CN105971029B - 一种可模拟饱和土体固结的多向层状剪切模型箱 - Google Patents

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Abstract

一种可模拟饱和土体固结的多向层状剪切模型箱属于土木工程技术领域。本发明所述模型箱包括格构式钢架和柔性模型箱箱体以及排水系统三部分。格构式钢架包括悬挂支架、上部格构式梁架两部分，上部格构式梁架搁放在设置了若干个万向节的悬挂支架顶端；柔性模型箱箱体由数层轻质刚性材料制作、形状任意的层状结构等距平行排列而成，柔性模型箱箱体悬挂于上部格构式梁架上；模型箱箱体底部铺设一层排水系统，设置若干个通水口的排水管浇筑于箱底的混凝土层中。本发明极大程度上减少了试验时除箱体外其他结构振动对模型地基的影响，可满足多维地震动输入的要求，同时，充分考虑了饱和模型地基的固结排水，可有效、真实地模拟饱和土体的天然排水固结。

Description

一种可模拟饱和土体固结的多向层状剪切模型箱
技术领域
本发明属于土木工程技术领域，涉及一种可模拟饱和土体固结的悬挂式多向层状剪切模型箱。
背景技术
振动台模型试验可以很好地再现地震过程，是目前应用最为广泛的一种结构抗震试验方法。在模型试验中，只能在有限尺寸的容器(模型土箱等)里来模拟原型地基的地震响应。如今开展的多数振动台试验中所应用的模型土箱可分为刚性箱、柔性箱、层状剪切箱等三种。现有用于振动台试验的模型土箱多数只能满足单向地震动输入的需要，且一些已研发的层状多向剪切模型箱也存在技术缺陷。例如，模型箱设计结构较复杂，模型箱体和其他装置的振动会对模型土箱产生较大影响，尤其缺少专门针对可液化地基振动台试验模型土箱的设计。
为了满足多维振动输入、并制备更接近真实场地的可液化地基等要求，更好地再现可液化地基在实际场地中的地震反应过程，迫切需要一种设计相对简单、且能模拟饱和土体天然固结过程的新型多向层状剪切模型土箱。但是，如今国内外尚未有这种用于专门针对可液化场地振动台试验设计的多向层状剪切模型土箱。
发明内容
本发明目的是针对现有振动台试验用模型土箱存在的缺陷提出一种可模拟饱和土体固结的悬挂式多向层状剪切模型箱，以克服上述现有实验箱的不足。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种可模拟饱和土体固结的多向层状剪切模型箱，由悬挂支架、梁架、多向层状剪切模型箱体、刚性底板组成，所述多向层状剪切模型箱体通过隔振支座悬挂在所述梁架下，所述梁架通过万向节支撑在所述悬挂支架上，所述多向层状剪切模型箱体的底部及悬挂支架固定在所述刚性底板上，所述悬挂支架为围绕在所述多向层状剪切模型箱体周围的三个以上的格构式结构的直角梯形支柱，所述梁架为搭在相邻的所述直角梯形支柱上的格构式结构的三角架形横梁，所述多向层状剪切模型箱体底部为混凝土层，混凝土层均匀排布开口朝上的通水孔，各通水孔汇集到混凝土层内的排水管，该排水管伸至多向层状剪切模型箱体外，并设有阀门。
所述通水孔上设有透水石和滤网。
所述隔振支座采用橡胶垫，该橡胶垫可通过螺母与所述多向层状剪切模型箱体的顶部连接。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.由于悬挂支架为格构式结构并采用梯形截面设计，其水平向基频远远避开了模型地基水平向基频，且于支架顶端设置通过万向节支撑梁架，极大减小了悬挂支架的振动对模型地基振动带来的不利影响。
2.由于梁架为格构式结构并采用三角形截面设计，其垂直向基频远远避开了模型地基垂 直向基频，且于梁架采用隔振支座悬挂多向层状剪切模型箱体，极大减小了梁架的振动对模型地基振动带来的不利影响。
3.由于多向层状剪切模型箱体底部设计了排水系统，可有效、真实地模拟饱和土体的天然排水固结，实现了饱和模型地基的固结排水，满足了接近真实场地的可液化地基的要求。
附图说明
图1至图7为一种可模拟饱和土体固结的多向层状剪切模型箱的一个实施例的结构示意图，此实施例可用于多维地震输入，其中：
图1为实施例中模型箱的结构示意图；
图2为实施例中模型箱的万向节布置的结构示意图；
图3为实施例中模型箱的排水系统布置示意图；
图4为实施例中模型箱的直角梯形支柱的格构式结构示意图；
图5为实施例中模型箱的三角架形横梁的格构式结构主视图；
图6为实施例中模型箱的三角架形横梁的格构式结构俯视图；
图7为实施例中模型箱的隔振支座制作的结构示意图。
图中，1-刚性底板；2-悬挂支架；3-梁架；4-螺杆；5-支撑钢板；6-隔振支座；7-柔性索；8-多向层状剪切模型箱体；9-混凝土层；10-排水管；11-分流器；12-阀门；13-通水孔；14-透水石和滤网；15-锚固螺栓；16-万向节。
具体实施方式
下面结合附图通过实施例进一步说明本发明。
本发明提出一种可模拟饱和土体固结的悬挂式多向层状剪切模型箱，包括刚性底板1，悬挂支架2，梁架3，多向层状剪切模型箱体8。多向层状剪切模型箱体8通过隔振支座6悬挂在梁架3下面，梁架3通过支撑钢板5和万向节16及螺杆4支撑在悬挂支架2上，如图2所示，多向层状剪切模型箱体底部、悬挂支架1固定在刚性底板1上。实施例中，
悬挂支架1为围绕在多向层状剪切模型箱体8周围的四个格构式结构的直角梯形支柱，该直角梯形支柱结构如图4所示，直角梯形支柱主要由数根竖向角钢和斜向角钢构成，此外，布置若干加劲钢板以加强整体稳定性。直角梯形支柱通过焊接等方式固定于模型箱底板上。
梁架3为搭在相邻的所述直角梯形支柱上的四个格构式结构的三角架形横梁，该三角架形横梁结构如图5、6所示，三角架形横梁主要由数根斜向角钢和水平向角钢构成，此外，布置若干加劲钢板以加强整体稳定性。三角架形横梁通过支撑钢板5和万向节16及螺杆4支撑在悬挂支架2上。
多向层状剪切模型箱体8由十二层铝合金方管围成的直径为3.6m的圆形刚性层面结构框架等间距平行排列，并由十二条均匀分布的柔性索7串接构成，柔性索7底端与刚性底板1连接、顶端通过隔振支座6悬挂于梁架3上，并且多向层状剪切模型箱体8内壁贴衬柔性薄膜。多向层状剪切模型箱体8底部为混凝土层，混凝土层均匀排布1个以上的开口朝上的通水孔13，通水孔13入口处设置可防止沙石落入通水孔的透水石和滤网14，各通水孔通过分流器11汇集到混 凝土层内的排水管，该排水管伸至多向层状剪切模型箱体外，并设有阀门12(如图3)。
隔振支座6由橡胶垫构成，将柔性索7穿过橡胶垫，并通过锚固螺栓15将橡胶垫与柔性索7固定，如图7所示。
下面对本发明一种可模拟饱和土体固结的悬挂式多向层状剪切模型箱的工作原理及工作过程做介绍：
(1)模型箱箱体形状可根据不同需求进行调整、设计，制作箱体的材料须选择轻质刚性材料；
(2)悬挂支架2和梁架3的设计均以自振频率为主要控制因素、以提高水平向自振频率(竖直向自振频率)为目的进行设计，悬挂支架2采用梯形截面设计的方法提高其水平向自振频率，梁架3采用三角形截面设计的方法提高其竖直向自振频率；
(3)梁架3与柔性索7的连接采用隔振支座6，模型箱箱体通过柔性索、隔振支座悬挂于上部格构式梁架上；
(4)梁架3置于悬挂支架2的万向节16与支撑钢板5上，通过调节悬挂支架上的螺杆4，将上部格构式梁架调至水平；
(5)进行模型地基装样、模型结构埋置、传感器安装等相关操作之后，打开下部排水系统阀门12，水可从排水系统中流出，模拟饱和土体的天然固结；
(6)试验前，将排水系统阀门12关闭；
(7)试验开始，模型箱整体设计可满足多维地震动输入工况的要求。
实施例：
以直径为3.6m的圆形铝合金箱体在台面尺寸为6×6m的振动台上试验为例：
选用矩形截面、空心环状的铝合金圈制作模型箱层状结构箱体，铝合金圈层数为12层，由12条均匀分布的钢绞线作为柔性索7悬挂在上部格构式梁架3上，其中梁架3由符合条件的6.5#角钢焊接、加固而成，钢绞线与梁架3之间通过隔振支座6相连，梁架3搁放在顶端设置了万向节16和支撑钢板5及螺杆4的悬挂支架上2，悬挂支架2固定于刚性底座上。
在模型箱底部混凝土层埋设排水系统，设置8个通水孔13，通水孔13由分流器11与排水管12相连接，阀门12位于混凝土层外，可方便地进行排水操作。进行模型地基装样、模型结构埋置、传感器安装等相关操作之后，打开下部排水系统阀门12，孔隙水由排水系统缓慢排出，土体体积逐渐压缩，模拟饱和土体的天然固结；试验前，将排水系统阀门关闭，孔隙水停止排出，模拟饱和土体固结过程结束。试验工况中，设置地震动三向输入实验组进行试验。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种可模拟饱和土体固结的多向层状剪切模型箱，由悬挂支架、梁架、多向层状剪切模型箱体、刚性底板组成，所述多向层状剪切模型箱体通过隔振支座悬挂在所述梁架下，所述梁架通过万向节支撑在所述悬挂支架上，所述多向层状剪切模型箱体的底部及悬挂支架固定在所述刚性底板上，其特征在于：所述悬挂支架为围绕在所述多向层状剪切模型箱体周围的三个以上的格构式结构的直角梯形支柱，所述梁架为搭在相邻的所述直角梯形支柱上的格构式结构的三角架形横梁，所述多向层状剪切模型箱体底部为混凝土层，混凝土层均匀排布开口朝上的通水孔，各通水孔汇集到混凝土层内的排水管，该排水管伸至多向层状剪切模型箱体外，并设有阀门；
所述隔振支座采用橡胶垫，该橡胶垫可通过螺母与所述多向层状剪切模型箱体的顶部连接；
其中，悬挂支架和梁架的设计均以自振频率为主要控制因素、以提高水平向自振频率或竖直向自振频率为目的进行设计，悬挂支架采用梯形截面设计的方法提高其水平向自振频率，梁架采用三角形截面设计的方法提高其竖直向自振频率。
2.如权利要求1所述的一种可模拟饱和土体固结的多向层状剪切模型箱，其特征在于：所述通水孔上设有透水石和滤网。
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