CN107219049B - 一种考虑土体应力的水平地震剪切波模拟装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑土体应力的水平地震剪切波模拟装置及实验方法，其中装置包括：基座系统、水平剪切模拟系统和竖向加载系统；所述水平剪切模拟系统放置于基座系统之上，并一起放置于竖向加载系统构成的回字形加载框内；所述水平剪切模拟系统包括若干相互牵引的U形剪切框，所述U形剪切框沿着剪切波的传递方向依次紧密排列，所述U形剪切框组合构成的空间内放置模型土体；所述竖向加载系统将竖向荷载均匀施加于所述模型土体；所述U形剪切框在水平剪切模拟系统产生的推力作用下沿水平方向做蛇形运动，模拟水平剪切波。本发明的装置和方法可用于模拟地震剪切波作用下土体及地下结构物破坏的模型实验研究。

Description

一种考虑土体应力的水平地震剪切波模拟装置及实验方法

技术领域

本发明涉及土工模型实验技术，具体是指一种考虑土体应力的水平地震剪切波模拟装置及实验方法，用于模拟水平地震剪切波对土体或地下结构物破坏。

背景技术

在土工抗震领域，水平地震剪切波引起土体及地下结构物破坏是重要的研究课题。特别是针对隧道这类长线形地下结构物的失效破坏机理，缺乏有效的物理模拟实验方法和实验设备。而灾后现场的调查又难以全面掌握地质条件信息以及地下结构物的边界条件，更难以在地震来临之前预埋传感器进行关键参数的监测。当针对该问题展开缩尺模型试验研究时，如何充分考虑土体应力水平对其动力特性响应成为问题研究的关键。因此，如何在缩尺模型实验中实现地震剪切波引起土体及地下结构物破坏的有效模拟，并充分考虑土体应力水平对动力特性响应的影响，成为相关土工抗震研究的技术重点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种考虑土体应力的水平地震剪切波模拟装置及实验方法，能实现土体应力水平的模拟，并能够模拟地震剪切波对土体或地下结构物剪切破坏，充分考虑土体动力响应的应力水平相关特性，且原理明确、构筑简单，实验操作易于实现。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种考虑土体应力的水平地震剪切波模拟装置，包括基座系统、水平剪切模拟系统和竖向加载系统；所述水平剪切模拟系统放置于基座系统之上，并一起放置于竖向加载系统构成的回字形加载框内；所述基座系统包括底部滚珠组件、侧墙和锯齿状底座；所述水平剪切模拟系统包括U形剪切框、顶部带槽加载杆件和激发油缸；所述竖向加载系统包括顶部工字反力梁、锚杆、底部工字反力梁、竖向油缸、顶部锯齿状加载板和顶部滚珠组件；

若干所述U形剪切框依次紧密排列，共同组合构成的空间内用于放置模型土体；所述激发油缸推动始端U形剪切框沿剪切波振动方向做水平往复运动，并通过销和槽之间的相互牵引带动相邻U形剪切框，引起U形剪切框在水平方向做蛇形运动，模拟水平剪切波；所述U形剪切框下方设置有底部带槽杆，所述底部滚珠组件位于所述底部带槽杆和锯齿状底座之间；所述顶部带槽加载杆件可拆装地放置于U形剪切框上方；所述侧墙沿剪切波传递方向固定于锯齿状底座两侧；所述顶部工字反力梁、锚杆和底部工字反力梁共同构成反力系统，所述顶部工字反力梁、竖向油缸、顶部锯齿状加载板、顶部滚珠组件和顶部带槽加载杆件由上至下依次架设，用于将竖向荷载传递至U形剪切框内的模型土体；所述顶部工字反力梁与所述竖向油缸连接用于固定竖向油缸并提供竖向反力；所述顶部工字反力梁与底部工字反力梁通过锚杆相连，构成回字型加载框；所述顶部锯齿状加载板与所述竖向油缸连接用于承载竖向油缸集中作用力；所述顶部滚珠组件位于顶部带槽加载杆件和顶部锯齿状加载板之间；所述底部工字反力梁设置于所述基座系统下方用于承受基座系统传递下来的竖向荷载。

优选的，所述U形剪切框由长500mm，高300mm，厚20mm的铝片构成，两侧设有三角形支撑杆，用于限制U形剪切框在高压力下的侧向变形。

优选的，中间U形剪切框的底部带槽杆两侧分别设有矩形凹槽和矩形凸起插销；始端U形剪切框的底部带槽杆一侧设置矩形凸起插销另一侧不设置矩形凹槽并通过连接装置与激发油缸连接，末端U形剪切框的底部带槽杆一侧设置矩形凹槽另一侧不设置矩形凸起插销；所述矩形凹槽尺寸比矩形凸起插销尺寸大。

优选的，始端U形剪切框和末端U形剪切框外侧都通过金属板封闭。

优选的，所述锯齿状底座下部平整上部带锯齿形槽，用于限定底部滚珠组件的滚动方向；所述底部带槽杆上部平整下部带V形槽，所述底部滚珠组件位于所述底部带槽杆的V形槽和锯齿状底座的锯齿形槽之间，用于确保U形剪切框和锯齿状底座之间的相对移动，并减小水平相对移动时受到的摩擦力；在U形剪切框受激发油缸带动下进行蛇形运动的过程中，所述锯齿状底座静止不动。

优选的，所述顶部带槽加载杆件下部平整上部带V形槽，用于将竖向荷载均匀施加于U形剪切框内模型土体；所述顶部锯齿状加载板上部平整下部带锯齿形槽，用于承载竖向油缸集中作用力，并把力均匀传递到每个U形剪切框内的土体，限制了下方剪切框只能在水平方向进行移动；所述顶部滚珠组件位于所述顶部带槽加载杆件的V形槽和顶部锯齿状加载板的锯齿形槽之间，用于确保U形剪切框和顶部锯齿状加载板之间的相对移动，并减小水平相对移动时受到的摩擦力；在U形剪切框受激发油缸带动下进行蛇形运动的过程中，所述顶部锯齿状加载板静止不动。

优选的，所述的侧墙由长1640mm，高330mm，厚50mm的铝板组成，沿剪切波传递方向固定于锯齿状底座两侧，对整个剪切框组合起到纵向的约束作用。两个侧墙之间的相对距离可以调节，进而调节相邻U形剪切框之间的间隙。

优选的，两相邻U形剪切框的接触面采用光滑材料，用以减小相邻剪切框之间的摩擦。

优选的，所述顶部带槽加载杆件与U形剪切框接触面采用光滑材料，用以确保顶部带槽加载杆件在U形剪切框内无摩擦的上下自由移动。

优选的，所述的激发油缸活塞可进行水平往复运动，可输入地震波等波形；所述激发油缸的活塞与始端U形剪切框相接，且激发油缸施加力的方向与U形剪切框长度方向平行。

优选的，所述U形剪切框的底部带槽杆上可替换不同尺寸的矩形凸起插销，用于调整相邻矩形凸起插销和矩形凹槽之间的相对位移量，进而调整两相邻U形剪切框之间的相对位移量。

优选的，所述的底部锯齿状底座由长1460mm，宽1400mm，最厚处达20mm，最薄处10mm的锯齿形高强铝板组成。

优选的，所述的顶部锯齿状加载板由长1460mm，宽460mm，最厚处达20mm，最薄处10mm的锯齿形高强铝板组成。

优选的，所述的顶部和底部工字反力梁由高强锰钢构件焊接而成，由锚杆连接，构成“回”字型加载框，在顶部工字反力梁下安装两台竖向油缸。

一种考虑土体应力的水平地震剪切波的实验方法，基于所述的考虑土体应力的水平地震剪切波模拟装置，步骤包括：

布置基座系统及底部滚珠组件，固定所有U形剪切框，与基座系统保持相对静止；

在U形剪切框构成的空间内放置一顶部开口橡胶袋，橡胶袋采用具有弹性的橡胶薄模制备，对U形剪切框和橡胶袋之间进行抽真空，使橡胶袋与U形剪切框紧密贴合；

在橡胶袋内分层压制模型土体或放置地下结构物模型；

模型土体顶面依次摆放一系列顶部带槽加载杆件，加载杆须布满整体模型土体顶面；

依次布置顶部滚珠组件和顶部锯齿状加载板，驱动竖向油缸，对模型土体施加预定的竖向荷载；

取消所有U型剪切框的水平位移约束；

驱动激发油缸，设定目标波形信号，带动所有U形剪切框进行地震剪切波模拟；

完成实验，对模型土体或地下结构物模型破坏进行观测。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种考虑土体应力的水平地震剪切波模拟装置及实验方法不局限于实施例。

附图说明

图1为本发明所述的装置的示意图；

图2为本发明所述的装置的侧面剖面图；

图3为本发明所述的U形剪切框示意图；

图4为图3所示的U形剪切框中的两端侧U形剪切框示意图；

图5为图3所示的相邻U形剪切框之间“销-槽”连接的局部示意图；

图6为本发明所述的装置的滚珠组件布置剖面图，其中a为锯齿状底座与U型剪切框之间的底部滚珠组件布置，b为锯齿状加载板与顶部带槽加载杆之间的顶部滚珠组件布置。

附图标记：1、基座系统，2、水平剪切模拟系统，3、竖向加载系统，11、底部滚珠组件，12、锯齿状底座，13、侧墙，21、始端U形剪切框，22、中间U形剪切框，221、三角形支撑杆，222、底部带槽杆，223、金属板，224、矩形凸起插销，225、矩形凹槽，23、顶部带槽加载杆件，24、激发油缸，25、末端U形剪切框，31、顶部工字反力梁，32、锚杆，33、竖向油缸，34、顶部锯齿状加载板，35、顶部滚珠组件，36、底部工字反力梁。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行进一步描述。

本发明所要解决的技术问题在于，区别于传统只能模拟竖向地震剪切波对土体破坏模拟装置，本发明可提供一种考虑土体应力的水平地震剪切波模拟装置，可以模拟水平地震剪切波对土体剪切破坏。

参见图1至图6所示，一种考虑土体应力的水平地震剪切波模拟装置，包括基座系统1、水平剪切模拟系统2和竖向加载系统3。所述水平剪切模拟系统2由若干U形剪切框沿着剪切波的传递方向依次紧密排列，组合构成的空间内放置模型土体；所述水平剪切模拟系统2放置于基座系统1之上，并一起放置于竖向加载系统3构成的“回”字形加载框内。

具体的，所述基座系统1包括底部滚珠组件11、锯齿状底座12和侧墙13。所述锯齿状底座12下部平整上部带锯齿形槽，固定于底板上，锯齿状V形槽内整齐摆放所述底部滚珠组件11，限定底部滚珠组件11的滚动方向；所述底部滚珠组件11位于U形剪切框的底部带槽杆222和锯齿状底座12之间，以减小水平相对移动时受到的摩擦力；侧墙13沿剪切波传递方向固定于锯齿状底座12两侧，两个侧墙13之间的相对距离可以调节，进而调节相邻U形剪切框之间的间隙。

具体的，水平剪切模拟系统2包括U形剪切框、顶部带槽加载杆件23和激发油缸24。所述U形剪切框两侧设有三角形支撑杆221，用于限制U形剪切框在高压力下的侧向变形；U形剪切框顶部设有可拆装的顶部带槽加载杆23，顶部带槽加载杆23下部平整上部带V形槽，用于将竖向荷载均匀施加于U形剪切框内模型土体，为确保顶部带槽加载杆件23在U形剪切框内无摩擦的上下自由移动，两者接触面采用光滑材料；所述U形剪切框按排列位置分为始端U形剪切框21、中间U形剪切框22和末端U形剪切框25，其中，中间U形剪切框22有多个。所述中间U形剪切框22的底部带槽杆222两侧分别设有矩形凹槽225和矩形凸起插销224；始端U形剪切框21的底部带槽杆222一侧设置矩形凸起插销224另一侧不设置矩形凹槽225并通过连接装置与激发油缸24连接，末端U形剪切框25的底部带槽杆222一侧设置矩形凹槽225另一侧不设置矩形凸起插销224；所述矩形凹槽225尺寸比矩形凸起插销224尺寸大；始端U形剪切框21和末端U形剪切框25通过金属板223封闭；激发油缸24可进行水平往复运动，活塞与始端U形剪切框21相接，激发油缸24施加力的方向与始端U形剪切框21长度方向平行；两相邻U形剪切框的接触面采用光滑材料，用以减小相邻剪切框之间的摩擦，底部带槽杆222上可替换不同尺寸的矩形凸起插销224，用于调整相邻矩形凸起插销224和矩形凹槽225之间的相对位移量容许值，进而调整两相邻U形剪切框之间的相对位移量容许值。

具体的，所述竖向加载系统包括顶部工字反力梁31、锚杆32、竖向油缸33、顶部锯齿状加载板34、顶部滚珠组件35和底部工字反力梁36。所述顶部工字反力梁31、竖向油缸33、顶部锯齿状加载板34、顶部滚珠组件35和顶部带槽加载杆23由上至下依次架设，用于将荷载从上至下传递至模型土体；顶部工字反力梁31用于固定竖向油缸33并提供竖向反力；锚杆32用于连接顶部工字反力梁31和底部工字反力梁36，构成“回”字型加载框；竖向油缸33用于对U形剪切框内土体施加竖向荷载；顶部锯齿状加载板34上部平整下部带锯齿形槽，用于承载竖向油缸33集中作用力，并把力均匀传递到每个U形剪切框内的土体；顶部滚珠组件35位于顶部带槽加载杆件23和顶部锯齿状加载板34之间，以减小水平相对移动时受到的摩擦力；底部工字反力梁36用于承受基座系统传递下来的竖向荷载。

本发明解决上述技术问题的实验方法如下：

1、布置基座系统及底部滚珠组件，固定所有U形剪切框，与基座系统保持相对静止；

2、在U形剪切框构成的空间内放置一顶部开口橡胶袋，橡胶袋采用具有弹性的橡胶薄模制备，对U形剪切框和橡胶袋之间进行抽真空，使橡胶袋与U形剪切框紧密贴合；

3、在橡胶袋内分层压制模型土体或放置地下结构物模型；

4、模型土体顶面依次摆放一系列顶部带槽加载杆，加载杆布满整个模型土体顶面；

5、依次布置顶部滚珠组件和顶部锯齿状加载板，驱动竖向油缸，对模型土体施加预定的竖向荷载；

6、取消所有U型剪切框的水平位移约束；

7、驱动激发油缸，设定目标波形信号，带动所有U形剪切框进行地震剪切波模拟；

8、完成实验，对模型土体或地下结构物模型破坏进行观测。

上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (12)

1.一种考虑土体应力的水平地震剪切波模拟装置，其特征在于，包括基座系统、水平剪切模拟系统和竖向加载系统；所述水平剪切模拟系统放置于基座系统之上，并一起放置于竖向加载系统构成的回字形加载框内；所述基座系统包括底部滚珠组件、侧墙和锯齿状底座；所述水平剪切模拟系统包括U形剪切框、顶部带槽加载杆件和激发油缸，若干所述U形剪切框依次紧密排列，共同组合构成的空间内用于放置模型土体；所述竖向加载系统包括顶部工字反力梁、锚杆、底部工字反力梁、竖向油缸、顶部锯齿状加载板和顶部滚珠组件；

所述激发油缸推动始端U形剪切框沿剪切波振动方向做水平往复运动，并通过销和槽之间的相互牵引带动相邻U形剪切框，引起U形剪切框在水平方向做蛇形运动，模拟水平剪切波；所述U形剪切框下方设置有底部带槽杆，所述底部滚珠组件位于所述底部带槽杆和锯齿状底座之间；所述顶部带槽加载杆件可拆装地放置于U形剪切框上方；所述侧墙沿剪切波传递方向固定于锯齿状底座两侧；所述顶部工字反力梁、竖向油缸、顶部锯齿状加载板、顶部滚珠组件和顶部带槽加载杆件由上至下依次架设；所述顶部工字反力梁与所述竖向油缸连接用于固定竖向油缸并提供竖向反力；所述顶部工字反力梁与底部工字反力梁通过锚杆相连，构成回字型加载框；所述顶部锯齿状加载板与所述竖向油缸连接用于承载竖向油缸集中作用力；所述顶部滚珠组件位于顶部带槽加载杆件和顶部锯齿状加载板之间；所述底部工字反力梁设置于所述基座系统下方用于承受基座系统传递下来的竖向荷载。

2.根据权利要求1所述的考虑土体应力的水平地震剪切波模拟装置，其特征在于：所述U形剪切框两侧设有三角形支撑杆。

3.根据权利要求1所述的考虑土体应力的水平地震剪切波模拟装置，其特征在于，中间U形剪切框的底部带槽杆两侧分别设有矩形凹槽和矩形凸起插销；始端U形剪切框的底部带槽杆一侧设置矩形凸起插销另一侧不设置矩形凹槽并通过连接装置与激发油缸连接，末端U形剪切框的底部带槽杆一侧设置矩形凹槽另一侧不设置矩形凸起插销；所述矩形凹槽尺寸比矩形凸起插销尺寸大。

4.根据权利要求1所述的考虑土体应力的水平地震剪切波模拟装置，其特征在于，始端U形剪切框和末端U形剪切框外侧都通过金属板封闭。

5.根据权利要求1所述的考虑土体应力的水平地震剪切波模拟装置，其特征在于：所述锯齿状底座下部平整上部带锯齿形槽，所述底部带槽杆上部平整下部带V形槽，所述底部滚珠组件位于所述底部带槽杆的V形槽和锯齿状底座的锯齿形槽之间。

6.根据权利要求1所述的考虑土体应力的水平地震剪切波模拟装置，其特征在于：所述顶部带槽加载杆件下部平整上部带V形槽，所述顶部锯齿状加载板上部平整下部带锯齿形槽，所述顶部滚珠组件位于所述顶部带槽加载杆件的V形槽和顶部锯齿状加载板的锯齿形槽之间。

7.根据权利要求1所述的考虑土体应力的水平地震剪切波模拟装置，其特征在于：两个侧墙之间的相对距离可以调节，进而调节相邻U形剪切框之间的间隙。

8.根据权利要求1所述的考虑土体应力的水平地震剪切波模拟装置，其特征在于：两相邻U形剪切框的接触面采用光滑材料。

9.根据权利要求1所述的考虑土体应力的水平地震剪切波模拟装置，其特征在于：所述顶部带槽加载杆件与U形剪切框接触面采用光滑材料。

10.根据权利要求1所述的考虑土体应力的水平地震剪切波模拟装置，其特征在于：所述激发油缸的活塞与始端U形剪切框相接，且激发油缸施加力的方向与U形剪切框长度方向平行。

11.根据权利要求2所述的考虑土体应力的水平地震剪切波模拟装置，其特征在于：所述U形剪切框的底部带槽杆上可替换不同尺寸的矩形凸起插销，用于调整相邻矩形凸起插销和矩形凹槽之间的相对位移量，进而调整两相邻U形剪切框之间的相对位移量。

12.一种考虑土体应力的水平地震剪切波的实验方法，基于权利要求1至10中任一项权利要求所述的考虑土体应力的水平地震剪切波模拟装置，其特征在于，步骤包括：

布置基座系统及底部滚珠组件，固定所有U形剪切框，与基座系统保持相对静止；

在U形剪切框构成的空间内放置一顶部开口橡胶袋，橡胶袋采用具有弹性的橡胶薄模制备，对U形剪切框和橡胶袋之间进行抽真空，使橡胶袋与U形剪切框紧密贴合；

在橡胶袋内分层压制模型土体或放置地下结构物模型；

模型土体顶面依次摆放一系列顶部带槽加载杆件，加载杆须布满整体模型土体顶面；

依次布置顶部滚珠组件和顶部锯齿状加载板，驱动竖向油缸，对模型土体施加预定的竖向荷载；

取消所有U型剪切框的水平位移约束；

驱动激发油缸，设定目标波形信号，带动所有U形剪切框进行地震剪切波模拟；

完成实验，对模型土体或地下结构物模型破坏进行观测。

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