CN107121252B - 一种适用于岩、土边坡的振动台试验方法及模型箱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于岩、土边坡的振动台试验方法及模型箱，属于实验设备领域，该方法包括：确定欲试验用模型边坡的类型，并根据该类型进行模型箱的组装；利用组装出的所述模型箱建造该类型相应的边坡模体；将建造出的所述边坡模体在该模型箱内静置1～2天；利用振动台安装带有该边坡模体的模型箱，并加载相应的地震波形。该模型箱由底座、围护结构、梯形框架、横向加劲肋、纵向加劲肋、空心方管和墙体组装而成。本发明可通过调节模型箱后侧空心方管的松紧分别实现层状剪切模型箱、刚性模型箱的功能，可分别应用于土、岩石边坡的振动台试验，边侧墙体透明便于制作边坡模体及观察试验的破坏情况，同时该模型箱具有可自由拆装，操作灵活的特点。

Description

一种适用于岩、土边坡的振动台试验方法及模型箱

技术领域

本发明属于试验设备技术领域，涉及一种试验设备，具体涉及一种适用于岩、土边坡的振动台试验方法及模型箱，主要用于对模型边坡进行振动台试验。

背景技术

随着近年来地震诱发的地质灾害的增多，人们对边坡的动力稳定性研究也日益加深，振动台物理模型试验成为了研究边坡动力响应及其失稳模式重要手段之一。模型箱作为边坡振动台试验的重要设备，起传递振动荷载到模型边坡的作用。现有的模型箱类型主要有层状剪切变形模型箱、固壁式刚性模型箱、柔性容器等。然而，层状剪切变形模型箱、柔性容器多用于砂、土等松散型材料的振动台试验，其能模拟土中的水平剪切变形；固壁式刚性模型箱主要用于类岩质材料的振动台模型试验。但现有的模型箱少有既能实现砂、土体的层状剪切变形，又能用于岩体模型试验的；还因模型箱过于笨重而移动困难，从而限制边坡模型的施工便捷性。此外，对于不同角度、形状的坡体施工存在有相当大的难度，间接提高了试验成本。

发明内容

有鉴于此，本专利的目的在于提供一种适用于岩、土边坡的振动台试验方法及模型箱，通过调节后侧方形管的松紧可分别实现层状剪切模型箱、刚性模型箱的功能，即可分别应用于土体、岩体的振动台试验。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供的一种适用于岩、土边坡的振动台试验方法，具体包括如下步骤：

1)、确定欲试验用模型边坡的类型，并根据该类型进行模型箱的组装；

2)、利用组装出的所述模型箱建造该类型相应的边坡模体；

3)、将建造出的所述边坡模体在该模型箱内静置1～2天；

4)、利用振动台安装带有该边坡模体的模型箱，并加载相应的地震波形。

优选的，在步骤1)中，还包括如下分步骤：

1.1)、根据边坡模体的设计尺寸及分层厚度在模型箱两边侧的墙体外描绘相应的各分层层面轮廓线；

1.2)、根据边坡模体的类型选择合适的柔性材料布置于模型箱内；

1.3)、根据边坡模体的分层层面倾角将模型箱旋转适宜的角度并加设支撑固定。

优选的，在步骤1.2)中，所述柔性材料为：在与水平振动方向垂直的方向上，模型箱的前、后侧内壁衬40mm聚苯乙烯塑料泡沫板或5mm橡胶膜，在顺沿水平振动的方向上，模型箱的两边侧内壁粘贴光滑的聚氯乙烯薄膜，聚氯乙烯薄膜与墙体相接触的表面涂有润滑油。

优选的，在步骤2)中，还包括如下分步骤：

2.1)、根据边坡模体各分层的几何尺寸及密度值，算出各分层所需的混合料，并将该混合料所对应的干料按照相似材料配比、称量后在搅拌机内搅拌均匀；

2.2)、将拌和均匀的干料倒出，并在称量好的水中加入甘油及石膏缓凝剂后分若干次加入该干料中进行人工拌和均匀；

2.3)、将拌和均匀的混合料铲入模型箱中，夯实至该分层设计的密实度，直至厚度达到墙体外描绘的该分层层面轮廓线，并根据设计要求放置相应的测试元件；

2.4)、在该分层的拌和料压实平整且尚未初凝前进行正交次级节理的切割，即采用2mm薄钢板垂直切割并带入聚氯乙烯薄膜；

2.5)、对该分层进行相应的层面凿毛处理，并铺撒一层薄石英砂；

2.6)、重复步骤2.1)～2.5)，直到边坡模体达到设计的高度。

优选的，在步骤2.3)中，每次夯实碾压的拌和料厚度控制在5cm～10cm。

优选的，在步骤2.4)中，所述次级节理的切割间距等于该分层厚度，切割深度等于2/3该分层厚度。

本发明还提供一种适用于岩、土边坡的振动台试验模型箱，用于实现如权利要求1至6所述的方法，由底座、围护结构、梯形框架、横向加劲肋、纵向加劲肋、空心方管和墙体组装而成，所述底座用于与振动台连接，其上方自下而上依次设置所述的围护结构、梯形框架；所述梯形框架的后侧外壁、且沿其高度方向自下而上叠合有多个所述的空心方管，前侧外壁设置所述的横向加劲肋，两边侧内壁设置所述的墙体，两边侧外壁对称设置所述的纵向加劲肋。

进一步，所述底座靠近梯形框架后侧的一端设有与底座的底平面倾斜布置的三段连续斜面，三段连续斜面的倾角由下至上依次为30°、45°、60°。

进一步，所述墙体为透明的钢化玻璃。

进一步，相邻的两个空心方管的接触面之间涂有润滑油。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：本发明能够通过调节模型箱后侧空心方管的松紧可分别实现层状剪切模型箱、刚性模型箱的功能，可分别应用于土体、岩体的振动台试验，两边侧采用透明材料便于制作边坡模体及观察试验的整个过程，同时该模型箱具有可自由拆卸、组装，操作灵活的特点。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明模型箱的侧立面结构示意图；

图2为本发明模型箱的俯视结构示意图；

图3为三个典型顺层岩质边坡的概化模型；其中，a为水平层状坡；b为中倾顺层坡；c为陡倾顺层坡。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

说明书附图中的附图标记包括：底座1、围护结构2、梯形框架3、横向加劲肋4、纵向加劲肋5、空心方管6、墙体7、柔性材料8、边坡模体9、层面10、次级节理11。

实施例基本如附图1所示：本实施例提供的本发明公开了一种适用于岩、土边坡的振动台试验模型箱，在设计本次试验所用模型箱时，需要考虑以下三方面的要求：①振动台台面尺寸及承载能力的限制。台面大小为1.2m×1.2m，重量限制为1000kg。②试验过程中能方便观测。由于试验中的边坡设计为平面应变模型，应便于从模型箱两侧观察边坡的变形破坏过程。③与台面的螺栓连接。应在模型箱底部设计足够多螺栓孔，保证模型箱能与振动台面一起运动。④动力边界处理。由于模型箱的存在，半无限长度的边坡被人为截断，截断后的模型边坡与模型箱之间的边界应满足边坡变形及地震波传播的要求。试验中采用了角钢和钢板焊接而成的刚性模型箱，考虑到边坡的外轮廓及模型制作的方便，模型箱的侧面形状设计为梯形，考虑试验中模型边坡的受力为平面应变问题，理论上，模型的厚度尺寸不会对试验结果造成影响。刚性模型箱两个侧面采用有机钢化玻璃，以便于观察试验中边坡的破坏过程，为减小有机玻璃板与模型接触面上的摩阻力，在有机玻璃板上粘贴光滑的聚氯乙烯薄膜，薄膜表面涂润滑油。当螺栓拧紧，实现刚性模型箱功能时，模型箱后壁加衬40mm厚泡沫垫层以减小模型箱边界效应。

具体的，该模型箱由底座1、围护结构2、梯形框架3、横向加劲肋4、纵向加劲肋5、空心方管6和墙体7组装而成，底座1用于与振动台(未画出)连接，其上方自下而上依次设置围护结构2、梯形框架3；并定义：在顺沿振动台水平振动的方向上，模型箱前、后端为前、后侧，在与振动台水平振动方向垂直的方向上，模型箱左、右两端为两边侧，而梯形框架3的后侧外壁且沿其高度方向自下而上叠合有多个空心方管6，前侧外壁设置横向加劲肋4，两边侧内壁设置墙体7，两边侧外壁对称设置纵向加劲肋5；该底板1上有若干孔洞，可将模型箱与振动台连接；梯形框架3由角钢焊接而成；围护结构2、横向加劲肋4、纵向加劲肋5、空心方管6和墙体7与梯形框架3均采用螺栓可拆卸的连接；空心方管两端是采用螺栓连接于两边侧上的，通过调节空心方管的螺栓的松紧来分别实现层状剪切模型箱、刚性模型箱的功能；该横向加劲肋4与纵向加劲肋5的设计，可以增强模型箱的梯形框架3的整体刚度。

本实施例中的底座1靠近梯形框架3后侧的一端设有与水平相交的连续三段斜面，三段斜面的倾角由下至上依次为30°、45°、60°。这样，可便于在制作倾角较大的边坡模体9坡体时，模型箱旋转相应角度后能与地面为面接触，并可使边坡模体的各分层层面在制作过程中始终处于近似水平状态，利于加工制作。

本实施例中的墙体7具有较大刚度且为透明材料，如钢化玻璃，厚度为1cm，便于制作边坡模体9及观察边坡模体9的破坏情况。

本实施例中的相邻的两个空心方管6的接触面之间涂有润滑油。这样，可减小空心方管之间的摩擦力。

本实施例中的模型箱内壁设有一定强度、厚度的柔性材料8，以消除边界发射效应。具体的，在空心方管6的螺栓拧紧，实现模型箱的刚性功能时，为了消除边界反射效应，模型箱的围护结构2前侧内壁及围护结构2和梯形框架3后侧内壁均加设有40mm厚聚苯乙烯塑料泡沫板，在空心方管6的螺栓松开，实现模型箱的层状剪切功能时，为避免土体从方形管之间的缝隙中外漏，梯形框架3后侧内壁则加设5mm橡胶膜；此外，模型箱的两边侧内壁均粘贴光滑的聚氯乙烯薄膜，聚氯乙烯薄膜与墙体7相接触的表面涂有润滑油。

下面阐述下本发明适用于岩、土边坡的振动台试验方法，本次振动台试验共设计了三个顺层岩质边坡模体，其主要的区别在于边坡层面倾角和平整度的不同。模型一的层面倾角设为水平(如图3a所示)，以研究平缓岩层岸坡在频发微震下累积损伤演化特征及最终的破坏模式；模型二、模型三的层面倾角分别为30°、60°，其中模型二的层面在坡面出露，模型三的层面与坡面平行(如图3b、3c所示)，以这两个坡体来研究中倾顺层坡、陡倾顺层坡在频发微震作用下的累积损伤特征及破坏模式。

具体包括如下步骤：

1)、确定欲试验用模型边坡的类型(土质或岩质边坡)，并根据该类型进行模型箱的组装；

1.1)、根据边坡模体9的设计尺寸及分层厚度在模型箱两边侧的墙体7外描绘相应的各分层层面轮廓线；

1.2)、根据边坡模体的类型选择合适的柔性材料8布置于模型箱内；所述柔性材料为：在与水平振动方向垂直的方向上，模型箱的前、后侧内壁衬40mm聚苯乙烯塑料泡沫板或5mm橡胶膜，在顺沿水平振动的方向上，模型箱的两边侧内壁粘贴光滑的聚氯乙烯薄膜，聚氯乙烯薄膜与墙体7相接触的表面涂有润滑油；

1.3)、根据边坡模体的分层层面10倾角将模型箱旋转适宜的角度并加设支撑固定；

2)、利用组装出的所述模型箱建造该类型的边坡模体9；

2.1)、根据边坡模体9各分层的几何尺寸及密度值，算出各分层所需的混合料，并将该混合料所对应的干料按照相似材料配比、称量后在搅拌机内搅拌均匀；

2.2)、将拌和均匀的干料倒出，并在称量好的水中加入甘油及石膏缓凝剂后分若干次加入该干料中进行人工拌和均匀；由于加水后的混合料(湿料)在搅拌机中拌和时容易粘结成团，包裹部分干料，为使湿料搅拌均匀，改为干料加水人工搅拌的方式；

2.3)、将拌和均匀的拌和料铲入模型箱中，采用专门加工的小型夯锤压实至设计的密实度，为保证压实效果，每次碾压的厚度控制在5cm～10cm，直至厚度达到墙体外描绘的该分层层面轮廓线，并根据设计要求放置相应的测试元件；

2.4)、在该分层的拌和料压实平整且尚未初凝前进行正交次级节理11的切割，即采用2mm薄钢板垂直切割并带入聚氯乙烯薄膜；该次级节理的切割间距等于该分层厚度，切割深度等于2/3该分层厚度；

2.5)、对该分层进行相应的层面10凿毛处理，并铺撒一层2～3mm薄石英砂；

2.6)、为了使边坡模体9达到设计坡角，随着边坡模体9建造高度的增加，需要在坡面进行支模，并重复步骤2.1)～2.5)，直到边坡模体达到设计的高度；

3)、将建造出的所述边坡模体9在该模型箱内静置1～2天；

4)、利用振动台安装带有该边坡模体9的模型箱，并加载相应的地震波形，记录数据，完成试验。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种适用于岩、土边坡的振动台试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)、确定欲试验用模型边坡的类型，并根据该类型进行模型箱的组装；所述模型箱由底座(1)、围护结构(2)、梯形框架(3)、横向加劲肋(4)、纵向加劲肋(5)、空心方管(6)和墙体(7)组装而成，所述底座用于与振动台连接，其上方自下而上依次设置所述的围护结构、梯形框架；所述梯形框架的后侧外壁、且沿其高度方向自下而上叠合有多个所述的空心方管，所述空心方管两端设有与梯形框架两边侧连接的螺栓，前侧外壁设置所述的横向加劲肋，两边侧内壁设置所述的墙体，两边侧外壁对称设置所述的纵向加劲肋；

2)、利用组装出的所述模型箱建造该类型相应的边坡模体；

2.1)、根据边坡模体各分层的几何尺寸及密度值，算出各分层所需的混合料，并将该混合料所对应的干料按照相似材料配比、称量后在搅拌机内搅拌均匀；

2.2)、将拌和均匀的干料倒出，并在称量好的水中加入甘油及石膏缓凝剂后分若干次加入该干料中进行人工拌和均匀；

2.3)、将拌和均匀的混合料铲入模型箱中，夯实至该分层设计的密实度，直至厚度达到墙体外描绘的该分层层面轮廓线，并根据设计要求放置相应的测试元件；

2.4)、在该分层的拌和料压实平整且尚未初凝前进行正交次级节理的切割，即采用2mm薄钢板垂直切割并带入聚氯乙烯薄膜；

2.5)、对该分层进行相应的层面凿毛处理，并铺撒一层薄石英砂；

2.6)、重复步骤2.1)～2.5)，直到边坡模体达到设计的高度；

3)、将建造出的所述边坡模体在该模型箱内静置1～2天；

4)、利用振动台安装带有该边坡模体的模型箱，并加载相应的地震波形。

2.根据权利要求1中所述的适用于岩、土边坡的振动台试验方法，其特征在于，在步骤1)中，还包括如下分步骤：

1.1)、根据边坡模体的设计尺寸及分层厚度在模型箱两边侧的墙体外描绘相应的各分层层面轮廓线；

1.2)、根据边坡模体的类型选择合适的柔性材料布置于模型箱内；

1.3)、根据边坡模体的分层层面倾角将模型箱旋转适宜的角度并加设支撑固定。

3.根据权利要求2中所述的适用于岩、土边坡的振动台试验方法，其特征在于，在步骤1.2)中，所述柔性材料为：在与水平振动方向垂直的方向上，模型箱的前、后侧内壁衬40mm聚苯乙烯塑料泡沫板或5mm橡胶膜，在顺沿水平振动的方向上，模型箱的两边侧内壁粘贴光滑的聚氯乙烯薄膜，聚氯乙烯薄膜与墙体相接触的表面涂有润滑油。

4.根据权利要求1中所述的适用于岩、土边坡的振动台试验方法，其特征在于，在步骤2.3)中，每次夯实碾压的拌和料厚度控制在5cm～10cm。

5.根据权利要求1中所述的适用于岩、土边坡的振动台试验方法，其特征在于，在步骤2.4)中，所述次级节理的切割间距等于该分层厚度，切割深度等于2/3该分层厚度。

6.根据权利要求1中所述的适用于岩、土边坡的振动台试验方法，其特征在于，所述底座靠近梯形框架后侧的一端设有与底座的底平面倾斜布置的三段连续斜面，三段连续斜面的倾角由下至上依次为30°、45°、60°。

7.根据权利要求1中所述的适用于岩、土边坡的振动台试验方法，其特征在于，所述墙体为透明的钢化玻璃。

8.根据权利要求1中所述的适用于岩、土边坡的振动台试验方法，其特征在于，相邻的两个空心方管的接触面之间涂有润滑油。