CN108442307A - 一种层状剪切模型土箱及其箱内土层应变量测量方法 - Google Patents

Abstract

一种层状剪切模型土箱及模型土箱内土体应变量测量方法。模型土箱本体由层状框架叠合而成，相邻两框架间设有滑槽、滚轮及弓形钢片，另设有反力加载装置，用于模拟土体上覆荷载。箱内土体应变测量方法通过光纤测量装置实现，包括螺旋支架、光纤线和光纤测量仪。螺旋支架埋设在土体内部，其外表面黏贴光纤线形成光纤回路，光纤测量仪采集光纤应变数据。在试验过程中，层状剪切模型土箱不会限制土体沿振动方向上的运动，能够有效减少模型箱的边界效应。通过光纤测量装置获取土体内部的应变量，可在试验过程中对土体内部应变变化情况进行观测。

Description

一种层状剪切模型土箱及其箱内土层应变量测量方法

技术领域

本发明涉及一种用于模拟吹沙填海场地振动台试验的模型箱装置领域，尤其涉及一种可在振动中加载上覆荷载的层状剪切模型箱及可测量土体内部应变量的光纤测量方法。

背景技术

利用振动台试验模拟涉及半无限场地的地震响应时，用于盛装模型的模型箱的构造形式对试验结果的合理性有较大影响。

剪切变形模型箱相对于刚性模型箱和圆筒形柔性模型箱而言，对地基土半无限性的模拟效果更好，更能反映土层的变形特征。

在我国沿海的吹沙填海场地，经常需要对其吹填土层及下卧软土层进行抗震性能研究，其中包括对上覆荷载的模拟。现有的层状剪切箱难以满足在振动台试验中持续施加稳定上覆荷载的要求。

在试验过程中，土体内部的应变量是人们关心的问题，但一直缺乏有效的手段来进行测量。光纤是一种新兴的应变量测量技术，但其在土体中的测量仍存在有以下问题：

土体表面沉降和土体内部振动变形属于大变形现象，其变形量往往会超过光纤的量程；当淤泥土处于流塑状态时，光纤与土体之间会发生滑移而无法实现同步变形，难以准确测量。

发明内容

本申请要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种能够有效模拟吹沙填海地振动效应的层状剪切模型土箱及其模型土箱内土体应变量测量方法。

为解决上述技术问题，本申请采用的技术方案是：一种层状剪切模型土箱，包括底座、固定在底座上且能够模拟土体单向剪切变形的层状剪切模型土箱本体、能够在振动过程中施加上覆荷载的反力加载装置、用于测量土体内部应变量的光纤测量装置，具体结构和连接关系为：

所述层状剪切模型土箱本体为由层状框架叠合而成的矩形箱体，相邻两框架之间沿长边方向设置有滚轮和滑槽，沿短边方向设置有弓形钢片。

所述层状剪切模型土箱本体共21层，从上往下数，第21层固定在底座上。

所述反力加载装置包括放置在土体表面的反力钢板、顶部钢梁、拉结钢筋和千斤顶，反力加载装置主要由千斤顶提供压力，通过压力传感器和计算机控制实时荷载，在试验过程中通过拉钢筋将荷载传递至底座，并通过反力加载装置施加于土体上表面。

所述底座为一块矩形平面钢板，底座上开有螺孔，用于安装拉结钢筋，可以很方便地实现拉结钢筋的安装和拆卸；所述拉结钢筋位于底座和顶部钢梁之间，钢筋两头开有螺纹，利用配套的螺母与底座和顶部钢梁进行固定。所述顶部钢梁由方钢管和工字钢焊接而成，组成一个“丰”字型结构。所述千斤顶放置在顶部钢梁下方，顶部与滚轴相接触，底部固定在反力钢板上。所述反力钢板为一块矩形平面钢板，尺寸略小于层状框架，覆盖在土体上方。所述滚轴固定在顶部钢梁下方，由钢条内嵌滚轴制成，滚轴朝下与千斤顶顶面相接触。反力加载装置由千斤顶提供压力荷载，由压力传感器和计算机控制，并通过反力加载装置将荷载传递到土体上表面。

所述的光纤测量系统包括螺旋支架、光纤线和光纤测量仪，所述螺旋支架呈螺旋形埋设于土体中，光纤线固定在螺旋支架的外表面，用于测量螺旋支架外表面产生的拉伸应变量，光纤测量仪在模型土箱外采集光纤线的应变量数据。

所述螺旋支架由塑料制成，盘成螺旋形。螺旋支架外侧刻有V字型凹槽，用于粘贴光纤线。光纤线采用粘合剂紧贴于螺旋支架上，随螺旋支架同步变形。螺旋支架埋设于土体中，随土体同步变形。

所述位移传感器采用激光位移传感器或拉线式位移传感器。位移传感器布设在模型箱的顶面和侧面，分别测量顶面沉降和侧面位移。

光纤测量仪是一种利用布里渊光时域反射原理的一种新兴光纤传感监测技术，其原理为检测光纤中的背向自然布里渊散射信号。当光纤发生轴向拉伸应变量时，光纤中的背向布里渊散射光的频率将发生漂移(简称频移)，频移量与光纤应变量和温度呈良好的线性关系。根据可根据布里渊频移变化量求得光纤的应变量变化量。式中，ε为光纤线应变量；f₁为某应变量下的布里渊频移；f₀为某应变量下的布里渊频移；C为应变量比例常数。

所述层状剪切模型土箱内土层应变量测量方法，其特征在于，由如下步骤组成：

(1)进行光纤线封装，将固定匝数的螺旋支架按设定的螺旋角进行拉伸，此时的螺旋支架长度即为轴向初始长度。将光纤线均匀放入螺旋支架外表面刻的V型凹槽内，并用粘合剂将两者固定在一起，静置直至粘合剂完全硬化。

(2)进行螺旋支架埋设，当模型土箱内的土体填充至预定高度时，水平放入螺旋支架，螺旋支架的两头固定在箱体内侧壁，均匀覆盖土颗粒，当土面没过螺旋支架5cm时，对土体上表面进行击实，以控制该层土的干密度，在埋设螺旋支架时，螺旋支架的长度控制在轴向初始长度的70～90％，以保证光纤有一定的初始预伸长量。

(3)进行光纤测量，打开光纤测量仪并校准，连接待测量的光纤回路，在测量特点中选择振幅转移模式，设定相应参数和精度，采用重复测量模式进行连续测量，试验结束贮存测量结果，通过公式进行计算，

式中，ε为光纤线应变量，ω为螺旋支架轴向应变量，a₀为变形前螺旋升角，D为螺旋支架中径，d为螺旋支架簧杆直径，r为簧杆中性轴半径，对于圆截面簧杆，

(4)绘制螺旋支架轴向应变量变化曲线

由于螺旋支架与土体同步运动，螺旋支架的轴向应变量即为土体在试验过程中发生的应变量，通过公式可以计算出螺旋支架的轴向应变量，绘制出螺旋支架轴向应变量变化曲线。

本发明的有益效果在于：

1、在振动台试验中，由于滑轮的作用，层状剪切箱沿振动方向可以自由滑动，不会抑制土体在振动方向上的运动，可以有效模拟场地在地震作用下的响应情况。

2、沿层状剪切箱短边方向设置的弓形钢片，可以避免振动过程中箱体摆幅过大而发生危险，同时防止层状剪切箱发生垂直于振动方向的运动。

3、在振动台试验中，通过反力加载装置，千斤顶施加的荷载可以传递到土体上表面，模拟原型土体受到的上覆荷载。千斤顶由压力传感器和电脑控制，根据实际压力进行补偿和调整，在土体固结过程保持上覆荷载不变。

4、设置光纤测量系统能够克服土体大变形测量问题，且保证了土体和光纤紧密结合，可以实现在试验过程中实时测量模型内部应变量。

5、设置位移传感器能够获得模型土变形时的数据，也可以与光纤采集到的数据进行对比。

附图说明

图1是本发明所述的层状剪切模型土箱的结构示意图。

图2是本发明所述的层状剪切模型土箱的侧视图。

图3是本发明所述的层状剪切模型土箱的剖面图

图4是本发明所述的层状剪切模型土箱的螺旋支架结构示意图。

图5是本发明所述的层状剪切模型土箱的光纤黏贴示意图。

图6是本发明所述的层状剪切模型土箱的光纤及传感器布置图。

图7是本发明所述的校准试验示意图。

图8是本发明所述的校准试验的光纤线应变曲线图。

图9是本发明所述的校准试验的横向、竖向螺旋支架轴向应变-光纤线应变图。

图10是本发明所述的振动试验的螺旋支架埋设位置示意图。

图11是本发明所述的振动试验的横向螺旋支架不同位置处的时间-光纤线应变图。

图12是本发明所述的振动试验的竖向螺旋支架不同位置处的时间-光纤线应变图。

图13是本发明所述的振动试验的土体上表面的时间-沉降图。

图14是本发明所述的振动试验的竖向螺旋支架的时间-光纤线应变图。

图中标记为：底座钢梁1、底座2、滚轮3、滑槽4、层状框架5、弓形钢片6、拉结钢筋7、固定钢板8、反力钢板9、千斤顶10、滚轴11、顶部钢架12、橡胶膜13、螺旋支架14、 V型凹槽15、光纤线16、激光位移传感器17、加速度传感器18、横向螺旋支架19、竖向螺旋支架20。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

实施例1

本实施例为本发明所述的层状剪切模型土箱的形状、结构和连接关系的详细描述。

如图1至图6所示，本发明所述的层状剪切模型土箱，包括底座2、模型箱本体和反力加载装置。模型箱本体固定在底座2上，由层状框架5叠合而成。反力加载装置包括反力钢板9，顶部钢梁12、拉结钢筋7及千斤顶10，用于向模型箱内的土体施加荷载。

所述底座2下部焊接有底座钢梁1，以增加底座2的抗弯刚度。底座2通过螺栓固定在振动台上，与振动台同步振动。

所述模型箱主体的底部焊接固定在底座2上，用来模拟土体的剪切变形。模型箱主体相邻两层层状框架5之间均设置有滚轮3和滑槽4。一方面限制了层状框架5垂直于振动方向的运动；另一方面使得层状框架5相互之间可以沿振动方向相对滑动，减小模型的边界效应。

模型箱本体层数总数为21层，为防止振动时反力钢板9嵌入层状框架5间的孔隙，与土体表面接触的两层层状框架5利用固定钢板8固定在一起，防止振动时反力钢板9嵌入层状框架5之间的孔隙而发生破坏。

所述层状剪切箱箱内布置有一层橡胶膜13。橡胶膜13通过螺栓固定在箱内侧壁上，可以起到防水和减小模型的边界效应的作用。

所述拉结钢筋7布置在底座2上沿长边的两侧，其顶部和底部分别与顶部钢梁12和底座 2通过螺栓连接，起到传递荷载的作用。

所述千斤顶10作为加力设备设置在反力钢板9顶部，其顶部与滚轴9接触。根据试验需要，设置好千斤顶10的预设压力后，传感器和计算机会自动调整和补充油压，保持稳定的土体上覆压力。

所述反力钢板9，千斤顶10，顶部钢梁12，拉结钢筋7和底座2组成一个反力加载装置，能够有效地将千斤顶7的压力均匀地传递至土体，使土体在恒定压力下固结。

所述滚轴11设置在顶部钢梁10的下部，在试验时，千斤顶10可以沿着振动方向前后滑动，即使在振动试验过程中也能保持固定的上覆压力。

实施例2

本实施例为本发明所述的层状剪切模型土箱箱内土层应变量测量方法，由如下步骤组成：

(1)进行光纤线封装，将固定匝数的螺旋支架按设定的螺旋角进行拉伸，此时的螺旋支架长度即为轴向初始长度。将光纤线均匀放入螺旋支架外表面刻的V型凹槽内，并用粘合剂将两者固定在一起，静置直至粘合剂完全硬化。

(2)进行螺旋支架埋设，当模型土箱内的土体填充至预定高度时，水平放入螺旋支架，螺旋支架的两头固定在箱体内侧壁，均匀覆盖土颗粒，当土面没过螺旋支架5cm时，对土体上表面进行击实，以控制该层土的干密度，在埋设螺旋支架时，螺旋支架的长度控制在轴向初始长度的70～90％，以保证光纤有一定的初始预伸长量。

(3)进行光纤测量，打开光纤测量仪并校准，连接待测量的光纤回路，在测量特点中选择振幅转移模式，设定相应参数和精度，采用重复测量模式进行连续测量，试验结束贮存测量结果，通过公式进行计算，

式中，ε为光纤线应变量，ω为螺旋支架轴向应变量，a₀为变形前螺旋升角，D为螺旋支架中径，d为螺旋支架簧杆直径，r为簧杆中性轴半径，对于圆截面簧杆，

(4)绘制螺旋支架轴向应变量变化曲线

由于螺旋支架与土体同步运动，螺旋支架的轴向应变量即为土体在试验过程中发生的应变量，通过公式可以计算出螺旋支架的轴向应变量，绘制出螺旋支架轴向应变量变化曲线。

具体试验实例：

对制作好的螺旋支架分别进行了校准试验和振动台试验。共制备了两支螺旋支架，分别为横向螺旋支架、竖向螺旋支架，相关参数如表1所示。

表1 螺旋支架参数

在校准试验中，将固定匝数的螺旋支架按设定的螺旋角进行拉伸，此时的螺旋支架长度即为轴向初始长度。沿V型凹槽均匀放入光纤线，并用粘合剂将两者固定在一起，静置直至粘合剂完全硬化。将螺旋支架平放于桌面上，一端固定在桌子上，另一端固定在可水平移动的支座上，如图7所示。首先在轴向初始长度状态下进行一次测量，记为初始状态下的应变读数，然后水平移动支座，使螺旋支架从初始长度开始收缩，收缩量分别为初始长度的5％、 10％、15％、20％、25％、30％、35％，同时测量记录光纤线应变量。将各轴向应变下的应变读数与初始状态应变读数相减，即可获得在该轴向应变作用下螺旋支架的线应变曲线，如图 8所示。

取图8中各曲线的算式平均值绘制轴向应变-光纤线应变曲线，并将实测值与计算值相对比，如图9所示。可以看到实测值与计算值基本一致。

在振动台试验中，模型箱箱内填有厚度为1.2m的淤泥质土。将螺旋支架埋设入模型箱土体中，如图10所示，其中横向螺旋支架测量土体水平向应变，轴向长度为2.0m，两端固定在箱体内侧壁上；竖向螺旋支架测量土体竖直向应变，轴向长度为1.2m。对模型箱输入幅值为0.2g持时25秒的El地震波。

横向螺旋支架沿水平方向埋设，节取其不同位置处的光纤线应变绘制时间-光纤线应变图，如图11所示，可以观察到在振动过程中，土体应变在不同的位置呈现出不同的变化规律和幅值，其中10～20秒处应变变化较大，与地震波形峰值出现的时间相一致。竖向螺旋支架沿竖直方向埋设，也可以观察到类似的应变变化情况，如图12所示。证明该光纤测量方法可以测量到振动试验过程中不同位置处的土体应变变化情况。

沿竖直方向设置激光位移传感器，测量土体上表面在振动过程中所产生的沉降，如图13 所示，并与螺旋支架测到的数据进行对比。

从图14可以看出，竖向螺旋支架的光纤线应变随着振动过程而发生变化，最后趋向于稳定。光纤线的平均拉伸应变量从0.2205％增加到了0.2230％，根据公式换算出螺旋支架的轴向平均应变从80.497％减小到了80.275％，减小了0.222％，乘以螺旋支架的初始长度1500mm 得轴向变形量为3.33mm。而在图13中，激光位移传感器所测量到的土层表面的稳定沉降量为3.39mm。光纤测量值与实际测量值相接近，试验证明该测量方法所获得的结果是可信的。

工作原理及过程：

在振动台试验中，先将土体装填在层状剪切箱内，依次安装好反力钢板9、千斤顶10、拉结钢筋7和顶部钢板11，安装完毕后，通过千斤顶10对反力钢板9施加压力，通过反力加载装置传递至土体。

通过对千斤顶10加压荷载的控制，能够对土体施加有效上覆压力，进行模拟土体的应力状态。在试验过程中，层状剪切箱本体不会限制土体在振动方向上的运动，能有效模拟土体在地震动荷载作用下的响应情况。

在试验过程中，螺旋支架14会随着土体的变形而发生轴向伸缩，当螺旋支架14受压缩短时，其外表面受到拉伸应变量。可以通过黏贴在上面的光纤线16测得螺旋支架14外表面的应变量，通过公式可以计算出螺旋支架14的轴向应变量，即为土体的应变量。

Claims (6)

1.一种层状剪切模型土箱，其特征在于，包括底座、固定在底座上且能够模拟土体单向剪切变形的层状剪切模型土箱本体、能够在振动过程中施加上覆荷载的反力加载装置、光纤测量装置和位移传感器，具体结构和连接关系为：

所述层状剪切模型土箱本体为由层状框架叠合而成的矩形箱体，相邻两框架之间沿长边方向设置有滚轮和滑槽，沿短边方向设置有弓形钢片，

所述反力加载装置包括反力钢板、顶部钢梁、拉结钢筋和千斤顶，反力钢板为一块矩形平面钢板，尺寸略小于层状框架，布置在土体上表面，与千斤顶底部通过螺栓连接固定，顶部钢梁由工字钢和矩形管钢焊接而成，呈“丰”字形，与千斤顶顶部通过滚轴接触，并将千斤顶的荷载通过拉结钢筋传递到底座上，

所述的光纤测量系统包括螺旋支架、光纤线和光纤测量仪，所述螺旋支架呈螺旋形埋设于土体中，光纤线固定在螺旋支架的外表面，用于测量螺旋支架外表面产生的拉伸应变量，光纤测量仪布置在模型土箱外，用于采集光纤线的应变量数据，

所述位移传感器布设在模型箱的顶面。

2.根据权利要求1所述的层状剪切模型土箱，其特征在于，所述层状剪切模型土箱本体共21层，从上往下数，第21层固定在底座上。

3.根据权利要求1所述的层状剪切模型土箱，其特征在于，所述反力加载装置由千斤顶提供压力，通过压力传感器和计算机控制实时荷载，并通过反力加载装置施加于土体表面，实现在振动过程中保持上覆荷载不变。

4.根据权利要求1所述的层状剪切模型土箱，其特征在于，所述螺旋支架由塑料制成，盘成螺旋形。

5.根据权利要求1所述的层状剪切模型土箱，其特征在于，所述位移传感器采用激光位移传感器或拉线式位移传感器。

6.权利要求1所述层状剪切模型土箱内土层应变量测量方法，其特征在于，由如下步骤组成：

(1)进行光纤线封装，将固定匝数的螺旋支架按设定的螺旋角进行拉伸，此时的螺旋支架长度即为轴向初始长度，将光纤线均匀放入螺旋支架外表面刻的V型凹槽内，并用粘合剂将两者固定在一起，静置直至粘合剂完全硬化，

(2)进行螺旋支架埋设，当模型土箱内的土体填充至预定高度时，水平放入螺旋支架，螺旋支架的两头固定在箱体内侧壁，均匀覆盖土颗粒，当土面没过螺旋支架5cm时，对土体上表面进行击实，以控制该层土的干密度，在埋设螺旋支架时，螺旋支架的长度控制在轴向初始长度的70～90％，以保证光纤有一定的初始预伸长量，

(3)进行光纤测量，打开光纤测量仪并校准，连接待测量的光纤回路，在测量特点中选择振幅转移模式，设定相应参数和精度，采用重复测量模式进行连续测量，试验结束贮存测量结果，通过公式进行计算，

式中，ε为光纤线应变量，ω为螺旋支架轴向应变量，a₀为变形前螺旋升角，D为螺旋支架中径，d为螺旋支架簧杆直径，r为簧杆中性轴半径，对于圆截面簧杆，

(4)绘制螺旋支架轴向应变量变化曲线

由于螺旋支架与土体同步运动，螺旋支架的轴向应变量即为土体在试验过程中发生的应变量，通过公式可以计算出螺旋支架的轴向应变量，绘制出螺旋支架轴向应变量变化曲线。