的影响，没有涉及利用模型试验开展地面长期沉降研究，也没有考虑高密集建筑群的影响，对高铁和地铁振动荷载诱发的地面长期沉降的研究未涉及。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种模拟复杂振动环境下高密集区地面长期沉降模型试验装置，该装置具有环境模拟逼真度高、实验数据精准、成本低、沉降观测时间长等特点。
本发明的技术方案如下：
一种模拟复杂振动环境下高密集区地面长期沉降模型试验装置，包括：模型箱、地层系统、隧道系统、高铁路基系统、激振系统、传感系统、地面密集建筑群、高速旋转系统、溶洞系统。
地层系统，包括：第一土层、第二土层。
隧道系统，包括：第一隧道、第二隧道。
高铁路基系统，包括：第一高铁路基、第二高铁路基。
激振系统，包括：第一低频激振器、第二低频激振器、第三低频激振器、第四低频激振器、第一高频激振器、第二高频激振器、第三高频激振器、第四高频激振器、激振控制器、一号激振导线、二号激振导线、第一平衡板、第二平衡板、第三平衡板、第四平衡板。
传感系统，包括：第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器、第五传感传器、第六传感器、第七传感器、第八传感器、第九传感器、第十传感器、第十一传感器、第十二传感器、传感控制器、一号传感导线、二号传感导线、三号传感导线、四号传感导线。
地面密集建筑群，包括：一号建筑、二号建筑、三号建筑、四号建筑、五号建筑、六号建筑、七号建筑、八号建筑、高架桥、第一桥墩、第二桥墩、第三桥墩、第四桥墩、第五桥墩、道路、河流。
高速旋转系统，包括：托盘、电磁发动器、脚座、电动控制器、一号输电导线、二号输电导线、承压高速转盘。
溶洞系统，包括：第一溶洞、第二溶洞、砂浆、第一注浆管、第二注浆管、第三注浆管、第四注浆管。
本发明的实现机理为：
首先，在模型箱的内部布设地层系统，在地层系统中布设溶洞系统和隧道系统，并在模型箱的下方布设高速旋转系统；其次，将地面密集建筑群和高铁路基系统布设在地层系统上方，将若干低频激振器布设在隧道系统内，将若干高频激振器布设在高铁路基系统上方；再次，向溶洞系统注入砂浆充填溶洞，然后打开高速旋转系统，带动模型箱高速旋转，加速地层系统的土体沉降；最后，通过激发若干低频激振器以模拟地铁运营振动荷载，通过激发若干高频激振器以模拟高铁行车振动荷载，进而实现地层系统在高速旋转产生离心力的环境下，土体受地面密集建筑群产生的自重荷载以及高铁、地铁等外部振动荷载共同作用下的地面长期沉降精准监测。
模型箱采用双层有机钢化玻璃，作为整个模型的外壳，以防止在激振模拟实验中，受到破坏。
地层系统的第一土层是软土层，第二土层是岩石层，第一土层位于模型箱内部上方，第二土层位于模型箱内部下方，模拟现实环境中的土层。
隧道系统中第一隧道、第二隧道都采用混凝土浇筑而成，第一隧道、第二隧道并排横向布设在第一土层和第二土层交界处，用来模拟双向运营的地铁隧道。
高铁路基系统包括第一高铁路基、第二高铁路基，两条高铁路基采用预应力钢绞线钢板。为有效模拟高铁行车荷载，在第一高铁路基上等间距布设第一平衡板、第三平衡板，在第二高铁路基上等间距布设第二平衡板、第四平衡板，第一高铁路基、第二高铁路基均布设在第一土层上。
激振系统的第一低频激振器、第二低频激振器等间距地布设在第一隧道内部；第三低频激振器、第四低频激振器等间距地布设在第二隧道的内部；第一高频激振器、第三高频激振器等间距地布设在第一高铁路基的上方；第二高频激振器、第四高频激振器等间距地布设在第二高铁路基的上方。其中，通过一号激振导线将第一低频激振器、第二低频激振器、第三低频激振器、第四低频激振器依次连接到激振控制器，通过二号激振导线将第一高频激振器、第三高频激振器、第二高频激振器、第四高频激振器依次连接到激振控制器。第一平衡板、第二平衡板、第三平衡板、第四平衡板分别用来承受第一高频激振器、第二高频激振器、第三高频激振器、第四高频激振器所产生的振动荷载。
传感系统的第一传感器、第二传感器、第三传感器等间距地布设在两条隧道中间的正下方；第四传感器、第五传感传器、第六传感器等间距地布设在两条隧道中间的正上方；第七传感器、第八传感器、第九传感器等间距地布设在地面密集建筑群的正下方；第十传感器、第十一传感器、第十二传感器等间距地布设在第一土层的左上方。第一传感器、第二传感器、第三传感器依次通过一号传感导线与传感控制器连接；第四传感器、第五传感传器、第六传感器依次通过二号传感导线与传感控制器连接；第七传感器、第八传感器、第九传感器依次通过三号传感导线与传感控制器连接；第十传感器、第十一传感器、第十二传感器依次通过四号传感导线与传感控制器连接。
地面密集建筑群中的一号建筑、二号建筑、三号建筑、四号建筑布设在模型箱的上表面的右上角；五号建筑、六号建筑、七号建筑、八号建筑布设在模型箱的上表面的右下角；第一桥墩、第二桥墩、第三桥墩、第四桥墩、第五桥墩依次横向布设在模型箱的上表面中央；道路、河流纵向布设在模型箱的上表面；高架桥镶嵌在第一桥墩、第二桥墩、第三桥墩、第四桥墩、第五桥墩之上。一号建筑、二号建筑、三号建筑、四号建筑、五号建筑、六号建筑、七号建筑、八号建筑、第一桥墩、第二桥墩、第三桥墩、第四桥墩、第五桥墩、高架桥都由混凝土浇筑而成，用来模拟城市高密集区中的大型建筑、高架桥、河流等。
高速旋转系统由电磁发动器固定在脚座上并与承压高速转盘镶嵌连接，将托盘固定在承压高速转盘的上面，电动控制器通过一号输电导线向电磁发动器输送电能，通过一号输电导线、二号输电导线与电磁发动器、电动控制器相连接形成闭合回路使高速旋转系统工作。从而实现通过电动控制器控制电磁发动器带动承压高速转盘和托盘的高速旋转，使模型箱内的若干土层高速旋转产生离心力，使土体产生沉降运动。
溶洞系统中第一注浆管、第三注浆管分别布设在第一隧道的上方和下方，然后第一注浆管、第三注浆管向第一溶洞内浇筑砂浆；第二注浆管、第四注浆管分别布设在第二隧道的上方和下方，然后第二注浆管、第四注浆管向第二溶洞内浇筑砂浆。通过分别向第一溶洞、第二溶洞浇筑砂浆，模拟高铁、地铁等外部振动荷载共同作用下地层加固处理后的抗振稳定性。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
1.本发明装置能全过程模拟密集建筑群区地铁和高铁联合振动引起的地面长期沉降。本发明通过将若干高频激振器布设于高铁路基系统上以模拟高铁运营振动荷载，通过将若干低频激振器布设在隧道系统内以模拟地铁运营振动荷载，当需要全过程模拟密集建筑群区的地面长期沉降时，可通过工况的优化组合，实现高铁运营振动、地铁运营振动、高铁-地铁运营振动等各影响因素作用下的地面长期沉降，解决不能全过程精准监测密集建筑群区的动荷载引起地面长期沉降的难题。
2.本发明装置能精准模拟复杂环境下高速旋转离心力作用下的地面长期沉降。本发明通过电动控制器控制电磁发动器，从而带动承压高速转盘和托盘的高速旋转，实现地层系统在高速旋转产生离心力的环境下，土体受地面密集建筑群产生的自重荷载以及高铁、地铁等外部振动荷载共同作用下的地面长期沉降精准监测。
3.本发明装置能定量化监测运营隧道上下方既有溶洞加固前后对地面长期沉降的影响。本发明通过在运营隧道的上下方布设若干既有溶洞，通过对溶洞加固前后的处理，可实现地铁运营期未加固溶洞、部分加固溶洞、全部加固溶洞等工况下的地面长期沉降量监测，解决溶洞区域地铁运营期地面长期沉降监测数据难以获得的难题，为地铁运营期地面长期沉降灾害的防治提供依据，具有实验成本低、数据可靠的优点。
附图说明
图1为本发明实施例所述模拟复杂振动环境下高密集区地面长期沉降模型试验装置沿第一隧道中轴线切开后的结构正剖面图。
图2为本发明实施例所述模拟复杂振动环境下高密集区地面长期沉降模型试验装置沿第二隧道中轴线切开后的结构后剖面图。
图3为本发明实施例所述模拟复杂振动环境下高密集区地面长期沉降模型试验装置的右剖面图。
图4为本发明实施例所述模拟复杂振动环境下高密集区地面长期沉降模型试验装置的上表面俯视图。
图5为本发明实施例所述模拟复杂振动环境下高密集区地面长期沉降模型试验装置的溶洞结构正剖面图。
图6为本发明实施例所述模拟复杂振动环境下高密集区地面长期沉降模型试验装置的溶洞结构后剖面图。
图7为本发明实施例所述模拟复杂振动环境下高密集区地面长期沉降模型试验装置的溶洞结构右剖面图。
图8为图1沿轴线b-b’切开高速旋转系统后的俯视图示意图。
图9为图5顺时针旋转135°的结构剖面图。
图10为图6顺时针旋转135°的浇筑溶洞结构剖面图。
图11为图1沿轴线a-a’切开后的俯视面剖面图。
其中：1为模型箱、201为第一土层、202为第二土层、301为第一隧道、302为第二隧道、401为第一高铁路基、402为第二高铁路基、501为第一低频激振器、502为第二低频激振器、503为第三低频激振器、504为第四低频激振器、505为第一高频激振器、506为第二高频激振器、507为第三高频激振器、508为第四高频激振器、509为激振控制器、510为一号激振导线、511为二号激振导线、512为第一平衡板、513为第二平衡板、514为第三平衡板、515为第四平衡板、601为第一传感器、602为第二传感器、603为第三传感器、604为第四传感器、605为第五传感传器、606为第六传感器、607为第七传感器、608为第八传感器、609为第九传感器、610为第十传感器、611为第十一传感器、612为第十二传感器、613为传感控制器、614为一号传感导线、615为二号传感导线、616为三号传感导线、617为四号传感导线、701为一号建筑、702为二号建筑、703为三号建筑、704为四号建筑、705为五号建筑、706为六号建筑、707为七号建筑、708为八号建筑、709为高架桥、710为第一桥墩、711为第二桥墩、712为第三桥墩、713为第四桥墩、714为第五桥墩、715为道路、716为河流、801为托盘、802为电磁发动器、803为脚座、804为电动控制器、805为一号输电导线、806为二号输电导线、807为承压高速转盘、901为第一溶洞、902为第二溶洞、903为混凝土、904为第一注浆管、905为第二注浆管、906为第三注浆管、907为第四注浆管。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及其附图对本发明提供的模拟复杂振动环境下高密集区地面长期沉降模型试验装置的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本发明的优点和特征将更加清楚。
需要说明的是，本发明的实施例有较佳的实施性，并非是对本发明任何形式的限定。本发明实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本发明优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本发明实施例所属技术领域的技术人员所理解。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
本发明的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的，并非是限定本发明可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本发明各附图中所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
实施例
如图1～图11所示，一种模拟复杂振动环境下高密集区地面长期沉降模型试验装置，包括：模型箱、地层系统、隧道系统、高铁路基系统、激振系统、传感系统、地面密集建筑群、高速旋转系统、溶洞系统。
地层系统2，包括：第一土层201、第二土层202。
隧道系统3，包括：第一隧道301、第二隧道302。
高铁路基系统，包括：第一高铁路基401、第二高铁路基402。
激振系统，包括：第一低频激振器501、第二低频激振器502、第三低频激振器503、第四低频激振器504、第一高频激振器505、第二高频激振器506、第三高频激振器507、第四高频激振器508、激振控制器509、一号激振导线510、二号激振导线511、第一平衡板512、第二平衡板513、第三平衡板514、第四平衡板515。
传感系统，包括：第一传感器601、第二传感器602、第三传感器603、第四传感器604、第五传感传器605、第六传感器606、第七传感器607、第八传感器608、第九传感器609、第十传感器610、第十一传感器611、第十二传感器612、传感控制器613、一号传感导线614、二号传感导线615、三号传感导线616、四号传感导线617。
地面密集建筑群，包括：一号建筑701、二号建筑702、三号建筑703、四号建筑704、五号建筑705、六号建筑706、七号建筑707、八号建筑708、高架桥709、第一桥墩710、第二桥墩711、第三桥墩712、第四桥墩713、第五桥墩714、道路715、河流716。
高速旋转系统，包括：托盘801、电磁发动器802、脚座803、电动控制器804、一号输电导线805、二号输电导线806、承压高速转盘807。
溶洞系统，包括：第一溶洞901、第二溶洞902、砂浆903、第一注浆管904、第二注浆管905、第三注浆管906、第四注浆管907。
本发明的实现机理为：
首先，在模型箱的内部布设地层系统，在地层系统中布设溶洞系统和隧道系统，并在模型箱的下方布设高速旋转系统；其次，将地面密集建筑群和高铁路基系统布设在地层系统上方，将若干低频激振器布设在隧道系统内，将若干高频激振器布设在高铁路基系统上方；再次，向溶洞系统注入砂浆充填溶洞，然后打开高速旋转系统，带动模型箱高速旋转，加速地层系统的土体沉降；最后，通过激发若干低频激振器以模拟地铁运营振动荷载，通过激发若干高频激振器以模拟高铁行车振动荷载，进而实现地层系统在高速旋转产生离心力的环境下，土体受地面密集建筑群产生的自重荷载以及高铁、地铁等外部振动荷载共同作用下的地面长期沉降精准监测。
模型箱采用双层有机钢化玻璃，作为整个模型的外壳，以防止在激振模拟实验中，受到破坏。
地层系统的第一土层201是软土层，第二土层202是岩石层，第一土层201位于模型箱内部上方，第二土层202位于模型箱内部下方，模拟现实环境中的土层。
隧道系统中第一隧道301、第二隧道302都采用混凝土浇筑而成，第一隧道301、第二隧道302并排横向布设在第一土层201和第二土层202交界处，用来模拟双向运营的地铁隧道。
高铁路基系统包括第一高铁路基401、第二高铁路基402，两条高铁路基采用预应力钢绞线钢板。为有效模拟高铁行车荷载，在第一高铁路基401上等间距布设第一平衡板512、第三平衡板514，在第二高铁路基402上等间距布设第二平衡板513、第四平衡板515，第一高铁路基401、第二高铁路基402均布设在第一土层201上。
激振系统的第一低频激振器501、第二低频激振器502等间距地布设在第一隧道301内部；第三低频激振器503、第四低频激振器504等间距地布设在第二隧道302的内部；第一高频激振器505、第三高频激振器507等间距地布设在第一高铁路基401的上方；第二高频激振器506、第四高频激振器508等间距地布设在第二高铁路基的上方。其中，通过一号激振导线510将第一低频激振器501、第二低频激振器502、第三低频激振器503、第四低频激振器504依次连接到激振控制器509，通过二号激振导线511将第一高频激振器505、第三高频激振器507、第二高频激振器506、第四高频激振器508依次连接到激振控制器509。第一平衡板512、第二平衡板513、第三平衡板514、第四平衡板515分别用来承受第一高频激振器505、第二高频激振器506、第三高频激振器507、第四高频激振器508所产生的振动荷载。
传感系统的第一传感器601、第二传感器602、第三传感器603等间距地布设在两条隧道中间的正下方；第四传感器604、第五传感传器605、第六传感器606等间距地布设在两条隧道中间的正上方；第七传感器607、第八传感器608、第九传感器609等间距地布设在地面密集建筑群的正下方；第十传感器610、第十一传感器611、第十二传感器612等间距地布设在第一土层201的左上方。第一传感器601、第二传感器602、第三传感器603依次通过一号传感导线614与传感控制器613连接；第四传感器604、第五传感传器605、第六传感器606依次通过二号传感导线615与传感控制器613连接；第七传感器607、第八传感器608、第九传感器609依次通过三号传感导线616与传感控制器613连接；第十传感器610、第十一传感器611、第十二传感器612依次通过四号传感导线617与传感控制器613连接，以监测地面长期沉降情况。
地面密集建筑群中的一号建筑701、二号建筑702、三号建筑703、四号建筑704布设在模型箱的上表面的右上角；五号建筑705、六号建筑706、七号建筑707、八号建筑708布设在模型箱的上表面的右下角；第一桥墩710、第二桥墩711、第三桥墩712、第四桥墩713、第五桥墩714依次横向布设在模型箱的上表面中央；道路715、河流716纵向布设在模型箱的上表面；高架桥709镶嵌在第一桥墩710、第二桥墩711、第三桥墩712、第四桥墩713、第五桥墩714之上。一号建筑701、二号建筑702、三号建筑703、四号建筑704、五号建筑705、六号建筑706、七号建筑707、八号建筑708、第一桥墩710、第二桥墩711、第三桥墩712、第四桥墩713、第五桥墩714、高架桥709都由混凝土浇筑而成，用来模拟城市高密集区中的大型建筑、高架桥、河流等。
高速旋转系统由电磁发动器802固定在脚座803上并与承压高速转盘807镶嵌连接，将托盘801固定在承压高速转盘807的上面，电动控制器804通过一号输电导线805向电磁发动器802输送电能，通过一号输电导线805、二号输电导线806与电磁发动器802、电动控制器804相连接形成闭合回路使高速旋转系统工作。从而实现通过电动控制器804控制电磁发动器802带动承压高速转盘807和托盘801的高速旋转，使模型箱内的若干土层高速旋转产生离心力，使土体产生沉降运动。
溶洞系统中第一注浆管904、第三注浆管906分别布设在第一隧道301的上方和下方，然后第一注浆管904、第三注浆管906向第一溶洞901内浇筑砂浆903；第二注浆管905、第四注浆管907分别布设在第二隧道302的上方和下方，然后第二注浆管905、第四注浆管907向第二溶洞902内浇筑砂浆903。通过分别向第一溶洞901、第二溶洞902浇筑砂浆903，模拟高铁、地铁等外部振动荷载共同作用下地层加固处理后的抗振稳定性。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。