CN108680730A - 一种地震荷载作用下地裂缝场地危害模拟装置及模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种地震荷载作用下地裂缝场地危害模拟装置及模拟方法:包括地震模拟振动台以及固定于其上的模型箱,模型箱内具有土样沉降平台,两个沉降平台交界位置与场地土样中的模拟地裂缝位置正对。本发明可以用于分析地裂缝活动与地震活动耦合荷载作用下地裂缝场地中的裂缝扩展、沉降变化、地裂缝场地上下盘的变形破坏区范围,以及上下盘的动力加速度特征和动土压力特征,为地裂缝场地在地震荷载作用下的工程防治措施提供科学依据,同时更准确地预测地震对地裂缝场地的危害。本发明结构简单,测量方便可靠,实用性强。

Description

一种地震荷载作用下地裂缝场地危害模拟装置及模拟方法
技术领域
[0001]本发明属于地质灾害分析领域,涉及一种地裂缝模拟实验平台,特别涉及一种地 震荷载作用对地裂缝场地危害的模拟装置及方法。
背景技术
[0002]地裂缝是一种缓慢发展的渐进性地质灾害,在世界上许多国家都有发育,我国的 地裂缝分布十分广泛,近年来具有范围不断扩大,危害不断加重的趋势。地裂缝产生和扩展 的原因是多种多样的,多年以来,相关领域的科研以及工程实践人员从不同方面对地裂缝 产生机理、分布特征、运动特征、危害类型和治理措施的研宄工作投入了大量的精力并取得 了丰硕的成果。因利用地裂缝模拟来进行研究具有结果可靠、科研价值高、测定目标多样化 等优点,且所得数据成果易于分析整合后应用于工程实践之中,故尽管费用高昂,该类研宄 方法还是受到了相关领域研宄人员的普遍青睐。
[0003]随着分析研宄的逐渐深入,发现引起地裂缝扩展的因素包括地震、断层、地下水位 变化等。例如,“地裂缝环境下的地铁隧道一地层地震动力相互作用研究”中通过制作模拟 地裂缝以及利用地震模拟振动台和模型箱,对于地铁沿线地裂缝在地震动力荷载作用下的 活动特征等内容进行了研究。但是,其中所采用的模型箱在结构上较为简单,所构建的模拟 地裂缝仅是在夯实土样层中通过在预留缝隙内填充细砂而构筑形成的,未能考虑实际地裂 缝形成和发展中的活动规律(例如下盘或上盘沉降速度、地裂缝倾角)对土层的影响。
[0004]为了在地震荷载作用下地裂缝场地危害研究中更好的发挥模拟地裂缝的作用,亟 待解决含有模拟地裂缝的物理模型在构建中如何引入地裂缝场地的固有活动规律的问题, 即优化对于地裂缝场地上、下盘的模拟,以充分发挥依据相似原理构建的物理模型的优势, 以简单的模型设计为地下铁路等实际工程建设提供更有效的防护措施参考依据。
发明内容
[0005]针对现有技术存在的不足,本发明的目的在于提供一种地震荷载作用下地裂缝场 地危害模拟装置及模拟方法。
[0006]为了达到上述目的,本发明采用了以下技术方案:
[0007] —种地震荷载作用下地裂缝场地危害模拟装置,包括地震模拟振动台、升降系统、 场地系统、固定系统以及监测系统,所述场地系统包括模型箱,所述固定系统包括用于将模 型箱固定于地震模拟振动台的连接件,所述升降系统包括设置于模型箱内的两个沉降平 台,两个沉降平台上设置有场地土样,两个沉降平台的交界位置与竖直的设置于场地土样 中的模拟地裂缝(通过在堆积土样中预留空间位置并填充以细砂)正对,所述监测系统包括 设置于模型箱顶郃的场地土样丨几降检测t旲块以及设置于场地土样内部的运动和力学特征 检测模块。
[0008]优选的,所述连接件选自螺栓。
[0009]优选的,所述模型箱包括固定于地震模拟振动台上的结构框架以及设置于结构框 架的底面和侧面的封板。
[0010] 优选的,所述场地土样沉降检测模块选自测量机器人。
[0011]优选的,所述升降系统还包括设置于各沉降平台底部的千斤顶,千斤顶固定于模 型箱内。
[0012]优选的,所述运动和力学特征检测模块包括分层设置于场地土样内的加速度传感 器和土压力计。
[0013] 一种地震荷载作用下地裂缝场地危害模拟方法,包括以下步骤:
[00M] 1)将模型箱固定在地震模拟振动台上,然后将预先从地裂缝场地采集的土样逐层 堆积在模型箱内的两个沉降平台上,在堆积土样过程中,于土样内对应层布置土压力计和 加速度传感器(土压力计和加速度传感器的信号线缆与监测系统中的计算机143连接),并 沿与两个沉降平台交界位置正对处构筑模拟地裂缝,直至土样堆积至模型箱顶部;
[0015] 2)启动位于模型箱顶部的测量机器人,然后控制沉降平台(利用千斤顶),使得模 拟地裂缝两侧的土样根据地裂缝场地上、下盘沉降位移变化沿竖直方向相对运动(错动)一 定距离;
[0016] 3)经过步骤2)后(保持两个沉降平台高度位置固定),启动地震模拟振动台,并按 照预先设定的地震波特征运行,产生模拟地震振动;
[0017] 4)在地震模拟振动台运行过程中,利用分布于土样内的土压力计和加速度传感器 检测土样内对应层的各向力学特征和运动特征,同时,利用测量机人检测土样的沉降,将所 有检测的结果存储在计算机中;
[0018] 5)达到预设的地震时长后,停止地震模拟振动台,利用计算机内存储的检测数据 完成分析。
[0019] 本发明的有益效果体现在:
[0020] 本发明通过在模型箱内设置升降系统和竖直方向的模拟地裂缝,模拟地裂缝场地 上、下盘,结合地震模拟振动台和监测系统,为地裂缝场地在地震荷载作用下的工程防治措 施提供科学依据,同时更准确地预测地震对地裂缝场地的危害。本发明结构简单,测量方便 可靠,工程实用性强。
[0021] 进一步的,通过使用测量机器人,可以准确、高效的分析地裂缝活动与地震活动耦 合荷载作用下地裂缝场地中的裂缝扩展、沉降变化、地裂缝场地上、下盘的变形破坏区范 围。
附图说明
[0022] 图1是本发明实施例中采用的地裂缝场地地震模拟装置结构示意图(框架内仅示 出了用于模拟上盘的部分);
[0023] 图2是土样在两个沉降平台上的堆积示意图;
[0024] 图中:10-模拟地裂缝,11-升降系统,111-沉降平台,112_千斤顶,12-场地系统, 13-固定系统,14-监测系统,141-土压力计,142-测量机器人,143_计算机,15-振动台,16 -土样。
具体实施方式
[0025] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例对 本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的实施例仅用于解释本发明,并不用于 限定本发明。
[0026] 参见图1以及图2,本发明提供一种地裂缝场地地震模拟装置,包括升降系统11、场 地系统12、固定系统13、监测系统14和地震模拟振动台15。其中:
[0027] 场地系统12主要包括模型箱,模型箱由钢结构框架和位于该框架底部及四周的木 板构成,所述框架的顶部为敞开状,便于向模型箱内堆填地裂缝场地土样16。
[0028]固定系统13用于将模型箱固定于地震模拟振动台15上,固定系统13主要包括用于 连接所述框架与地震模拟振动台15的对拉钢螺栓。
[0029]升降系统11通过模拟地裂缝活动(即地裂缝上、下盘升降以及升降速度),使模型 箱内的土样更好的反映地裂缝场地上、下盘状态。升降系统11包括用于支撑土样的两个沉 降平台111,其上堆积的土样16分别对应地裂缝场地的上盘和下盘(模拟地裂缝10位于两个 沉降平台111交界处,沿竖直方向向上延伸,两侧为堆积的土样16),两个沉降平台111分别 与设置于模型箱底部内的千斤顶112对应相连,通过控制对应千斤顶,可以模拟地裂缝的活 动,例如,上盘位置千斤顶控制对应相连的沉降平台111下沉,下盘位置千斤顶支撑对应相 连的沉降平台1111保持不动。还可以对模型箱底部内的千斤顶112与对应沉降平台111的作 用位置进行调整,千斤顶112的作用位置由地裂缝与场地的夹角(地裂缝倾角)所确定,夹角 较大时调整千斤顶112靠近模拟地裂缝10,反之远离模拟地裂缝10,从而更好的模拟地裂缝 场地上、下盘的活动。
[0030] 监测系统14主要用于检测土样16的沉降、变形,模拟地裂缝10的出露、扩展,以及 土样16内部的加速度及土压力特征。监测系统14主要包括测量机器人142、加速度传感器和 微型土压力计141。监测系统14输出至计算机143的监测数据包括测量机器人142采集的模 型箱顶部土样表面的变形,加速度传感器采集的地震荷载作用时土样中的动力加速度,以 及微型土压力计141采集土样16中的动土压力。
[0031] 装置应用举例
[0032]以西安地裂缝f7场地为实际背景,由西安的地质特点以超载概率10%的人工地震 波作用在振动台15上,模拟发生中震时的地裂缝场地受灾特征。地裂缝倾角为80〇。
[0033]西安f7地裂缝的活动方式是上盘以近似于垂直向为主的沉降运动,下盘稳定不 动,具有正断层性质,其过程较为缓慢。
[0034] 模拟过程开始前,于f 7地裂缝场地实地采集土样16,将土样16逐层堆填于模型箱 内的沉降平台111上,并在两个沉降平台111分界处对应构筑模拟地裂缝10 (竖直方向)。 [0035]为模拟地裂缝活动与地震荷载的耦合作用在地裂缝场地中的变形破坏特征的动 力特征,实验过程中上盘位置千斤顶人为控制下降,施加下降的位移量(根据实际地裂缝的 活动,并比照模型大小按同样比例缩小而确定)来模拟地裂缝的活动(利用测量机器人142 对土样表面沉降的监测数据,进行地裂缝活动模拟过程中千斤顶的反馈控制)。然后在振动 台15上施加西安人工地震10 %超越概率的地震波,以模拟场地受到中等地震的作用,最终 通过模拟(计算机分析监测数据)获得地裂缝场地的变形破坏特征(测量机器人)、加速度特 征(加速度传感器)和动土压力(微型土压力计)特征。
[0036]通过模拟,本发明获得了以下较为新颖、精确的分析结果:
[0037] 1.地裂缝场地变形破坏特征为地震加载过程中上盘场地沉降大于下盘,且靠近地 裂缝位置的沉降大于远离地裂缝位置的沉降,最大沉降在地裂缝位置产生。
[0038] 2•土层中的加速度时程曲线与输入的地震波相似,土体的峰值加速度放大系数随 地震强度加大且在地裂缝处最大。
[0039] 3. 土压力随地震荷载动态变化,土压力增量随地震强度增加;侧向土压力增量在 地裂缝处较小而竖向土压力增量在地裂缝处最大。
[0040] 本发明的特点主要体现在:1)利用竖向模拟地裂缝对实际地裂缝进行模型化,弱 化地裂缝倾角的影响,简化了模型整体构建难度,所得实验数据准确。2)可以为数值模拟提 供更为准确的参数设定依据,且形成的分析结果己经应用在当地地下建筑(例如地铁)防护 措施设计中,解决了实际的工程技术难题。

Claims (7)

1. 一种地震荷载作用下地裂缝场地危害模拟装置,其特征在于:包括地震模拟振动台 (15)、升降系统(11)、场地系统(12)、固定系统(13)以及监测系统(14),所述场地系统(12) 包括模型箱,所述固定系统(13)包括用于将模型箱固定于地震模拟振动台(15)的连接件, 所述升降系统(11)包括设置于模型箱内的两个沉降平台(111),两个沉降平台(111)上设置 有场地土样(16),两个沉降平台(111)的交界位置与竖直的设置于场地土样(16)中的模拟 地裂缝(10)正对,所述监测系统(14)包括设置于模型箱顶部的场地土样沉降检测模块以及 设置于场地土样(16)内部的运动和力学特征检测模块。
2. 根据权利要求1所述一种地震荷载作用下地裂缝场地危害模拟装置,其特征在于:所 述连接件选自螺检。
3. 根据权利要求1所述一种地震荷载作用下地裂缝场地危害模拟装置,其特征在于:所 述模型箱包括固定于地震模拟振动台(15)上的结构框架以及设置于结构框架的底面和侧 面的封板。
4. 根据权利要求1所述一种地震荷载作用下地裂缝场地危害模拟装置,其特征在于:所 述场地土样沉降检测模块选自测量机器人(142)。
5. 根据权利要求1所述一种地震荷载作用下地裂缝场地危害模拟装置,其特征在于:所 述升降系统(11)还包括设置于各沉降平台(111)底部的千斤顶(112),千斤顶(112)固定于 模型箱内。
6. 根据权利要求1所述一种地震荷载作用下地裂缝场地危害模拟装置,其特征在于:所 述运动和力学特征检测模块包括分层设置于场地土样(16)内的加速度传感器和土压力计 (141)。
7. —种地震荷载作用下地裂缝场地危害模拟方法,其特征在于:包括以下步骤: 1) 将模型箱固定在地震模拟振动台(15)上,然后将预先从地裂缝场地采集的土样(16) 逐层堆积在模型箱内的两个沉降平台(111)上,在堆积土样(16)过程中,于土样(16)内对应 层布置土压力计(141)和加速度传感器,并沿与两个沉降平台(111)交界位置正对处构筑位 于竖直方向的模拟地裂缝(10),直至土样(16)堆积至模型箱顶部; 2) 启动位于模型箱顶部的测量机器人(142),然后控制沉降平台(111),使得模拟地裂 缝(10)两侧的土样(16)根据地裂缝场地上、下盘沉降位移变化沿竖直方向相对运动一定距 离; 3) 经过步骤2)后,启动地震模拟振动台(15),并按照预先设定的地震波特征运行,产生 模拟地震振动; 4) 在地震模拟振动台(15)运行过程中,利用分布于土样(16)内的土压力计(141)和加 速度传感器检测土样(16)内对应层的各向力学特征和运动特征,同时,利用测量机人(142) 检测土样(16)的沉降,将所有检测的结果存储在计算机(143)中; 5) 达到预设的地震时长后,停止地震模拟振动台(15)。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109540437A (zh) * 2018-11-30 2019-03-29 辽宁工程技术大学 一种模拟煤炭采动中便于衔接的实验装置及其使用方法
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