CN109668796A - 一种双u形层状剪切箱模拟装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑走滑断层错动的双U形层状剪切箱模拟装置及试验方法，本装置的固定底板紧固于底座之上，可动底板通过滑动滚轴系统置放于底座之上；双U形剪切框系统置于底座上，由若干层双U形环框依次叠放组成，双U形环框沿振动方向两侧放置，位于同一层面上的两个U形环框之间可以沿着预定的振动方向产生水平相对错动，上下叠放的U形环框之间通过滑动滚轴相互错动；约束侧墙、封闭侧墙、封闭顶墙、橡胶袋、底座共同构成一封闭空间，通过对封闭空间进行抽真空，使得橡胶袋贴合于双U形剪切框系统内壁，提供模型制备空间。本发明的装置和方法可用于模拟地震振动方向与基岩走滑断层错动方向一致时上覆土层的地震反应特性。

Description

一种双U形层状剪切箱模拟装置及试验方法

技术领域

本发明涉及土工模型实验技术，具体是指一种考虑走滑断层错动的双U形层状剪切箱模拟装置及试验方法。

背景技术

大型振动台模型试验是研究场地及地下结构物地震响应的重要研究手段。通过层状剪切箱可观察基岩传来的地震波在上覆土层的传递特征。但传统的层状剪切箱无法同时考虑基岩突发断裂时引起的上覆土层的永久变形，不利于研究地震波传递与土层永久变形的耦合作用。走滑断层为活动断层的基本形式之一，其引起的上覆土层永久变形往往引起线状的地下结构物遭受严重破坏，造成巨大经济损失。考虑走滑断层错动层状剪切箱的研发，使得地震作用下场地的震动模拟和地下结构物的抗震研究更具有针对性。这一试验技术的发展也为研究斜向断层中走滑错动分量影响的研究提供重要研究途径。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种考虑走滑断层双U形层状剪切箱模拟装置及试验方法，能实现走滑断层活动模拟，并能够模拟地震剪切波对土体或地下结构物耦合破坏，充分考虑当地震振动方向与基岩走滑断层错动方向一致时，上覆土层动力响应的相关特性，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：

一种双U形层状剪切箱模拟装置，包括：基岩走滑错动模拟系统、双U形剪切框系统、约束侧墙系统和土体模型制备系统；

所述基岩走滑错动模拟系统由固定底板、可动底板、滑动滚轴系统、底座组成；其中，固定底板锁定于模型箱底座，在模拟振动过程中与底座保持相对静止；可动底板通过滑动滚轴系统置放于底座之上，通过振动台在底座施加振动激励使固定底板和可动底板产生水平相对滑移；

所述双U形剪切框系统由若干层双U形环框依次叠放组成，底层环框固定于底座上，位于同一层面上的两个U形环框之间开口相向并可以沿着预定的振动方向产生水平相对错动，上下叠放的U形环框之间通过滑动滚轴系统相互错动，并通过限位装置调节相互之间的错动量，双U形剪切框系统内用于放置试验土体；

所述约束侧墙系统由约束侧墙和聚四氟乙烯板组成，约束侧墙位于模型箱垂直于振动方向两侧，在约束侧墙和U形环框之间设置聚四氟乙烯板；

所述土体模型制备系统由约束侧墙、封闭侧墙、封闭顶墙、橡胶袋组成。制备土体模型时封闭侧墙与约束侧墙共同构成矩形围墙，双U型剪切框系统置于围墙之中；橡胶袋置于双U形剪切框系统内侧，其顶部开口外翻放置于封闭侧墙和约束侧墙之上；所述封闭顶墙为一回字形铁板，放置于橡胶袋顶部开口之上，并通过螺栓紧固于矩形围墙，使得矩形围墙、封闭顶墙、橡胶袋、底座共同构成一封闭空间；所述封闭空间为真空环境，使得橡胶袋贴合于双U形剪切框系统内壁。

在一较佳实施例中：双U形环框沿着预定的振动方向延伸一定距离。

在一较佳实施例中：所述U形环框剖面呈水平放置的I形，上下叠放的两片U形环框之间的空隙内放置所述限位装置。

在一较佳实施例中：所述限位装置为第一聚四氟乙烯垫片，长度比U形环框沿振动方向的净空长度短2-3mm，使得上下两环框只能在预定尺寸内发生相互错动。

在一较佳实施例中：所述第一聚四氟乙烯垫片隔一定间距进行挖槽，并在挖槽内放置第一滚轴，第一滚轴高度高于上下两片U形环框之间的净高度。

在一较佳实施例中：所述可动底板长度比U形环框围成的空间短4-5mm，通过滑动滚轴系统置放于底座之上，所述滑动滚轴系统由一排直径相等的第二滚轴组成，第二滚轴上布置聚四氟乙烯滑动垫片。

本发明还提供了一种双U形层状剪切箱试验方法，基于如上所述的一种双U形层状剪切箱模拟装置，包括如下步骤：

1)布置底座，安装固定底板、第二滚轴、聚四氟乙烯滑动垫片及可动底板；

2)将位于底部的两片U形环框固定于底座，安装所有U形环框，与底座保持相对静止；

3)安装聚四氟乙烯板、约束侧墙、封闭侧墙；

4)在U形剪切框系统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，其顶部开口外翻放置于封闭侧墙和约束侧墙之上；

5)安装封闭顶墙，对矩形围墙、封闭顶墙、橡胶袋、底座共同构成的封闭空间进行抽真空，使橡胶袋与U形剪切框系统紧密贴合；

6)在橡胶袋内分层压制模型土体或放置地下结构物模型；

7)土体模型制备完成后，取消真空源，移除封闭侧墙和封闭顶墙；

8)根据需要安装传感器，并将模型置于振动台，施加振动激励，进行试验；

9)完成试验，对模型土体或地下结构物模型破坏进行观测。

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

本发明提供了一种考虑走滑断层双U形层状剪切箱模拟装置及试验方法，能实现走滑断层活动模拟，并能够模拟地震剪切波对土体或地下结构物耦合破坏，充分考虑当地震振动方向与基岩走滑断层错动方向一致时，上覆土层动力响应的相关特性，且原理明确、构筑简单，实验操作易于实现。

附图说明

图1为本发明所述的双U形层状剪切箱示意图；

图2为本发明所述的双U形层状剪切箱剖面图；

图3为本发明所述的滑动滚轴系统示意图；

图4为本发明所述的可动底板、固定底板示意图；

图5为图1所示的上下相邻U形环框横剖面图；

图6为图1所示的U形环框局部纵剖面图；

图7为本发明所述的土体模型制备系统示意图；

附图标记：1、基岩走滑错动模拟系统，2、双U形剪切框系统，3、约束侧墙系统，4、土体模型制备系统，11、底座，12、可动底板，13、固定底板，14、滑动滚轴系统，15、聚四氟乙烯滑动垫片，21、双U形环框，22、聚四氟乙烯垫片，23、第一滚轴，31、约束侧墙，32、聚四氟乙烯板，41、封闭侧墙，42、封闭顶墙，43、橡胶袋。

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，提供一种考虑走滑断层的双U形层状剪切箱模拟装置及试验方法，能实现走滑断层活动模拟，并能够模拟地震剪切波对土体或地下结构物耦合破坏，充分考虑当地震振动方向与基岩走滑断层错动方向一致时，上覆土层动力响应的相关特性。

参见图1至图7所示，一种考虑走滑断层双U形层状剪切箱模拟装置，包括基岩走滑错动模拟系统1、双U形剪切框系统2、约束侧墙系统3和土体模型制备系统4。

具体的，所述基岩走滑错动模拟系统1包括底座11、可动底板12、固定底板13、滑动滚轴系统14和聚四氟乙烯滑动垫片15。所述滑动滚轴系统14布置于底座11上，所述滑动滚轴系统14由一排直径相等的第二滚轴组成，第二滚轴上布置聚四氟乙烯滑动垫片15，可动底板12布置于聚四氟乙烯滑动垫片15上，而固定底板13锁定于模型箱底座11。可动底板12和固定底板13在同一水平面上，但可动底板长度比U形环框21围成的空间短4-5mm。

具体的，所述双U形剪切框系统2包括双U形环框21、聚四氟乙烯垫片22和第一滚轴23。所述双U形环框21由若干层U形环框依次叠放组成，底层环框固定于底座11上，位于同一层面上的两个U形环框21之间开口相向并且开口的两端沿着预定的振动方向延伸一定距离，确保两相邻环框水平相对错动后不会出现脱空。聚四氟乙烯垫片22长度比U形环框21沿振动方向的净空长度略短2-3mm，放置于两片U形环框21之间的空隙内，使得上下两环框只能在预定尺寸内发生相互错动。聚四氟乙烯垫片22隔一定间距进行挖槽，并在挖槽内放置第一滚轴23，第一滚轴23高度高于上下两片U形环框21之间的净高度，从而避免上下两片U形环框之间的直接接触。

具体的，所述约束侧墙系统3包括约束侧墙31、聚四氟乙烯板32。约束侧墙31位于模型箱垂直于振动方向两侧，以约束U形环框21沿垂直于振动方向的侧向位移。为减少模拟振动时两者之间的摩擦，在约束侧墙31和U形环框21之间设置聚四氟乙烯板32。

具体的，所述土体模型制备系统4包封闭侧墙41、封闭顶墙42、橡胶袋43和约束侧墙31。封闭侧墙42与约束侧墙31共同构成矩形围墙，围住双U形剪切框系统2。橡胶袋43置于双U形剪切框系统2内侧，其顶部开口外翻放置于封闭侧墙41和约束侧墙31之上。封闭顶墙42为一回字形铁板，放置于橡胶袋43顶部开口之上，并通过螺栓紧固于矩形围墙。从而矩形围墙、封闭顶墙42、橡胶袋43、底座11共同构成一封闭空间。通过对所述封闭空间进行抽真空，使得橡胶袋43贴合于双U形剪切框系统2内壁，以提供土体模型制备空间。土体模型制备完成后，取消真空源，移除封闭侧墙41和封闭顶墙42。

基于如上所述的一种双U形层状剪切箱模拟装置，包括如下步骤：

1.布置底座，安装固定底板、第二滚轴、聚四氟乙烯滑动垫片及可动底板；

2.将位于底部的两片U形环框固定于底座，安装所有U形环框，与底座保持相对静止；

3.安装聚四氟乙烯板、约束侧墙、封闭侧墙；

4.在U形剪切框系统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，其顶部开口外翻放置于封闭侧墙和约束侧墙之上；

5.安装封闭顶墙，对矩形围墙、封闭顶墙、橡胶袋、底座共同构成的封闭空间进行抽真空，使橡胶袋与U形剪切框系统紧密贴合；

6.在橡胶袋内分层压制模型土体或放置地下结构物模型；

7.土体模型制备完成后，取消真空源，移除封闭侧墙和封闭顶墙；

8.根据需要安装传感器，并将模型置于振动台，施加振动激励，进行试验；

9.完成试验，对模型土体或地下结构物模型破坏进行观测。

以上仅为本发明的优选实施例，但本发明的范围不限于此，本领域的技术人员可以容易地想到本发明所公开的变化或技术范围。替代方案旨在涵盖在本发明的范围内。因此，本发明的保护范围应由权利要求的范围确定。

Claims (7)

1.一种双U形层状剪切箱模拟装置，其特征在于包括：基岩走滑错动模拟系统、双U形剪切框系统、约束侧墙系统和土体模型制备系统；

所述基岩走滑错动模拟系统由固定底板、可动底板、滑动滚轴系统、底座组成；其中，固定底板锁定于模型箱底座，在模拟振动过程中与底座保持相对静止；可动底板通过滑动滚轴系统置放于底座之上，通过振动台在底座施加振动激励使固定底板和可动底板产生水平相对滑移；

所述双U形剪切框系统由若干层双U形环框依次叠放组成，底层环框固定于底座上，位于同一层面上的两个U形环框之间开口相向并可以沿着预定的振动方向产生水平相对错动，上下叠放的U形环框之间通过滑动滚轴系统相互错动，并通过限位装置调节相互之间的错动量，双U形剪切框系统内用于放置试验土体；

所述约束侧墙系统由约束侧墙和聚四氟乙烯板组成，约束侧墙位于模型箱垂直于振动方向两侧，在约束侧墙和U形环框之间设置聚四氟乙烯板；

所述土体模型制备系统由所述约束侧墙、封闭侧墙、封闭顶墙、橡胶袋组成；制备土体模型时封闭侧墙与约束侧墙共同构成矩形围墙，双U型剪切框系统置于围墙之中；橡胶袋置于双U形剪切框系统内侧，其顶部开口外翻放置于封闭侧墙和约束侧墙之上；所述封闭顶墙为一回字形铁板，放置于橡胶袋顶部开口之上，并通过螺栓紧固于矩形围墙，使得矩形围墙、封闭顶墙、橡胶袋、底座共同构成一封闭空间；所述封闭空间为真空环境，使得橡胶袋贴合于双U形剪切框系统内壁。

2.根据权利要求1所述的一种考虑走滑断层错动的双U形层状剪切箱模拟装置，其特征在于：双U形环框沿着预定的振动方向延伸一定距离。

3.根据权利要求1所述的一种考虑走滑断层错动的双U形层状剪切箱模拟装置，其特征在于：所述U形环框剖面呈水平放置的I形，上下叠放的两片U形环框之间的空隙内放置所述限位装置。

4.根据权利要求3所述的一种考虑走滑断层错动的双U形层状剪切箱模拟装置，其特征在于：所述限位装置为第一聚四氟乙烯垫片，长度比U形环框沿振动方向的净空长度短2-3mm，使得上下两环框只能在预定尺寸内发生相互错动。

5.根据权利要求4所述的一种考虑走滑断层错动的双U形层状剪切箱模拟装置，其特征在于：所述第一聚四氟乙烯垫片隔一定间距进行挖槽，并在挖槽内放置第一滚轴，第一滚轴高度高于上下两片U形环框之间的净高度。

6.根据权利要求1所述的一种考虑走滑断层错动的双U形层状剪切箱模拟装置，其特征在于：所述可动底板长度比U形环框围成的空间短4-5mm，通过滑动滚轴系统置放于底座之上，所述滑动滚轴系统由一排直径相等的第二滚轴组成，第二滚轴上布置聚四氟乙烯滑动垫片。

7.一种双U形层状剪切箱试验方法，基于权利要求1至6中任一项权利要求所述的一种双U形层状剪切箱模拟装置，其特征在于包括如下步骤：

1)布置底座，安装固定底板、第二滚轴、聚四氟乙烯滑动垫片及可动底板；

2)将位于底部的两片U形环框固定于底座，安装所有U形环框，与底座保持相对静止；

3)安装聚四氟乙烯板、约束侧墙、封闭侧墙；

4)在U形剪切框系统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，其顶部开口外翻放置于封闭侧墙和约束侧墙之上；

5)安装封闭顶墙，对矩形围墙、封闭顶墙、橡胶袋、底座共同构成的封闭空间进行抽真空，使橡胶袋与U形剪切框系统紧密贴合；

6)在橡胶袋内分层压制模型土体或放置地下结构物模型；

7)土体模型制备完成后，取消真空源，移除封闭侧墙和封闭顶墙；

8)根据需要安装传感器，并将模型置于振动台，施加振动激励，进行试验；

9)完成试验，对模型土体或地下结构物模型破坏进行观测。