CN105606328A - 一种用于土工离心试验的振动台 - Google Patents

一种用于土工离心试验的振动台 Download PDF

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Abstract

一种用于土工离心试验的振动台，包括支撑土工模型的台面，设置在台面下方的支撑架以及位于支撑架下方的支撑板。台面由多个结构相同的动作单元拼接而成，每个动作单元下方均设置有一个对应的驱动机构。本发明所提供的用于土工离心试验的振动台，提供了由多个动作单元拼接而成的支撑模型的台面，每个动作单元可以在控制单元的控制下独立地垂直于台面上下运动，从而能够直接对其所支持的地震模型的土体部分进行局部作动，通过对模型土体进行分离的连续作用，可使模型土体直接产生真实的剪切效果，且可任意选择对模型的位置进行起始作动，从而可很好的在土工离心试验中对地震造成的土体作用进行模拟。

Description

一种用于土工离心试验的振动台
技术领域
本发明涉及土工离心试验技术领域，特别是一种用于土工离心试验的振动台，尤其是一种在土工离心试验中模拟地震振动的实验装置，所述实验装置尤其可用于在土工离心试验中模拟地震的局部区域相对运动的情况。
背景技术
土工离心试验是将1/n比例尺的模型置于土工离心机中，在ng离心加速度的空间进行试验。由于离心加速度所产生的离心力场与重力场在一定条件下基本等效，且通常情况下加速度对工程材料性质的影响很小，从而使模型和原型的应力、应变相等，变形相似，破坏机理相同，能再现原型特征。
离心动力模型试验是近年来发展较快的一项技术。随着大型振动台及其自动数据采集系统在离心模拟技术中的发展，使得利用离心机研究土工抗震问题成为可能。如香港科技大学建成的400g.t的土工离心机，配有水平双向液压振动台及离心机专用四轴机器人。这套系统基本上可以模拟各种水平方向的地震情况。
在地球内部传播的地震波分为纵波和横波。振动方向与传播方向一致的波为纵波(P波)。来自地下的纵波引起地面上下颠簸振动。振动方向与传播方向垂直的波为横波(S波)。来自地下的横波能引起地面的水平晃动。
例如，中国专利申请CN200910066560.6公开了一种水平双向地震模拟振动台综合系统，其模拟的就是地震水平方向的振动，例如中国专利申请CN201310491139.6公开了一种双台面大位移三轴六自由度地震模拟振动装置及方法，该现有技术中提供的振动装置模拟的也是地震水平方向的振动。中国专利申请CN201110139990.3中所公开的离心机用振动台比上述现有技术更近了一步，该现有技术的振动台能够同时模拟地震的水平和垂直双方向的振动，从而可以获得更真实的地震实验效果。
从上述现有技术可见，现有的地震模拟实验装置仍然处于简单模拟地震振动的状态，实验时整个地震模型设置在振动台的一体化台面上，通过振动台的动力装置推动整个台面作水平方向的前后左右运动，或者推动整个台面作垂直方向的上下运动，整个地震模型会随着台面的水平和垂直运动一起运动。由于实验平台的体积所限，单个实验平台最大的台面也很少有超过20m×15m的，因而地震模型的整体尺寸也不会太大，因此这样的实验只能通过模拟获得整个模型受到剧烈振动之后的整体地震数据，低震级的轻微振动由于模型尺寸太小，因而在模型尺度范围上对整个模型的影响极小，而且由于地震模型是整体运动的，也无法模拟局部区域的相对运动所带来的地震影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于土工离心试验的振动台，以减少或避免前面所提到的问题。
为解决上述技术问题，本发明提出了一种用于土工离心试验的振动台，用于在土工离心试验中对土工模型进行地震振动模拟试验，所述振动台设置在模型箱中承载所述土工模型，所述模型箱放置于土工离心机的吊篮中，所述振动台包括支撑所述土工模型的台面，设置在所述台面下方的支撑架以及位于所述支撑架下方的与所述模型箱固定连接的支撑板；所述台面由多个结构相同的动作单元拼接而成，每个所述动作单元下方均设置有一个对应的驱动机构，每个所述驱动机构均设置在所述支撑架内部相互分隔的独立的容纳空间中；所述吊篮内设置有一个控制单元，所述控制单元与所述驱动单元连接，所述控制单元可独立控制每个所述动作单元垂直于所述台面上下运动。
优选地，所述动作单元包括一个水平台板，所述水平台板的下方设置有一个磁导杆，所述驱动单元为围绕所述磁导杆设置的电磁线圈。
优选地，所述水平台板呈矩形结构，所述水平台板的四个角的下方均设置有一个导向杆，所述支撑架上设置有与所述导向杆结构相匹配的导向孔。
优选地，所述水平台板呈正六边形结构。
优选地，所述支撑架进一步设置有供所述磁导杆穿过的通孔。
优选地，所述台面和所述土工模型之间设置有柔性的隔离垫。
优选地，所述水平台板为圆形。
优选地，所述支撑架可拆卸地安装在所述支撑板上，所述支撑架和所述支撑板之间设置有防水垫片。
本发明所提供的用于土工离心试验的振动台，提供了由多个动作单元拼接而成的支撑模型的台面，每个动作单元可以在控制单元的控制下独立地垂直于台面上下运动，从而能够直接对其所支持的地震模型的土体部分进行局部作动，通过对模型土体进行分离的连续作用，可使模型土体直接产生真实的剪切效果，且可任意选择对模型的位置进行起始作动，从而可很好的在土工离心试验中对地震造成的土体作用进行模拟。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，
图1显示的是根据本发明的一个具体实施例的一种用于土工离心试验的振动台的结构示意图；
图2显示的是图1的振动台的原理示意图；
图3显示的是图2的振动台的分解结构示意图；
图4显示的是图3的振动台的一个动作单元的剖面结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。其中，相同的部件采用相同的标号。
图1显示的是根据本发明的一个具体实施例的一种用于土工离心试验的振动台的结构示意图；图2显示的是图1的振动台的原理示意图。如图1-2所示，本发明提供了一种用于土工离心试验的振动台500，用于在土工离心试验中对土工模型80进行地震振动模拟试验，其中，振动台500设置在模型箱91中承载土工模型80，模型箱91放置于土工离心机的吊篮90中。图1中虚线部分显示的是吊篮90在土工离心试验过程中，吊篮90在高速转动下的偏转状态。
图2中，振动台500包括支撑土工模型80的台面20，设置在台面20下方的支撑架1以及位于支撑架1下方的与模型箱91固定连接的支撑板30。进一步地，台面20由多个结构相同的动作单元2拼接而成，每个动作单元2下方均设置有一个对应的驱动机构11。吊篮90内设置有一个控制单元70，控制单元70与驱动单元11连接，控制单元70可独立控制每个动作单元2垂直于台面20上下运动。
支撑板30与模型箱91可通过螺栓或者榫槽结构固定连接，这样可确保土工离心机高速运行时，支撑板30不产生位移。
本发明所提供的技术方案与背景技术所提及的模拟地震的装置的最大不同点在与，现有技术方案中，土工模型放置在一个一体化台面上，在模拟过程中，模型随着所述一体化台面晃动，而本发明所提供的技术方案中，土工模型80放置在台面20上，每个动作单元2可以独立地垂直于台面20上下运动，也就是说每个动作单元2能够直接对其所支持的土工模型80的土体部分进行作动，相邻的动作单元2之间的最小间隙为0.1mm，这样一方面可保障相邻的动作单元2不相互干涉，另一方面可尽量减小相邻的动作单元2之间的间隙处土体的遗撒。
控制设备70设置在吊篮90内，可简化对土工离心机的布线要求。控制设备70可以是单片机或者工控机，其可以通过预设程序，控制每个动作单元2运行，从而实现每个动作单元2按照一定的频率进行垂直移动，也就可使得相邻的动作单元2的移动组合来实现正弦波或其他波形的振动模拟。由于每个动作单元2能够直接对其所支持的模型的土体部分进行作动，因此可直接模拟出纵波(P波)，而土体之间在剪切作用下产生的水平向位移又可真实模拟出横波(S波)，也就是说，本发明的技术方案可直接使模型土体产生真实的剪切效果，且可任意选择对土工模型的局部位置进行起始作动，从而可很好的对地震造成的土体作用，特别是地震局部区域的运动情况进行模拟。
由于当土工离心机运行在高g值时(例如运行在40g以上)，由弹簧、液压等机械力方式来驱动机械运动难以控制，因此，在本发明所提供的技术方案中，可采用电磁力来控制所述动作单元2。
亦即，如图3-4所示，其中，图3显示的是图2的振动台的分解结构示意图；图4显示的是图3的振动台的一个动作单元的剖面结构示意图，参见图3-4可见，动作单元2可包括一个水平台板21，水平台板21的下方设置有一个磁导杆22，驱动单元11为围绕磁导杆22设置的电磁线圈，即在本优选实施例中，动作单元2通过电磁力的作用使得磁导杆22上下运动，支撑架1上设置有供磁导杆22穿过的通孔15，利用通孔15对磁导杆22进行导向，同时利用通孔15周边的支撑架1支撑水平台板21对其进行限位。这样还可以便于所述控制单元70通过预先设定的程序提供不同的电力供应来实现每个所述动作单元2按照一定的频率进行垂直于所述支撑架1的移动，从而更容易在土工离心机运行在高g值环境时，使得相邻的所述动作单元2的移动实现正弦波或其他波形的振动模拟。
构成台面20的动作单元2可以连续设置，也可以仅仅设置在台面20的特定区域，当然，优选采用连续设置用以提供更灵活的局部运动模拟。在一个具体实施例中，水平台板21呈矩形结构或者正六边形结构，这样便于使多个水平台板21能够拼接成连续连接的完整支撑面，从而可使得台面20对所述模型作动时，土体的变形能够连续，减小误差。当然，采用矩形结构也便于底部设置的导向结构的定位，例如，在另一个优选实施例中，水平台板21的四个角的下方均设置有一个导向杆23，支撑架1上设置有与导向杆23结构相匹配的导向孔13。导向杆23的设置可以便于限制磁导杆22的偏转位移，避免磁导杆22卡死，还可以使得磁导杆22的垂直移动更加精确，便于通过电流大小驱动电磁线圈获得更加准确的运动距离，可保障对所述模型土体施加均匀的作动力。
在又一个具体实施例中，台面20与所述模型80之间，也即是水平台板21上方可设置柔性的隔离垫(图中未示出)，例如3-5mm厚的塑料薄膜，所述隔离垫可覆盖整个支撑架1，这可保障台面20对所述模型80的土体的作动力能够均匀连续的施加，且可避免土体遗撒。
在所述台面20与所述模型80之间，也即是水平台板21上方设置有柔性的隔离垫的情况下，所述水平台板21也可以是圆形，这样可保障所述动作单元2对所述模型土体施加周向均匀的作动力。
由于在模拟地震试验的过程中，可能会涉及使用水进行环境模拟，例如中国水利水电出版社出版的罗先启、葛修润的“滑坡模型试验理论及其应用”一书中所提及的滑坡模型试验技术，因此为了使本发明的技术方案能够在水淹等潮湿环境使用，通孔15和导向孔13中均设置有防水垫圈(图中未示出)。进一步地，优选每个驱动机构11均设置在支撑架1内部相互分隔的独立的容纳空间12中(如图4所示)，相互分隔的独立的容纳空间12可以对其上的电路元件等进行独立的保护，避免局部损毁牵连相邻的驱动机构11，同时，支撑架1内部设置的相互隔离的独立的容纳空间12可以便于将相关电磁线圈、磁导杆22等进行模块化安装、调试、检修，避免电器元件的线路短接等隐患。例如，如图所示，支撑架1可拆卸地安装在支撑板30上，支撑架1和支撑板30之间可以设置防水垫片，通过支撑板30和支撑架1以及防水垫片的配合可以获得一个密封的容纳空间12，可以便于不同情况下的环境试验。同时支撑板30的设置可以整体化安装整个实验装置，便于实验装置的移动运输，特别适用于进一步将整个试验装置设置在离心机吊篮中。
由于土工离心试验中所能提供的工作空间有限，因此，所述支撑架1的尺寸可设定为20cm×20cm-40cm×40cm的范围，动作单元2的水平台板21的尺寸可为边长为1cm-2cm的矩形或正六边形，也可为半径为1cm-2cm的圆形。
综上所述，本发明所提供的用于土工离心试验的振动台，提供了由多个动作单元拼接而成的支撑模型的台面，每个动作单元可以在控制单元的控制下独立地垂直于台面上下运动，从而能够直接对其所支持的地震模型的土体部分进行局部作动，通过对模型土体进行分离的连续作用，可使模型土体直接产生真实的剪切效果，且可任意选择对模型的位置进行起始作动，从而可很好的在土工离心试验中对地震造成的土体作用进行模拟。
本领域技术人员应当理解，虽然本发明是按照多个实施例的方式进行描述的，但是并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案。说明书中如此叙述仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体加以理解，并将各实施例中所涉及的技术方案看作是可以相互组合成不同实施例的方式来理解本发明的保护范围。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种用于土工离心试验的振动台，用于在土工离心试验中对土工模型(80)进行地震振动模拟试验，所述振动台(500)设置在模型箱(91)中承载所述土工模型(80)，所述模型箱(91)放置于土工离心机的吊篮(90)中，其特征在于，所述振动台(500)包括支撑所述土工模型(80)的台面(20)，设置在所述台面(20)下方的支撑架(1)以及位于所述支撑架(1)下方的与所述模型箱(91)固定连接的支撑板(30)；所述台面(20)由多个结构相同的动作单元(2)拼接而成，每个所述动作单元(2)下方均设置有一个对应的驱动机构(11)，每个所述驱动机构(11)均设置在所述支撑架(1)内部相互分隔的独立的容纳空间(12)中；所述吊篮(90)内设置有一个控制单元(70)，所述控制单元(70)与所述驱动单元(11)连接，所述控制单元(70)可独立控制每个所述动作单元(2)垂直于所述台面(20)上下运动。
2.如权利要求1所述的振动台，其特征在于，所述动作单元(2)包括一个水平台板(21)，所述水平台板(21)的下方设置有一个磁导杆(22)，所述驱动单元(11)为围绕所述磁导杆(22)设置的电磁线圈。
3.如权利要求2所述的振动台，其特征在于，所述水平台板(21)呈矩形结构，所述水平台板(21)的四个角的下方均设置有一个导向杆(23)，所述支撑架(1)上设置有与所述导向杆(23)结构相匹配的导向孔(13)。
4.如权利要求1-3所述的振动台，其特征在于，所述水平台板(21)呈正六边形结构。
5.如权利要求2-4之一所述的振动台，其特征在于，所述支撑架(1)进一步设置有供所述磁导杆(22)穿过的通孔(15)。
6.如权利要求2-4之一所述的振动台，其特征在于，所述台面(20)和所述土工模型(80)之间设置有柔性的隔离垫。
7.如权利要求1-6所述的振动台，其特征在于，所述水平台板(21)为圆形。
8.如权利要求1-7之一所述的振动台，其特征在于，所述支撑架(1)可拆卸地安装在所述支撑板(30)上，所述支撑架(1)和所述支撑板(30)之间设置有防水垫片。
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