CN108362857B - 一种用于地震作用下土体大变形流动测试的模型试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于地震作用下土体大变形流动测试的模型试验装置，该装置包括工作台、设置在工作台上的水平激振系统、设置在水平激振系统上的竖向激振系统、设置在竖向激振系统上的土体大变形流动系统以及数据采集系统。与现有技术相比，本发明能够经济方便地实现水平、竖直双向地震动同时作用下土体大变形流动演化规律的观测，同时实现了自动、实时、准确获取地震作用下土体大变形流动演化的定量化指标，为地震作用下土体大变形流动灾害的防灾减灾提供技术支持。

Description

一种用于地震作用下土体大变形流动测试的模型试验装置
技术领域
本发明属于土体大变形流动测试技术领域，涉及一种用于地震作用下土体大变形流动测试的模型试验装置。
背景技术
我国位于环太平洋地震带和欧亚地震带之间，地质构造复杂，地震活动频繁，是世界上大陆地震最多的国家。地震不仅会直接造成工程建(构)筑物的破坏，还会触发土体大变形流动灾害，如滑坡、崩塌、液化、泥石流等。现场调查表明，地震触发的土体大变形流动灾害运动形式以流动为主，表现出巨大的体积、极大的流动速度、超长的运动距离等一系列独特的流态化动力学特征，严重威胁人民群众的生命财产安全。因此，开展地震触发土体大变形流动的演化机理研究，具有明确的国家需求，对此类灾害的防灾减灾具有重要意义。
针对地震触发土体大变形流动的演化机理，国内外学者提出了多种理论模型，如：空气润滑模型、颗粒流模型及能量传递模型等。这些模型在一定程度上推动了此类研究的进展，但由于没有考虑地震动对土体大变形流动的影响，因而很难分析地震触发土体大变形流动灾害的超强动力特性。初步研究指出，多维地震动尤其是竖向地震动对于土体大变形流动会产生一种类似“蹦床效应”的影响，使大变形流动土体在运动过程中，通过与震动地面不断碰撞获得能量补充，同时与底面的间歇性脱离接触降低了能量消耗，从而极大增加了土体大变形流动的动力特性。然而，这些研究目前仅处于现象推理分析阶段，缺少定量性分析依据。因此，为揭示地震触发土体大变形流动的演化机理，亟待开展多维地震动对土体大变形流动的影响研究。
由于地震触发土体大变形流动灾害具有突发性高等特点，导致现场调查很难观测到其运动过程，无法研究多维地震动对其运动的影响。数值模拟方法虽然能够研究多维地震动对土体大变形流动的影响规律，但其自身的准确性需要结合相应模型试验进行验证。模型试验基于严格的相似设计，可通过观测室内缩尺模型的流动演化规律，推测原型的真实运动情况。针对地震作用下土体大变形流动研究，大型振动台试验虽然能够较好地施加可控的多维地震动，但是其存在费用高、操作复杂、工作量大及耗时长等不足；而现有的小型振动台试验系统却仅能施加水平单向地震动，无法实现自动控制并准确获取定量化指标。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于地震作用下土体大变形流动测试的模型试验装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于地震作用下土体大变形流动测试的模型试验装置，该装置包括工作台、设置在工作台上的水平激振系统、设置在水平激振系统上的竖向激振系统、设置在竖向激振系统上的土体大变形流动系统以及数据采集系统。将滑坡土体置于土体大变形流动系统中，水平激振系统及竖向激振系统分别施加水平振动、竖向振动，同时数据采集系统自动获取地震作用下土体大变形流动演化的定量化指标。
进一步地，所述的水平激振系统包括沿水平方向设置在工作台上的X向导轨、移动设置在X向导轨上的下支架以及设置在工作台上并与下支架传动连接的下支架水平驱动机构。下支架水平驱动机构带动下支架沿X向导轨水平往复运动，以提供水平激振。
进一步地，所述的下支架水平驱动机构包括分别设置在工作台上的X向驱动电机、减速器及曲柄传动组件，所述的X向驱动电机依次通过减速器、曲柄传动组件与下支架传动连接。
进一步地，所述的曲柄传动组件包括设置在工作台上的曲柄支架、转动设置在曲柄支架上的曲柄、设置在下支架上的连接块以及设置在曲柄与连接块之间的X向连杆，所述的曲柄与减速器之间设有皮带，并通过皮带与减速器传动连接。X向连杆的一端与曲柄相连，另一端与连接块相连，曲柄的转动通过X向连杆带动连接块及下支架沿X向导轨水平往复运动。
作为优选的技术方案，所述的曲柄上沿径向设有多个曲柄安装孔，所述的X向连杆的一端通过曲柄安装孔与曲柄相连。通过选择不同的曲柄安装孔，使X向连杆一端的转动半径可调节，进而实现不同幅值水平荷载的施加。
进一步地，所述的下支架包括下支架承物板、设置在下支架承物板上的移动轮安装架以及设置在移动轮安装架上并与X向导轨相适配的移动轮，所述的竖向激振系统设置在下支架承物板上，并与下支架承物板弹性连接。下支架承物板通过移动轮移动设置在X向导轨上。
进一步地，所述的竖向激振系统包括设置在下支架承物板上方的上支架以及设置在下支架承物板上并与上支架传动连接的上支架竖向驱动机构，所述的上支架与下支架承物板弹性连接。上支架竖向驱动机构带动上支架沿竖直方向往复运动。
进一步地，所述的上支架包括上支架承物板以及沿竖直方向设置在上支架承物板底部的导向柱，所述的下支架承物板上设有与导向柱相适配的导向套，所述的导向套内沿竖直方向设有支撑弹簧，所述的上支架通过支撑弹簧与下支架承物板弹性连接。当上支架沿竖直方向往复运动时，通过导向柱与导向套的配合，对上支架的运动进行导向。
进一步地，所述的上支架竖向驱动机构包括设置在下支架承物板上的Y向驱动电机、套设在Y向驱动电机的输出轴上的转盘以及设置在转盘与上支架之间的Y向连杆，所述的Y向驱动电机依次通过转盘、Y向连杆与上支架传动连接。Y向连杆的一端与转盘相连，另一端与上支架相连，转盘的转动通过Y向连杆带动上支架沿竖向往复运动。
作为优选的技术方案，所述的转盘上沿径向设有多个转盘安装孔，所述的Y向连杆的一端通过转盘安装孔与转盘相连。通过选择不同的转盘安装孔，使Y向连杆一端的转动半径可调节，进而实现不同振幅竖向荷载的施加。
进一步地，所述的土体大变形流动系统包括设置在上支架上的模型箱、设置在上支架上并与模型箱的一端相连的倾角调节螺杆、设置在模型箱内并与模型箱的内壁相适配的挡板以及与挡板的顶部传动连接的步进电机。倾角调节螺杆能够调节模型箱的倾斜角度。将滑坡土体装载在模型箱内，并位于挡板的一侧，当测试时，通过步进电机使挡板打开，滑坡土体在双向地震作用下开始大变形流动。
进一步地，所述的数据采集系统包括设置在上支架上的X向加速度传感器及Y向加速度传感器、分别与X向加速度传感器及Y向加速度传感器电连接的动态数据采集仪、与土体大变形流动系统相适配的摄像机以及分别与动态数据采集仪及摄像机电连接的计算机。X向加速度传感器及Y向加速度传感器分别采集水平及竖向加速度数据，并反馈至动态数据采集仪中。摄像机能够准确捕捉不同时刻土体大变形流动的构型、位移、速度等定量化流态化运动指标。
作为优选的技术方案，所述的摄像机为高速摄像机。高速摄像机设置在模型箱正前方，并通过数据传输线与计算机相连。
作为优选的技术方案，所述的模型箱为透明模型箱。
本发明的工作流程为：
1)将模型箱平放，挡板关闭，将滑坡土体均匀装入模型箱中，并使滑坡土体位于挡板一侧；
2)通过倾角调节螺杆调节模型箱的倾角，以达到试验要求；
3)按试验要求，选择对应的曲柄安装孔及转盘安装孔，调节水平荷载与竖向荷载的幅值大小；
4)打开计算机、摄像机、动态数据采集仪，并将X向加速度传感器及Y向加速度传感器置零；
5)启动X向驱动电机及Y向驱动电机，根据X向加速度传感器及Y向加速度传感器采集的水平及竖向加速度时程曲线，判断水平激振系统及竖向激振系统是否进入稳定工作状态；
6)待水平激振系统及竖向激振系统进入稳定工作状态后，利用步进电机自动打开挡板，滑坡土体在双向地震作用下开始大变形流动；
7)通过摄像机准确捕捉不同时刻土体大变形流动的构型、位移、速度等定量化流态化运动指标；
8)土体停止流动后，关闭X向驱动电机及Y向驱动电机，保存动态数据采集仪及摄像机等采集的试验数据，试验过程结束。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)能够经济方便地实现水平、竖直双向地震动同时作用下土体大变形流动演化规律的观测，同时实现了自动、实时、准确获取地震作用下土体大变形流动演化的定量化指标，为地震作用下土体大变形流动灾害的防灾减灾提供技术支持；
2)通过设置水平激振系统、竖向激振系统这两套激振系统，产生稳定可控的振动荷载，经济有效地实现了双向激振；通过设置基于步进电机自动控制的挡板及数据采集系统，实现了试验全程自动化；结合一系列传感器、动态数据采集仪及高速摄像机等设备，实现了实时准确获取地震作用下土体大变形流动演化的定量化指标，包括构型、位移、速度、加速度及堆积厚度等。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图中标记说明：
1—X向驱动电机、2—减速器、3—曲柄传动组件、301—曲柄支架、302—曲柄、303—X向连杆、304—皮带、4—X向导轨、5—下支架、501—下支架承物板、502—移动轮、503—导向套、6—上支架、601—上支架承物板、602—导向柱、7—支撑弹簧、8—Y向驱动电机、9—转盘、10—Y向连杆、11—模型箱、12—挡板、13—步进电机、14—倾角调节螺杆、15—X向加速度传感器、16—Y向加速度传感器、17—滑坡土体、18—动态数据采集仪、19—摄像机、20—数据传输线、21—计算机、22—工作台。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例：
如图1所示的一种用于地震作用下土体大变形流动测试的模型试验装置，该装置包括工作台22、设置在工作台22上的水平激振系统、设置在水平激振系统上的竖向激振系统、设置在竖向激振系统上的土体大变形流动系统以及数据采集系统。
其中，水平激振系统包括沿水平方向设置在工作台22上的X向导轨4、移动设置在X向导轨4上的下支架5以及设置在工作台22上并与下支架5传动连接的下支架水平驱动机构。下支架水平驱动机构包括分别设置在工作台22上的X向驱动电机1、减速器2及曲柄传动组件3，X向驱动电机1依次通过减速器2、曲柄传动组件3与下支架5传动连接。曲柄传动组件3包括设置在工作台22上的曲柄支架301、转动设置在曲柄支架301上的曲柄302、设置在下支架5上的连接块以及设置在曲柄302与连接块之间的X向连杆303，曲柄302与减速器2之间设有皮带304，并通过皮带304与减速器2传动连接。下支架5包括下支架承物板501、设置在下支架承物板501上的移动轮安装架以及设置在移动轮安装架上并与X向导轨4相适配的移动轮502，竖向激振系统设置在下支架承物板501上，并与下支架承物板501弹性连接。
竖向激振系统包括设置在下支架承物板501上方的上支架6以及设置在下支架承物板501上并与上支架6传动连接的上支架竖向驱动机构，上支架6与下支架承物板501弹性连接。上支架6包括上支架承物板601以及沿竖直方向设置在上支架承物板601底部的导向柱602，下支架承物板501上设有与导向柱602相适配的导向套503，导向套503内沿竖直方向设有支撑弹簧7，上支架6通过支撑弹簧7与下支架承物板501弹性连接。上支架竖向驱动机构包括设置在下支架承物板501上的Y向驱动电机8、套设在Y向驱动电机8的输出轴上的转盘9以及设置在转盘9与上支架6之间的Y向连杆10，Y向驱动电机8依次通过转盘9、Y向连杆10与上支架6传动连接。
土体大变形流动系统包括设置在上支架6上的模型箱11、设置在上支架6上并与模型箱11的一端相连的倾角调节螺杆14、设置在模型箱11内并与模型箱11的内壁相适配的挡板12以及与挡板12的顶部传动连接的步进电机13。
数据采集系统包括设置在上支架6上的X向加速度传感器15及Y向加速度传感器16、分别与X向加速度传感器15及Y向加速度传感器16电连接的动态数据采集仪18、与土体大变形流动系统相适配的摄像机19以及分别与动态数据采集仪18及摄像机19电连接的计算机21。通过数据传输线20实现相应部件之间的电连接。
在实际应用时，工作流程如下：
1)将模型箱11平放，挡板12关闭，将滑坡土体17均匀装入模型箱11中，并使滑坡土体17位于挡板12一侧；
2)通过倾角调节螺杆14调节模型箱11的倾角，以达到试验要求；
3)按试验要求，选择对应的曲柄安装孔及转盘安装孔，调节水平荷载与竖向荷载的幅值大小；
4)打开计算机21、摄像机19、动态数据采集仪18，并将X向加速度传感器15及Y向加速度传感器16置零；
5)启动X向驱动电机1及Y向驱动电机8，根据X向加速度传感器15及Y向加速度传感器16采集的水平及竖向加速度时程曲线，判断水平激振系统及竖向激振系统是否进入稳定工作状态；
6)待水平激振系统及竖向激振系统进入稳定工作状态后，利用步进电机13自动打开挡板12，滑坡土体17在双向地震作用下开始大变形流动；
7)通过摄像机19准确捕捉不同时刻土体大变形流动的构型、位移、速度等定量化流态化运动指标；
8)土体停止流动后，关闭X向驱动电机1及Y向驱动电机8，保存动态数据采集仪18及摄像机19等采集的试验数据，试验过程结束。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于地震作用下土体大变形流动测试的模型试验装置，其特征在于，该装置包括工作台(22)、设置在工作台(22)上的水平激振系统、设置在水平激振系统上的竖向激振系统、设置在竖向激振系统上的土体大变形流动系统以及数据采集系统；
所述的水平激振系统包括沿水平方向设置在工作台(22)上的X向导轨(4)、移动设置在X向导轨(4)上的下支架(5)以及设置在工作台(22)上并与下支架(5)传动连接的下支架水平驱动机构；
所述的下支架(5)包括下支架承物板(501)、设置在下支架承物板(501)上的移动轮安装架以及设置在移动轮安装架上并与X向导轨(4)相适配的移动轮(502)，所述的竖向激振系统设置在下支架承物板(501)上，并与下支架承物板(501)弹性连接；
所述的竖向激振系统包括设置在下支架承物板(501)上方的上支架(6)以及设置在下支架承物板(501)上并与上支架(6)传动连接的上支架竖向驱动机构，所述的上支架(6)与下支架承物板(501)弹性连接；
所述的上支架(6)包括上支架承物板(601)以及沿竖直方向设置在上支架承物板(601)底部的导向柱(602)，所述的下支架承物板(501)上设有与导向柱(602)相适配的导向套(503)，所述的导向套(503)内沿竖直方向设有支撑弹簧(7)，所述的上支架(6)通过支撑弹簧(7)与下支架承物板(501)弹性连接；
所述的上支架竖向驱动机构包括设置在下支架承物板(501)上的Y向驱动电机(8)、套设在Y向驱动电机(8)的输出轴上的转盘(9)以及设置在转盘(9)与上支架(6)之间的Y向连杆(10)，所述的Y向驱动电机(8)依次通过转盘(9)、Y向连杆(10)与上支架(6)传动连接；
所述的Y向连杆(10)的一端与转盘(9)相连，另一端与上支架(6)相连，转盘(9)的转动通过Y向连杆(10)带动上支架(6)沿竖向往复运动；
通过设置水平激振系统、竖向激振系统这两套激振系统，产生稳定可控的振动荷载，实现双向激振；
所述的下支架水平驱动机构包括分别设置在工作台(22)上的X向驱动电机(1)、减速器(2)及曲柄传动组件(3)，所述的X向驱动电机(1)依次通过减速器(2)、曲柄传动组件(3)与下支架(5)传动连接；
所述的土体大变形流动系统包括设置在上支架(6)上的模型箱(11)、设置在上支架(6)上并与模型箱(11)的一端相连的倾角调节螺杆(14)、设置在模型箱(11)内并与模型箱(11)的内壁相适配的挡板(12)以及与挡板(12)的顶部传动连接的步进电机(13)；
所述的数据采集系统包括设置在上支架(6)上的X向加速度传感器(15)及Y向加速度传感器(16)、分别与X向加速度传感器(15)及Y向加速度传感器(16)电连接的动态数据采集仪(18)、与土体大变形流动系统相适配的摄像机(19)以及分别与动态数据采集仪(18)及摄像机(19)电连接的计算机(21)。
2.根据权利要求1所述的一种用于地震作用下土体大变形流动测试的模型试验装置，其特征在于，所述的曲柄传动组件(3)包括设置在工作台(22)上的曲柄支架(301)、转动设置在曲柄支架(301)上的曲柄(302)、设置在下支架(5)上的连接块以及设置在曲柄(302)与连接块之间的X向连杆(303)，所述的曲柄(302)与减速器(2)之间设有皮带(304)，并通过皮带(304)与减速器(2)传动连接。
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