一种深层饱和土层中振动传播的检测装置及方法与流程

1.本发明提出一种深层饱和土层中振动传播的检测装置及方法，属于岩土工程和隧道工程的术领域。


背景技术：

2.城市地下轨道交通在给人们带来便利的同时，也会产生振动，并传递给地下建筑、或者建筑地基等，对临近建筑的安全造成一定的隐患。目前现有的轨道交通振动检测主要包括振源检测、主体结构振动检测和地表地面振动检测。对轨道交通振动在地下土体中的传播检测涉及较少，尤其缺少振动在地下饱和土中传播的检测，主要是地下饱和土体含水率较高、土质较软，这种特殊性使得常规振动检测装备无法获得土体振动情况。因此，为了能够监测地下轨道交通运转过程中振动波在地下的传播影响，有必要研究一种能够在高含水率、土质较软环境下进行振动强度检测的装置和方法。
3.文献《公路交通引起的地下深层土体振动实测及其衰减分析》中深孔振动测试，深孔振动测试由整栋传感器接受速度信号，经放大器放大和积分计算后，送采集仪采集，有计算机进行储存及数据处理利用传统振动传感器。该方法需要利用钻机钻至待测深度，然后通过连接杆将深孔振动传感器放置在孔底，并通过刚性杆调整传感器方向，使其与地面传感器方向一致，最后，回收刚性连接杆。该深孔振动传感器测试的是土体振动，需要土体强度较高，对饱和软土中的测试准确度较差；在测试过程中，深孔振动传感器需要与地面传感器方向保持一致，但是在振动过程中，传感器容易发生变位。
4.文献《一种深层土体振动测试装置及其测试方法与流程》中，该方法通过辅助装置将振动传感器定点埋入固定深度的土体之中，利用级配砂填实，最大程度地模拟原始未扰动土体，测量深层土体振动响应。该装置实则是一种导向装置，在振动测量方面并无创新，是通过导向绳将传感器安置在预定位置，其传感器测量方向受地质条件影响，易发生传感器移位现象。


技术实现要素：

5.针对现有测量技术无法对深层饱和土层中振动的传播进行测量这一技术难题，本发明提出的是一种一种深层饱和土层中振动传播的检测装置及方法，用于用于检测城市地下轨道交通振动在深层饱和土层中传播，通过在轨道交通振动传播路径上设置多个测点，根据振动引起的孔隙水压力变化导致的电流值变化规律来确定测点处振动强度的大小，使得技术人员能够更加直观、简便地了解振动传播范围及振动削弱规律。
6.为了实现本发明的目的，本发明提供了一种用于检测城市地下轨道交通振动在深层饱和土层中传播的装置，包括压力室、滑动电阻器系统及电流测量系统；
7.所述压力室由压力仓、带孔盖板、刚性透水石、橡胶膜组成；所述压力仓为上部开口的中空圆桶形且其底部带有可密封的导线孔，所述带孔盖板及橡胶膜为与压力仓开口相匹配的倒圆桶形，所述刚性透水石为圆柱体；
8.所述带孔盖板安装于压力仓开口处，刚性透水石和橡胶膜依次置于带孔盖板和压力仓之间；压力仓外径和高度比在5-10之间，压力仓外径小于带孔盖板内径，可使带孔盖板旋拧在压力仓上；所述带孔盖板板面均匀分布多个贯通细小孔洞，孔洞渗透系数大于土层渗透系数和刚性透水石渗透系数；所述刚性透水石直径与压力仓外径相同，其渗透系数大于土层渗透系数；所述橡胶膜形状为圆桶形，内径与压力仓外径相同，可套在压力仓开口处；
9.所述滑动变阻器系统安装于压力室内部，即压力仓内腔中；
10.所述滑动变阻器系统由传力轴、金属滑块、金属片、电阻丝、负极连接头、正极连接头、导轨支撑a、导轨支撑b、绝缘体、金属导轨及螺栓组成；
11.所述绝缘体两端分别设有导轨支撑a、导轨支撑b，该绝缘体一侧通过导轨支撑b下端与压力仓通过螺栓连接；所述电阻丝缠绕于绝缘体表面，电阻丝一端与负极连接头连接，负极连接头与导轨支撑b位于同一侧，另一端做绝缘处理；
12.所述金属导轨穿过金属滑块底部与其活动连接，金属导轨左右两端分别与导轨支撑b、导轨支撑a的上端固定连接，且所述正极连接头通过导轨支撑a的上端与金属导轨连接；
13.所述传力轴一端与金属滑块固定连接，另一端通过胶水与橡胶膜中心点连接，金属滑块前后两侧各设有一个金属片，橡胶膜变形带动传力轴位移，进而通过传动轴推动金属片沿着金属导轨运动，所述金属片与电阻丝接触，橡胶膜变形量不超过金属片的最大行程范围；
14.所述电流测量系统由电源、电流表、保护电阻及若干导线组成；
15.所述电源正极通过导线与电流表正极相连，电流表负极通过导线与保护电阻相连；所述保护电阻通过导线穿过导线孔与正极连接头连接，所述电源负极通过导线穿过导线孔与负极连接头连接。
16.本发明还提供了一种采用上述装置的检测方法，具体步骤如下：
17.(1)安装滑动变阻器系统于压力仓，将导线分别与负极连接头、正极连接头连接，然后将导线与电流测量系统连接，导线长度根据压力室埋深实际情况设定，导线连接完毕后将压力仓导线孔密封；
18.(2)将金属滑块移至绝缘体正极连接头端，将橡胶膜盖在压力仓上，确保传力轴与橡胶膜及金属滑块连接牢固，此时有效电阻长度为l0；
19.(3)将刚性透水石和带孔盖板依次置于橡胶膜上，要求外部液体仅能透过带孔盖板上孔洞和刚性透水石，不能渗透入压力室内部；
20.(4)将安装有滑动变阻器系统的压力室放置于所需检测的位置，饱和土层中孔隙水压力透过带孔盖板上孔洞和刚性透水石作用于橡胶膜上，橡胶膜上由于压力作用向压力仓内部变形，传力轴将橡胶膜的应力和应变传力给金属滑块，使得金属滑块带动金属片沿着金属导轨运动，当橡胶膜张力和孔隙水压力平衡时，滑块停止运动，有效电阻长度变为l1，此时电流为一定值；
21.(5)当城市地下轨道交通运行时，列车产生的振动在周边土体中传播，当传播到检测点时，根据土力学知识，振动会引起的土体弹性变形，使得土中孔隙水压力增大，因此，压力室外部压力会增大，破坏平衡状态，此时，橡胶膜在孔隙水压力的作用下会继续产生变
形，促使金属滑块带动金属片沿着金属导轨向着导轨支撑b端位移，电阻有效长度由l1变为l2，电阻值减小，电流值变大；当振动消失，土体弹性变形恢复，孔隙水压力消散，橡胶膜回复平衡状态，电流值则变为初始状态；
22.(6)可根据实际情况设置多个测点，用于测量振动传播范围及振动削弱规律。
23.本发明的有益效果：
24.(1)本装置只需埋置于深层饱和土体中，无需考虑传统振动测量中的方向问题；
25.(2)本装置可实现滑动变阻器系统电阻随孔隙水压力变化而变化，通过观察电流的变化即可了解振动传播的影响范围。
26.(3)采用本发明方法可通过电流值的变化反应孔隙水压力的变化规律，从而反应振动的传播情况。
附图说明
27.图1为本发明所述装置示意图。
28.图2为本发明所述滑动电阻器结构示意图。
29.图3为本发明所述装置现场示意图。
30.图4为本发明所述橡胶膜初始平衡状态图。
31.图5为本发明所述橡胶膜振动检测工况下的变形图。
32.图6为本发明所述压力室底部俯视图。
33.图1～5中各标注为：1压力仓，2带孔盖板，3刚性透水石，4橡胶膜，5胶水，6传力轴，7金属滑块，8金属片，9电阻丝，10负极连接头，11正极连接头，12导轨支撑a，13导轨支撑b，14螺栓，15绝缘体，16金属导轨，17、19、21、23、30导线，18电源，20电流表，22保护电阻，24导线孔，25列车，26铁轨，27隧道管片，28土层，29安装有滑动变阻器系统的压力室，31地面电流测量系统。
具体实施方式
34.下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
35.如图1所示，一种深层饱和土层中振动传播的检测装置，包括压力室、滑动电阻器系统及电流测量系统；
36.所述压力室由压力仓1、带孔盖板2、刚性透水石3、橡胶膜4组成；所述压力仓1为上部开口的中空圆桶形且其底部带有可密封的导线孔24，所述带孔盖板2及橡胶膜4为与压力仓开口相匹配的倒圆桶形，所述刚性透水石3为圆柱体；
37.所述带孔盖板2安装于压力仓1开口处，刚性透水石2和橡胶膜4依次置于带孔盖板2和压力仓1之间；压力仓1外径和高度比在5-10之间，压力仓外径小于带孔盖板内径，可使带孔盖板旋拧在压力仓上；所述带孔盖板2板面均匀分布多个贯通细小孔洞，孔洞渗透系数大于土层渗透系数和刚性透水石渗透系数；所述刚性透水石3直径与压力仓外径相同，其渗透系数大于土层渗透系数；所述橡胶膜4形状为圆桶形，内径与压力仓外径相同，可套在压力仓开口处；
38.所述滑动变阻器系统安装于压力室内部，即压力仓1内腔中；
39.所述滑动变阻器系统由传力轴6、金属滑块7、金属片8、电阻丝9、负极连接头10、正
极连接头11、导轨支撑a12、导轨支撑b13、绝缘体15、金属导轨16及螺栓14组成；
40.所述绝缘体15两端分别设有导轨支撑a12、导轨支撑b13，该绝缘体15一侧通过导轨支撑b13下端与压力仓1通过螺栓14连接；所述电阻丝9缠绕于绝缘体15表面，电阻丝9一端与负极连接头10连接，负极连接头10与导轨支撑b13位于同一侧，另一端做绝缘处理；
41.所述金属导轨16穿过金属滑块7底部与其活动连接，金属导轨16左右两端分别与导轨支撑b13、导轨支撑a12的上端固定连接，且所述正极连接头11通过导轨支撑a12的上端与金属导轨16连接；
42.所述传力轴6一端与金属滑块7固定连接，另一端通过胶水与橡胶膜4中心点连接，金属滑块7前后两侧各设有一个金属片8，橡胶膜变形带动传力轴位移，进而通过传动轴推动金属片沿着金属导轨运动，所述金属片与电阻丝接触，橡胶膜变形量不超过金属片的最大行程范围；
43.所述电流测量系统由电源18、电流表20、保护电阻22及若干导线组成；
44.所述电源正极通过导线19与电流表20正极相连，电流表20负极通过导线21与保护电阻22相连；所述保护电阻22通过导线23穿过导线孔24与正极连接头11连接，所述电源18负极通过导线17穿过导线孔24与负极连接头10连接。
45.一种深层饱和土层中振动传播的检测方法，如图1所示，其操作步骤如下：
46.(1)安装滑动变阻器系统于压力仓，将导线与负极连接头连接，导线与正极连接头连接，然后将导线和导线与电流测量系统连接，导线长度根据压力室埋深实际情况设定，导线连接完毕后将密封孔密封；
47.(2)将金属滑块移至绝缘体前端，将橡胶膜盖在压力仓上，确保传力轴与橡胶膜及金属滑块连接牢固，此时有效电阻长度为l0；
48.(3)将刚性透水石和带孔盖板盖在压力仓上，要求外部液体仅能透过带孔盖板上孔洞和刚性透水石，不能渗透入压力室内部；
49.(4)将多个安装有滑动变阻器系统的压力室放置于所需检测的位置，如图3，饱和土层中孔隙水压力透过带孔盖板上孔洞和刚性透水石作用于橡胶膜上，橡胶膜上由于压力作用向压力仓内部变形，传力轴将橡胶膜的应力和应变传力给金属滑块，使得金属滑块带动金属片沿着金属导轨运动，当橡皮膜张力和孔隙水压力平衡时，滑块停止运动，有效电阻长度变为l1，此时，电流为一定值，如图4所示；
50.(5)根据土力学知识可知，振动能够引起饱和土体弹性变形，从而对土体中的孔隙水进行挤压流动，导致孔隙水压力随振动波强度的大小而发生变化，因此，当城市地下轨道交通运行时，列车产生的振动在周边土体中传播，当传播到检测点时，压力室外部压力会增大，破坏平衡状态，此时，橡皮膜在孔隙水压力的作用下会继续产生变形，促使金属滑块带动金属片向着金属导轨尾端位移，电阻有效长度由l1变为l2，如图5所示，此时，电阻值减小，电流值变大。当振动消失，土体弹性变形恢复，孔隙水压力消散，橡胶膜回复平衡状态，电流值则变为初始状态；
51.(6)可根据实际情况设置多个测点，用于测量振动传播范围及振动削弱规律。