一种可用于研究近场高铁地震信号的试验系统及方法

摘要

本发明提供了一种可用于研究近场高铁地震信号的试验系统及方法，包括：可拆卸模型箱、桥墩‑地基耦合子系统、土层排水固结子系统、发振子系统和信号采集子系统，试验方法包括：设计试验方案、制作耦合模型、土层排水固结、仪器布设、发振及信号采集，与现有技术相比，本发明系统及方法可以模拟高铁地基的排水固结和震源的移动特性，体现高铁地震信号的干涉现象，通过对模型尺度与工程尺度建立合理映射，使模型中桥墩和地基接近实际情况，对于研究近场高铁地震信号传播和衰减规律具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高铁地震信号的试验系统及方法，特别是指一种可用于研究近场高铁地震信号的试验系统及方法。

背景技术

高铁作为一种可重复性人工震源，在运营期间高铁行驶产生的震动对路基、桥梁以及周边建筑物均有影响，高铁地震波对桥梁、地基等结构的破坏作用是不可忽视的，尤其是在一些裂隙发育的岩层中，地震波会引起岩石裂隙的开展，长期重复地震波作用下的高铁地基可能会产生沉降，影响高铁运营的安全

常规的近场高铁地震信号的研究大多依靠于现场试验，耗费巨大，操作系统复杂，由于实际高铁近场范围较大且地质条件复杂多变，无法准确归纳高铁地震信号传播和衰减规律，尤其在理论上缺乏完善的传播和破坏机理，而传统的模型试验通过静态荷载叠加动态扰动只能近似模拟结构体振动响应特征，无法模拟震源的移动性和地震信号的干涉现象。

发明内容

为了克服上述现有试验技术的不足，本发明提供了一种可用于研究近场高铁地震信号的试验系统及方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种可用于研究近场高铁地震信号的试验系统及方法，包括：

可拆卸模型箱，由刚性底座支撑，用于装载桥墩-地基耦合模型；

桥墩-地基耦合模型，上层为土层、下层为岩层，用于模拟高铁近场环境；

土层排水固结子系统，通过加载钢板对土层施加荷载使土层排水固结，自由水通过排水孔排出，用于模拟高铁地基的加固；

发振子系统，通过主机、控制器、电机开关和变频振动电机产生振动，用于模拟作为震源的移动高铁通过桥墩顶部；

信号采集子系统，通过宽频检波器、转换器、数据集线器和主机接收并储存近场高铁地震信号。

所述的试验方法包括以下步骤：

步骤一：设计试验方案，

在模型尺度和工程尺度之间建立合理的映射关系，根据实际高铁参数和桥墩间距确定模型桥墩的间距、底面深度和顶面高度，设计模拟的高铁列车时速，确定每个振动电机的发振时间间隔，设计桥墩-地基耦合模型的尺寸。

步骤二：制作耦合模型，

在混凝土养护环境布置刚性底座和可拆卸模型箱底板，拼装可拆卸模型箱围板并利用长杆螺丝固定，在可拆卸模型箱内布置地基，先布置下层岩层，待岩层凝固，强度达到设计强度的75％，布置上层土层，利用PVC圆筒内浇筑混凝土制作桥墩，PVC圆筒底面和顶面的位置根据设计的试验方案确定。

步骤三：土层排水固结，

在土层上表面放置加载钢板，使土层压密实，自由水通过排水孔排出。

步骤四：仪器布设，

拆除可拆卸模型箱的围板，在桥墩-地基耦合模型的岩层和土层中布设宽频检波器。

步骤五：发振及信号采集，

通过主机使控制器控制电机开关，使桥墩顶部的变频振动电机依次开始运行，每个变频振动电机的起始运行时间及间隔视模拟的高铁列车速度而定，最后通过信号采集子系统接收并储存近场高铁地震信号。

所述的可拆卸模型箱侧面设有凸起、凹槽和螺孔，用于可拆卸模型箱的拼装和固定。

所述的宽频检波器在岩层的布设在岩层未完全凝固，强度达到设计强度的75％时进行，所述的宽频检波器在土层的布设待土层排水固结后进行。

所述的加载钢板厚度范围在10-30mm，重量范围在157-471KG，使排水固结后土层具有足够的密实度。

所述的刚性底座为长方环形，高度范围在30-80mm，中部留空，以便减少地震波反射对地震信号接收的影响。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明可以模拟高铁地基的排水固结和震源的移动特性，。

2、本发明通过对模型尺度与工程尺度建立合理映射，使模型中桥墩和地基接近实际情况，对于研究近场高铁地震信号传播和衰减规律具有重要意义。

3、本发明可以体现出高铁地震信号的干涉现象，对高铁地震波干涉研究具有有益的条件。

4、本发明可拆卸模型箱安装和拆卸方便，可利用模型箱先制作岩层并布置岩层的宽频检波器，再制作土层。

附图说明

图1为本发明近场高铁地震信号的试验系统示意图；

图2为本发明带有刚性底座的可拆卸模型箱示意图；

图3为本发明宽频检波器布设参考示意图；

图中：1-主机；2-控制器；3-电机开关；4-变频振动电机；5-转换器；6-数据集线器；7-宽频检波器；8-可拆卸模型箱；9-刚性底座；10-排水孔；11-加载钢板；12-混凝土桥墩；13-土层；14-岩层；15-固定插头；16-长杆螺丝。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“中”、“底”、“顶”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

在以下的描述中，将描述本发明的多个不同的方面，然而，对于本领域内的普通技术人员而言，可以仅仅利用本发明的一些或者全部结构或者流程来实施本发明。为了解释的明确性而言，阐述了特定的数目、配置和顺序，但是很明显，在没有这些特定细节的情况下也可以实施本发明。在其他情况下，为了不混淆本发明，对于一些众所周知的特征将不再进行详细阐述。

参见图1-3，根据实际高铁参数和桥墩间距确定模型桥墩的间距500mm，其中两端的混凝土桥墩(12)距模型外沿250mm，混凝土桥墩(12)的底面深度为600mm，混凝土桥墩(12)的顶面高度为150mm，设计高铁列车时速为300km/h，每个变频振动电机(4)的发振时间间隔为0.6s，设计桥墩-地基耦合模型的尺寸为2000mm(长)×1000mm(宽)×1000mm(高)，其中土层(13)厚度200mm，岩层(14)厚度800mm。制作耦合模型，在混凝土养护环境布置长方环形、高度为50mm，中部留空的刚性底座(9)和50mm厚的可拆卸模型箱(8)底板，拼装可拆卸模型箱(8)围板，可拆卸模型箱(8)侧面设有凸起、凹槽和螺孔，利用长杆螺丝(16)固定，在可拆卸模型箱(8)内布置地基，先布置下层岩层(14)，待岩层(14)凝固，强度达到设计强度的75％，布置上层土层(13)，利用PVC圆筒内浇筑混凝土制作混凝土桥墩(12)，PVC圆筒底面深度为600mm，顶面高度为150mm。土层(13)排水固结，在土层(13)上表面放置加载钢板(11)，加载钢板(11)厚为10mm，重量为150KG，使土层(13)压密实，自由水通过排水孔(10)排出。仪器布设，拆除可拆卸模型箱(8)的围板，岩层(14)强度达到设计强度的75％时在桥墩-地基耦合模型的岩层(14)布设宽频检波器(7)，土层(13)排水固结后在桥墩-地基耦合模型的土层(13)布设宽频检波器。发振及信号采集，通过主机(1)使控制器(2)控制电机开关(3)，使混凝土桥墩(12)顶部的变频振动电机(4)间隔0.6s依次开始运行，同时依次通过信号采集子系统中的宽频检波器(7)、数据集线器(6)、转换器(5)、主机(1)接收并储存近场高铁地震信号。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有多种替换和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围之内。