CN110295633B - 模拟边坡地震动力失稳的振动台试验模型箱及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种模拟边坡地震动力失稳的振动台试验模型箱及试验方法，该模型箱包括箱体和位于其下方的基座，箱体包括底板和垂直固定于底板上的方形透明围护结构；箱体底板与基座活动连接，基座内部设有用于抬升箱体、使其与基座呈相应角度的液压千斤顶。试验方法为：组装模型箱，控制箱体的旋转角度，使模型边坡层面与基座近似平行；在箱体的围护结构表面描绘模型各分层的轮廓线，并标记出传感器的布设位置；计算出各分层所需混合料，配制相似材料倒入箱体，从下到上、分层铺设直至达到边坡模型的设计高度；铺设完成后，将箱体转移至振动台台面并固定，输入地震波，进行振动台边坡模型试验。

Description

模拟边坡地震动力失稳的振动台试验模型箱及试验方法

技术领域

本发明涉及一种试验模型箱及试验方法，特别涉及一种模拟边坡地震动力失稳的振动台试验模型箱及试验方法，属于岩土工程试验领域。

背景技术

目前，我国正处于地震相对活跃期，地震是诱发边坡发生滑移或失稳破坏的主要因素之一。振动台试验被认为是可以有效模拟地震动力的重要方法，在满足相似准则的条件下，边坡模型振动台试验能够直观的反映地震动条件下岩土体的变形破坏过程与机制，为研究地震条件下岩土体边坡失稳破坏的成因机理提供了重要的手段。

在岩土工程振动台试验中采用的模型箱类型主要有3种，刚性模型箱、圆筒形柔性模型箱和层状剪切变形模型箱。层状剪切变形模型箱和柔性模型箱多用于砂、土等松散型材料的振动台试验，刚性模型箱主要用于类岩质材料的振动台模型试验。其中刚性模型箱能够较好的模拟岩土边坡在地震作用下的变形特性，并且可以理想模拟实际场地的边界条件，在振动台模型试验中广泛应用。

由于不同区域地质结构差异，岩土边坡通常为水平、顺层、反倾坡体结构，不同坡体结构边坡模型的制作过程存在差异，其中反倾坡体的边坡模型制作较为困难，现有的模型箱难以制作出反倾坡体的边坡模型，从而以往研究较少涉及反倾边坡的振动台模型试验。

发明内容

发明目的：针对现有技术中的模型箱难以制作出反倾坡体结构的边坡模型的问题，本发明提供一种模拟边坡地震动力失稳的振动台试验模型箱，该模型箱能够方便实用地制作出水平、顺层以及反倾坡体结构的边坡模型；另外，本发明还提供了一种利用该模型箱进行边坡地震动力失稳试验的方法。

技术方案：本发明所述的一种模拟边坡地震动力失稳的振动台试验模型箱，包括用于成型边坡模型的箱体以及位于箱体下方、用于调整模型制作时箱体角度的基座，其中，箱体包括底板和垂直固定于底板上的方形透明围护结构，基座与箱体底板活动连接，且基座内部设有用于抬升箱体、使其与基座呈相应角度的液压千斤顶。

较优的，围护结构由前、后、左、右四面围护挡板组成，相邻围护挡板之间以及围护挡板与底板之间通过折板式连接柱固定连接，折板式连接柱包括与相邻两围护挡板表面贴合的弯折连接板以及与底板表面贴合的下连接板。

进一步的，围护挡板上表面设置顶部横梁，用于增强箱体的刚度；相应的，折板连接柱还包括用于与顶部横梁固定连接的上连接板。可在弯折连接板和上、下连接板上开设螺栓孔，通过螺栓连接固定。

围护挡板材质可为高强度透明有机玻璃，试验过程中可观察到边坡的破坏特征；围护结构可为一层或多层，前、后、左、右的围护挡板层数相同，每层挡板的高度相同。

具体的，为实现箱体与基座之间的角度调控，箱体底板与基座可通过转动杆连接，其中，箱体底板和基座上可分别设有转动杆固定座，转动杆穿过基座与箱体底板上的转动杆固定座，使箱体可绕转动杆转动、与基座呈相应角度。更优的，基座上可设有角度标尺、用于控制箱体的旋转角度。

上述箱体底板的边缘间隔设置螺栓孔，该螺栓孔的大小和间距与振动台台面上的螺栓孔相同，在边坡模型制作完成后，箱体可与振动台台面固定连接，保证试验过程中箱体与振动台面一起运动。

本发明所述的利用上述试验模型箱模拟边坡地震动力失稳的振动台试验方法，包括如下步骤：

(1)组装模型箱，根据欲试验边坡的地质条件，通过液压千斤顶控制箱体的旋转角度，使模型边坡层面与基座近似平行；

(2)根据边坡模型的设计尺寸及分层厚度在箱体的围护结构表面描绘模型各分层的轮廓线，并在模型边坡层面两侧的围护挡板上标记出传感器的布设位置；

(3)根据边坡模型各层的几何尺寸及各分层密度，计算出各分层所需混合料，配制相似材料；

(4)将配制好的相似材料倒入箱体内，从下到上、分层夯实、并对模型边坡层面进行凿毛处理，逐层铺设直至达到边坡模型的设计高度，根据设计要求放置相应的传感器；

(5)边坡模型铺设完成后，将基座与箱体底板分离，将箱体转移至振动台台面并固定，输入地震波，进行振动台边坡模型试验。

步骤(1)中，当制作水平、顺层边坡模型时，以转动杆所在一侧的围护挡板为基础面；当制作反倾边坡模型时，以转动杆所在一侧的对侧围护挡板为基础面。优选的，基础面上放置有聚苯乙烯泡沫板作为减震层，且该聚苯乙烯泡沫板外表面包裹有聚乙烯塑料，可减少模型与泡沫板间的接触摩擦。

上述步骤(4)中，铺设水平或顺层边坡模型时，在边坡模型区域内从下到上、分层铺设即可；铺设反倾边坡模型过程中，除反倾边坡模型区域外，箱体内其他区域也要采用河沙填实，从而可防止反倾边坡铺设过程中坍塌，待反倾边坡模型铺设完成后，将其他非反倾边坡模型区域的河沙取出。

上述步骤(4)中，模型铺设过程中，在坡体内部和边坡表面测点布设加速度传感器和压力传感器，获取边坡模型振动过程的加速度及土压力响应规律；在边坡表面布置反光片，采用三维激光扫描仪监测坡表及剖面位移；在边坡表面前方安置激光位移传感器，监测坡表位移变化；在模型箱的侧向和前方布置高速摄像机，另外布置一台摄像机在试验过程中灵活拍摄，监测坡体破坏特征。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)本发明的模型箱可根据边坡工程具体条件，通过调整模型制作时模型箱的角度及铺设方向，可方便地制作不同倾角及坡体结构的边坡模型，以满足水平、顺层、反倾坡体结构下边坡振动台模型试验的要求；而且，本发明的模型箱使用后可拆卸回收利用，拆装方便、操作灵活；(2)本发明还提供了水平、顺层及反倾边坡模型的铺设方法，通过模型箱角度旋转和控制边坡模型铺设方向，使反倾边坡模型制作成为可能；另外，该方法可获取实验过程中加速度、位移、应力响应规律，用以分析地震动作用下不同边坡结构岩土体的破坏失稳机理。

附图说明

图1为本发明的振动台试验模型箱的结构示意图；

图2为本发明的振动台试验模型箱中箱体的结构示意图；

图3为本发明的振动台试验模型箱中基座的结构示意图；

图4为箱体中的立柱结构示意图；

图5为铺设好的水平边坡模型示意图；

图6为铺设好的顺层边坡模型示意图；

图7为铺设好的反倾边坡模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1～3，本发明的模拟边坡地震动力失稳的振动台试验模型箱，包括箱体100和基座200。

如图2，箱体100用于成型边坡模型，其包括底板1和围护结构，该围护结构为方形结构，由若干围护挡板组成，各围护挡板均与底板垂直；定义沿振动台水平振动方向上，箱体100的前后两端为前后侧，分别为前围护挡板2、后围护挡板3，箱体左右两端为两边侧，分别为左围护挡板4、右围护挡板5，共同组成模型箱的围护结构。为便于边坡模型的制作和试验过程中观察边坡的破坏特征，围护挡板采用透明材料，如可采用高强度透明有机玻璃；围护结构可为一层或多层，前、后、左、右的围护挡板层数相同，每层挡板的高度相同。

为增强箱体的刚度，围护挡板上表面可设置顶部横梁6。

相邻围护挡板之间、围护挡板与底板之间以及顶部横梁6与箱体100之间可通过折板式连接柱7固定连接，如图4，折板式连接柱7包括弯折连接板71以及上、下连接板73、72，其中，弯折连接板71可与相邻两围护挡板表面贴合固定，下连接板72可与底板1表面贴合固定，上连接板73与顶部横梁6固定连接；可在各部分连接板上开设螺栓孔74，使折板式连接柱7与围护挡板板2、3、4、5、底板1及顶部横梁6之间通过螺栓连接固定。

基座200用于调整模型制作时的箱体角度，如图3，基座200内部设有液压千斤顶8，用于将箱体抬升至相应高度、使箱体与基座呈相应角度；可在基座中部开设凹槽，沿基座底面设置液压千斤顶。基座200上还可设置角度标尺9，可控制箱体100的旋转角度。

为实现箱体与基座之间的角度调控，箱体底板1与基座200之间通过转动杆10可转动连接，具体而言，箱体底板1和基座200上可分别设有转动杆固定座11、12，转动杆10穿过基座与箱体底板上的转动杆固定座11、12，如图1，从而可实现箱体100绕转动杆10转动、与基座200呈相应角度。

为便于振动台试验，箱体底板1的边缘上可间隔设置螺栓孔13，该螺栓孔的大小和间距与振动台台面上的螺栓孔相同，在边坡模型铺设完成后，箱体可与振动台台面固定连接，保证试验过程中箱体与振动台面一起运动。顶部横梁6的两端可焊接吊环14，模型铺设完成后，可通过行车吊装到振动台台面。

采用本发明的试验模型箱模拟边坡地震动力失稳的振动台试验方法包括如下步骤：

(1)组装模型箱，根据欲试验边坡的地质条件，通过液压千斤顶8控制箱体100的旋转角度，使模型边坡层面15与基座200近似平行；

当制作水平、顺层边坡模型时，以转动杆所在一侧的围护挡板为基础面；当制作反倾边坡模型时，以转动杆所在一侧的对侧围护挡板为基础面。基础面上可放置聚苯乙烯泡沫板16作为减震层，且聚苯乙烯泡沫板16外表面包裹聚乙烯塑料，可减少模型与泡沫板间的接触摩擦。

(2)根据边坡模型的设计尺寸及分层厚度在箱体的围护结构表面描绘模型各分层的轮廓线，并在模型边坡层面两侧的围护挡板上标记出传感器的布设位置；

(3)根据边坡模型各层的几何尺寸及各分层密度，计算出各分层所需混合料，配制相似材料；

(4)将配制好的相似材料倒入箱体内，从下到上、分层夯实、并对模型边坡层面进行凿毛处理，逐层铺设直至达到边坡模型的设计高度，根据设计要求放置相应的传感器；

铺设水平或顺层边坡模型时，在边坡模型区域内从下到上、分层铺设即可；铺设反倾边坡模型过程中，除反倾边坡模型区域外，箱体内其他区域也要采用河沙填实，从而可防止反倾边坡铺设过程中坍塌，待反倾边坡模型铺设完成后，将其他非反倾边坡模型区域的河沙取出。

(5)边坡模型铺设完成，静置一天后，将基座与箱体底板分离，将箱体转移至振动台台面并固定，输入地震波，进行振动台边坡模型试验。

实施例

本发明的一种模拟边坡地震动力失稳的振动台试验模型箱，包括箱体100和基座200，基座200与箱体底板1通过转动杆10连接，箱体100可绕转动杆10转动。

箱体100包括箱体底板1、围护挡板2、3、4、5、顶部横梁6和折板式连接柱7。围护挡板2、3、4、5共同组成箱体100的围护结构；围护挡板2、3、4、5材质为高强度透明有机玻璃，且前、后、左、右围护挡板层数相同，每层挡板的高度相同。箱体左、右围护挡板上端设置顶部横梁6，顶部横梁6通过螺栓与折板式连接柱7固定连接，用以增强模型箱的刚度。顶部横梁6前后两端焊接吊环14，模型铺设完成后，通过行车将模型箱吊装到振动台台面。

折板式连接柱7包括弯折连接板71以及上、下连接板73、72，各连接板上均凿有螺栓孔，围护挡板2、3、4、5分别通过螺栓与折板式连接柱7的弯折连接板71固定连接，底板1通过螺栓与折板式连接柱7的下连接板72固定连接，顶部横梁8通过螺栓与折板式连接柱7的上连接板73固定连接，组装成箱体。

基座200中空区域设有液压千斤顶8，基座200前部边缘设置角度标尺9；箱体底板1及基座200的右部边缘前后两侧分别焊接转动杆固定座11、12，转动杆10穿过基座200和箱体100上的转动杆固定座11、12，可使箱体100绕转动杆10旋转，使模型边坡层面15与基座面平行，利于边坡模型铺设。

箱体底板1四周边缘凿有与振动台台面间距相同的螺栓孔13，箱体底板1可通过固定螺栓与振动台台面固定连接，保证模型箱与振动台面一起运动。

下面阐述本发明用于水平、顺层、反倾边坡模型振动台试验的方法，主要区别于边坡模型层面倾向与倾角的不同。边坡模型制作主要包括如下步骤：

(1)根据试验模型的类型(水平、顺层、反倾)，进行模型箱的组装，通过液压千斤顶8抬升箱体100，使欲铺设模型边坡层面15与基座面近似平行；铺设水平、顺层边坡模型时，以模型箱右围护挡板5为基础面，铺设反倾边坡模型以模型箱左围护挡板4为基础面。

(2)根据边坡模型的设计尺寸及分层厚度在模型箱前围护挡板2、后围护挡板3上描绘相应的分层轮廓线，根据边坡模型类型，在右围护挡板5或左围护挡板4上标记传感器布设位置，并在相应的侧面挡板前放置有20cm厚的聚苯乙烯泡沫板16作为减震层，其外层包裹一层聚乙烯塑料。

(3)根据边坡模型的几何尺寸及各分层密度，计算各分层所需的混合料，采用小型搅拌机将相似材料混合均匀。

(4)将拌好的材料采用斗车吊装倒入模型箱箱体100，利用小型振动板分层压实至设计的密实度，每次碾压厚度在5-10cm，采用薄钢板切割坡体各分层节理17，根据设计要求放置相应的传感器；铺设水平及顺层边坡模型时，从下到上、分层铺设压实，铺设反倾边坡模型时，模型铺设过程中将模型箱非反倾边坡模型区域18采用河沙填实，反倾边坡模型铺设完成后将非反倾边坡模型区域18的河沙取出。

(5)对各模型边坡层面15进行凿毛处理，沿模型边坡层面15均匀铺洒一层2-3mm的石英砂，逐层铺设直至达到边坡模型的设计高度。

(6)边坡模型铺设完成，静置一天后，将基座200与箱体底板1分离，采用行车将箱体100吊装到振动台台面上，通过螺栓孔13与台面固定连接，输入地震波，进行边坡模型振动台试验。

边坡地震动力振动台试验的传感器布设方法为：模型铺设过程中在坡体内部和边坡表面测点布设加速度传感器和压力传感器，获取边坡模型振动过程的加速度及土压力响应规律；在边坡表面和剖面布置反光片，采用三维激光扫描仪监测坡表及剖面位移；在边坡表面前方安置激光位移传感器，监测坡表位移变化；在模型箱的侧向和前方布置高速摄像机，另外布置一台摄像机试验过程中灵活拍摄；此外，在振动台台面布置一个加速度传感器和激光位移传感器，用以反馈振动台输出的地震波和基准位移对比。

制得的水平、顺层、反倾层面结构边坡模型分别如图5、图6和图7。

Claims (7)

1.一种模拟边坡地震动力失稳的振动台试验方法，其特征在于，该试验方法基于试验模型箱，所述试验模型箱包括用于成型边坡模型的箱体以及位于箱体下方、用于调整模型制作时箱体角度的基座，其中，所述箱体包括底板和垂直固定于底板上的方形透明围护结构，所述基座与箱体底板活动连接，基座内部设有用于抬升箱体、使其与基座呈相应角度的液压千斤顶；

所述模拟边坡地震动力失稳的振动台试验方法包括如下步骤：

(1)组装模型箱，根据欲试验边坡的地质条件，通过液压千斤顶控制箱体的旋转角度，使模型边坡层面与基座近似平行；其中，当制作水平、顺层边坡模型时，以转动杆所在一侧的围护挡板为基础面；当制作反倾边坡模型时，以转动杆所在一侧的对侧围护挡板为基础面；

(2)根据边坡模型的设计尺寸及分层厚度在箱体的围护结构表面描绘模型各分层的轮廓线，并在模型边坡层面两侧的围护挡板上标记出传感器的布设位置；

(3)根据边坡模型各层的几何尺寸及各分层密度，计算出各分层所需混合料，配制相似材料；

(4)将配制好的相似材料倒入箱体内，从下到上、分层夯实、并对分层层面进行凿毛处理，逐层铺设直至达到边坡模型的设计高度，根据设计要求放置相应的传感器；

(5)边坡模型铺设完成后，将基座与箱体底板分离，将箱体转移至振动台台面并固定，输入地震波，进行振动台边坡模型试验。

2.根据权利要求1所述的模拟边坡地震动力失稳的振动台试验方法，其特征在于，所述围护结构由前、后、左、右四面围护挡板组成，相邻围护挡板之间以及围护挡板与底板之间通过折板式连接柱固定连接，所述折板式连接柱包括与相邻两围护挡板表面贴合的弯折连接板以及与底板表面贴合的下连接板。

3.根据权利要求2所述的模拟边坡地震动力失稳的振动台试验方法，其特征在于，所述围护挡板上表面设置顶部横梁，用于增强箱体的刚度；所述折板连接柱还包括用于与顶部横梁固定连接的上连接板。

4.根据权利要求1所述的模拟边坡地震动力失稳的振动台试验方法，其特征在于，所述箱体底板与基座通过转动杆连接，其中，箱体底板和基座上分别设有转动杆固定座，转动杆穿过基座与箱体底板上的转动杆固定座，使箱体可绕转动杆转动、与基座呈相应角度。

5.根据权利要求1所述的模拟边坡地震动力失稳的振动台试验方法，其特征在于，所述基座上设有角度标尺、用于控制箱体的旋转角度。

6.根据权利要求1所述的模拟边坡地震动力失稳的振动台试验方法，其特征在于，所述箱体底板边缘间隔设置螺栓孔，该螺栓孔的大小和间距与振动台台面上的螺栓孔相同。

7.根据权利要求1所述的模拟边坡地震动力失稳的振动台试验方法，其特征在于，步骤(4)中，铺设水平或顺层边坡模型时，在边坡模型区域内从下到上、分层铺设；铺设反倾边坡模型过程中，除反倾边坡模型区域外，箱体内其他区域采用河沙填实，待反倾边坡模型铺设完成后，将其他非反倾边坡模型区域的河沙取出。

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