CN104406755B - 一种层状振动剪切土箱试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种层状振动剪切土箱试验装置，包括剪切土箱、振动装置和驱动装置。剪切土箱包括框架层，框架层间纵向由可锁紧和松开的滑块与直线导轨连接，横向由回弹板簧和半球柱铰连接，框架层置于振动装置的底板上，剪切土箱内部布置褶皱式橡胶膜，褶皱插入框架层间及与底板的间隙内；振动装置的底板分别通过板簧，及弹簧支撑在底梁上，底板另有安装透水石的底板孔，底梁固定在实验室地面上；驱动装置包括设在工字型钢梁端面的电动伺服作动器和与之连接的力传感器，前者由连接板安装在反力墙上。本装置可模拟地震时剪切波在有限厚度土层的传播过程，层状振动剪切土箱克服了一般振动台基底剪切力的局限性，具有构造简单、造价经济、安装和应用方便的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种土木工程试验用的层状剪切试验装置，特别是一种层状振动剪切土箱试验装置。
背景技术
进一步在地震震动作用下的无限域土壤场地的放大效应、土体动态特性和土与结构物相互作用研究，在岩土地震工程学方面有重大意义。为研究土壤特性，比如应力-应变关系和液化，在实验室中常使用三轴压缩仪、单剪装置和规律或不规律动荷载下扭转剪切试验对少量土样进行试验研究。在这些类型试验中，土壤基础中的应力和变形受边界条件的影响显著。另外由于试验加载装置和试样尺寸的局限性，致使试验中荷载情况与现场情况存在差异。
层状剪切箱试验一定程度上克服了上述试验的缺点，如可提供受控的试验环境、消除边界效应，另外可以较为经济地实现相关研究。通常，层状剪切箱是一个可置于振动台上的柔性容器，在模拟地震作用下可以层状剪切变形，可用于模拟地震时剪切波在有限厚度的土层的传播过程。
以往研究使用的装置存在的不足之处在于：（1）层状剪切箱不能很好地模拟震动情况下土体的反应特性；（2）为适应振动台基地剪力能力，致使剪切箱尺寸太小；（3）剪切箱的框架层与层之间的层间隙过大，不能很好模拟震动下土体的单剪试验；（4）剪切箱的震动试验必须依靠振动台，试验受限于振动台震动能力且试验成本太高。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种层状振动剪切土箱试验装置，能够很好地模拟震动情况下土体的反应特性。
本发明所采用的技术方案是：
该层状振动剪切土箱试验装置，包括剪切土箱和支撑所述剪切土箱的振动装置，以及带动所述振动装置的驱动装置。
所述剪切土箱包括含有若干框架层的剪切土箱，所述框架层之间纵向由若干可锁紧和松开的滑块与直线导轨套件连接，保证既能进行低摩阻力灵活滑动，又可减少连接间隙，所述框架层之间横向由若干回弹板簧和半球柱铰组件连接，该剪切土箱底部置于底板上，剪切土箱内部布置有褶皱式橡胶膜，所述褶皱式橡胶膜的褶皱插入所述框架层之间以及框架层与所述底板的间隙内。
所述驱动装置的底板分别通过板簧，以及通过弹簧支撑在底梁上，底板上设有安装透水石的底板孔；所述底梁通过地锚拉杆固定在实验室地面上。
所述驱动装置包括设置在所述振动装置的工字型钢梁端面设置有电动伺服作动器和通过连接板连接的力传感器，所述电动伺服作动器通过电磁隔离垫与所述力传感器连接，所述电动伺服作动器通过作动器连接板安装在实验室反力墙上。
本发明的有益效果是：本发明剪切土箱的框架层统一模块化设计，可根据实验要求增加或减少层数，调整箱体高度；框架层与框架层之间内置导轨、滑块连接，保证既能进行低摩阻力灵活滑动，又可减少连接间隙，滑块可锁紧或松开；框架层与框架层横侧面由回复板簧和半球柱铰连接，既能减小框架层剪切位移时的阻力，又可提供框架层的回复力；剪切土箱内部设置褶皱式橡胶膜，框架层间由褶皱式橡胶膜的褶皱填充，从而使框架层连接位置均布置有延展性的密封材料，既能保证剪切箱装置的密封性，又能减少橡胶膜对框架层剪切位移运动的限制；底板孔布置有透水石，以便在试验中采取饱和或排水措施，可很好地对不同饱和度土样进行振动试验；通过安装在反力墙上的电动伺服作动器对剪切土箱装置框架层主体施加不同类型的水平力，可实现闭环控制，自动连续调节,能模拟不同类型水平震动下土体的剪切试验。
本发明可模拟地震时剪切波在有限厚度的土层的传播过程，不仅能够解决剪切箱振动试验必须依附振动台进行试验的局限性，并能最大限度的模拟土体的单剪试验过程，克服一般振动台的基底剪切力的局限，本装置稳定可靠，具有构造简单、造价经济、安装和应用方便的特点。
附图说明
图1为本发明的结构原理示意图；
图2为图1的左视图；
图3为框架层俯视图；
图4为框架层间导轨与滑块连接局部视图；
图5为底板的俯视图。
图中：1、框架层，2、褶皱式橡胶膜，3、滑块，4、直线导轨，5、回弹板簧，6、半球柱铰，7、底板，8、方钢，9、工字型钢梁，10、板簧，11、底梁，12、弹簧，13、地锚拉杆，14、螺栓，15、底板孔，16、注水阀，17、角钢，18、连接板，19、力传感器，20、电磁隔离垫，21、电动伺服作动器，22、作动器连接板，23、反力墙。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施做进一步的详细描述：
如图1、图2所示，该层状振动剪切土箱试验装置包括剪切土箱和支撑所述剪切土箱的振动装置，以及带动所述振动装置的驱动装置。
剪切土箱主体由十六层同尺寸的框架层1每个框架层为3000mm×2000mm，高120mm，层与层之间间隙为2mm，通过沿框架层1纵边布置的六套可锁紧或松开的滑块3与直线导轨4套件，组合堆叠连接在一起（参见图4），框架层1四个转角处铆接角钢17，框架层之间侧面通过若干回弹板簧5和半球柱铰6连接，最底部框架层焊接在底板7上，剪切土箱内部安装1.5mm厚的褶皱式橡胶膜2，自剪切土箱最上层框架层悬挂至底层框架层，并在底板7上部密封，褶皱式橡胶膜2的褶皱处置于框架层与框架层之间的间隙中，用以保持剪切箱水密性，同时可减少橡胶膜2对框架层1水平剪切位移限制的影响。
回弹板簧5、半球柱铰6安装在框架层1横向侧面（参见图2），每三层框架层布置两个回弹板簧5和半球柱铰6，对称分布于两边的回弹板簧5与半球柱铰6之间留有2mm间隙，防止二者接触过紧，一方面剪切箱做水平剪切位移运动时，回弹板簧5不会过于限制框架层1的运动，另一方面框架层1完成一定位移大小的水平运动后，回弹板簧5提供框架层1向相反方向运动的复位力。
图3所示，框架层1的四个转角处分别通过螺栓固定连接角钢17，以提高框架层的刚度。
所述振动装置的底板7通过六个方钢8和十二个板簧10呈两排均匀分布在底板7下方，并固定在底梁11上，板簧10一面支撑部分剪切箱主体重量，另一面在水平力作用下产生水平方向的挠曲变形；底板7沿纵向布置两条或三条工字型型钢梁9，在两条工字型钢梁9下部分别均匀安装两个弹簧12与底梁11连接，安装前施加一定预应力，用于承受剪切土箱主体大部分重量，可减轻剪切土箱主体重量对板簧10的大部分竖向荷载作用。
图5所示，底板7上设置有两个直径为100mm的底板孔15，底板孔15中放置透水石，底板孔15通过塑料管与注水阀16连接；底板孔15内所装透水石用于饱和试验时给土样注水，横截面呈Ⅱ形的底梁11最后通过地锚拉杆13固定在实验室地板的凸形槽中。
所述驱动装置包括设置在振动装置的工字型钢梁9一端面的电动伺服作动器21，以及通过焊接在工字型钢梁9端面的连接板18连接的力传感器19，电动伺服作动器21通过电磁隔离板20与力传感器19连接，电动伺服作动器21通过作动器连接板22设置在实验室反力墙23上，电动伺服作动器21整体布置在剪切土箱侧面，水平力可实现闭环控制，自动连续调节，用于提供土箱主体运动的水平力。
具体试验步骤：
1、如图所示，装配好剪切振动土箱装置的各个构件，并检查装置是否完整；
2、将剪切土箱框架层之间的滑块锁紧，确保所有的框架层竖向垂直，固定连接好电动伺服作动器和剪切土箱主体，如图1所示；
3、将试验土样置于剪切土箱中，如图2所示，土样布置完成后，根据试验要求对土样进行相关工作，例如土样的饱和；
4、将框架层之间的滑块松开，从而可使剪切土箱框架层能受到振动而产生水平剪切位移运动；
5、检查装置的运行情况，开启电动伺服作动器，进行相关振动试验。
Claims (5)
1.一种层状振动剪切土箱试验装置，其特征在于：包括剪切土箱和支撑所述剪切土箱的振动装置，以及带动所述振动装置的驱动装置；
所述剪切土箱包括若干框架层（1），框架层（1）之间纵向由若干可锁紧和松开的滑块（3）与直线导轨（4）套件连接，框架层（1）之间横向由若干回弹板簧（5）和半球柱铰（6）组件连接，该剪切土箱底部置于所述振动装置的底板（7）上，剪切土箱内部布置有褶皱式橡胶膜（2），褶皱式橡胶膜（2）的褶皱插入框架层（1）之间以及框架层（1）与底板（7）的间隙内；
所述振动装置的底板（7）分别通过板簧（10），以及通过弹簧（12）支撑在底梁（11）上，底板（7）上设有安装透水石的底板孔（15），底梁（11）通过地锚拉杆（13）固定在实验室地面上；
所述驱动装置包括设置在所述振动装置的工字型钢梁（9）端面的电动伺服作动器（21）和通过连接板连接的力传感器（19），电动伺服作动器（21）通过电磁隔离垫（20）与力传感器（19）连接，电动伺服作动器（21）通过作动器连接板（22）安装在实验室反力墙（23）上；
剪切土箱框架层（1）的四个转角处分别通过螺栓固定连接有提高其刚度的加固角钢（17）；
底板（7）通过纵向设置的六个方钢（8）和十二个板簧（10）支撑在底梁（11）上；底板（7）下部沿纵向设置二或三条工字型钢梁（9），在两条工字型钢梁（9）下部分别由两个弹簧（12）均匀支撑在底梁（11）上。
2.根据权利要求1 所述的层状振动剪切土箱试验装置，其特征在于：所述剪切土箱由十六层同尺寸的框架层（1）组成。
3.根据权利要求1所述的层状振动剪切土箱试验装置，其特征在于：框架层（1）之间纵向由六套可锁紧和松开的滑块（3）与直线导轨（4）套件连接。
4.根据权利要求1所述的层状振动剪切土箱试验装置，其特征在于：框架层（1）之间横向每三层框架层由两个对称分布的回弹板簧（5）和半球柱铰（6）组件连接。
5.根据权利要求1所述的层状振动剪切土箱试验装置，其特征在于：底板（7）上设置有安装透水石并连接注水阀（16）的两个对称分布的底板孔（15）。
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