CN110940474A - 一种振动台试验模型箱边界层 - Google Patents

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周浩
夏真荣
罗武装
黄光�
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Abstract

本发明公开了一种振动台试验模型箱边界层，所述边界层包括设置在模型箱内壁的海绵橡胶板以及设置在海绵橡胶板内侧的泡沫板，所述海绵橡胶板由设置在模型箱端壁的端壁海绵橡胶板和设置在模型箱侧壁的侧壁海绵橡胶板组成，所述泡沫板由端壁泡沫板和侧壁泡沫板组成。本发明基于场地的相对位移是地下结构破坏的主要原因，在开展振动台模型试验中，在模型箱边界上设置由不同材料组成复合材料边界层，既能允许模型整体发生一定位移量，又能减小地震波对模型的边界效应，从而保证振动台模型试验结果的可靠性。

Description

一种振动台试验模型箱边界层
技术领域
本发明属于岩土工程技术领域，尤其涉及一种用于振动台模型试验的模型箱边界层。
背景技术
振动台试验是地下工程结构地震响应研究的重要手段之一，试验时需要模拟的对象除结构本身外，还需模拟结构周边的地层，因此需要在振动台上增加能够传递振动作用到试验对象的装置—模型箱。振动台试验将试验对象—结构及地层模型—置于模型箱中，是一种等效的方式。
近年来，各国学者都在不断开展振动台模型试验，如何能有效模拟地震荷载作用下模型破坏特征，是一个具有挑战的课题，各国学者就模型箱边界层开展了研究。但是开展的振动台试验效果不理想，可靠性不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种振动台试验模型箱边界层，既能进一步减小模型箱边界效应，又能允许模型围岩发生一定的位移，更加真实模拟现场围岩的变形特征，以提高振动台模型试验结果的可靠性。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种振动台试验模型箱边界层，所述边界层由设置在模型箱内壁的海绵橡胶板，以及设置在海绵橡胶板内侧的泡沫板组成，所述海绵橡胶板由设置在模型箱端壁的端壁海绵橡胶板和设置在模型箱侧壁的侧壁海绵橡胶板组成，所述泡沫板由端壁泡沫板和侧壁泡沫板组成。
进一步的，所述端壁泡沫板和侧壁泡沫板厚度相同。
进一步的，所述端壁泡沫板和侧壁泡沫板厚度在8～15cm。
进一步的，所述端壁海绵橡胶板的厚度为4～6cm，侧壁海绵橡胶板的厚度为4～6cm。
进一步的，所述泡沫板与海绵橡胶板的厚度比为2:1。
进一步的，所述泡沫板密度为12-20kg/m3。
进一步的，所述海绵橡胶板密度为4-8kg/m3。
进一步的，在所述泡沫板内侧设置一层聚氯乙烯塑料薄膜。
研究表明，场地的相对位移是地下结构破坏主要因素，尤其是隧道工程。但现有技术往往设置单一材料模型箱边界层，其主要目的是为了减小地震波的反射，而忽视了模型的相对位移是模型结构破坏主要因素，因此导致振动台试验结果的可靠性不高。
本发明基于场地的相对位移是地下结构破坏的主要原因，在开展振动台模型试验中，在模型箱边界上设置由不同材料组成复合材料边界层，既能允许模型整体发生一定位移量，又能减小地震波对模型的边界效应，从而保证振动台模型试验结果的可靠性。本发明主要应用振动台模型试验研究，可广泛用于岩土边坡、隧道变形破坏机理的研究。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一个具体实施方式的模型箱结构示意图；
图2是波在模型箱体内传播示意图；
图3是Turkey波震动下模型箱边界层加速度；
图4是Northbridge波震动下模型箱边界层加速度。
其中：1、模型箱壁；21、端壁海绵橡胶板；22、侧壁海绵橡胶板；3、泡沫板；4、聚氯乙烯塑料薄膜；5、围岩介质。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
在隧道变形研究方面，振动台模型试验主要是为了重现地震荷载作用下隧道动力响应的特征、更好地研究隧道破坏机理。原型场地隧道是处在一个半无限空间的自由场，而模型箱边界效应会约束隧道及围岩相对运动，从而影响试验的效果。模型箱边界效应主要来自于地震波反射及衍射对围岩的反作用。重现隧道在自由场的地震反应特征主要通过减少模型箱边界效应。
经研究发现，为了减少模型箱边界效应，选择模型箱边界层材料时，应予考虑的因素主要有：1)尽量采用高阻尼的材料，以减弱对波的反射；2)尽量采用柔韧性好的材料，使其既能为模型提供一定的约束，又能允许模型发生一定量的场地位移；3)选用表面光滑的材料，使在与其它物体接触时摩擦力较小。
针对大比例模型振动台试验，模型箱边界效应层要考虑两个因素，一是尽可能减小模型箱边界效应，主要是减小地震波的在模型箱反射和散射等，二是允许围岩及隧道模型发生位移，场地的相对位移是隧道变形破坏的关键因素。
综合考虑上述因素和结合振动台模型试验特点，本发明提出一种由泡沫板和海绵橡胶板组合成的复合材料边界层，海绵橡胶板紧贴模型箱壁1内侧，泡沫板紧贴海绵橡胶板。边界层主要由密度不同的两种材料组成，其一泡沫板(密度较大的材料)主要减小地震波反射及衍射等；其二海绵橡胶板(密度较小的材料)的设置允许模型整体发生一定量位移，也可以减小模型箱边界效应。
设置复合边界层可以进一步减小地震波的反射和衍射等，因为地震波在海绵橡胶板和泡沫板传播速度不同，并且在不同界面上会发生折射反射等现象，其次是海绵橡胶的刚度低，吸能效果好，在同等荷载下，海绵橡胶变形大，泡沫板变形较小。
本发明所用泡沫板(即聚苯乙烯泡沫板)和海绵橡胶板的物理力学参数如下表。海绵橡胶材料，它是多孔隙的轻质材料，能较好吸收地震波，并且允许发生变形大，不受力又恢复弹性状态，并且材料便宜。
表1泡沫板基本物理力学参数
Figure BDA0002253479440000031
表2海绵橡胶基本物理力学参数
Figure BDA0002253479440000032
在一个具体实施例中，如图1，模型箱为矩形箱体，有五个面，上部为空。在模型箱的端壁内侧(与振动方向垂直的两个面)铺设复合边界材料层，它由10cm厚的泡沫板3和5cm厚端壁海绵橡胶板21组成；在模型箱的侧壁内侧(与振动方向平行的两个面)也铺设复合边界材料层，它由10cm厚的泡沫板3和5cm厚侧壁海绵橡胶板22组成。
为了进一步减小模型箱与围岩之间的摩擦系数，在泡沫板3上黏贴一层聚氯乙烯塑料薄膜4；该薄膜不仅薄而且光滑，可以较好的解决模型箱界面的摩擦问题。
本发明依据地震波在不同材料传播特性，设计由不同材料组成模型箱边界层，既能允许模型在模型箱发生一定位移，也能进一步减小地震波在模型箱壁反射及衍射(模型箱边界效应)。
在岩土模型振动台试验时，地震波传播至模型箱壁，波的能量一部分会在界面上反射回去，部分能量会穿过界面传播出去，同时，地震波在界面处会发生波的转变。在刚性模型箱吸收边界中，地震波从围岩传播至泡沫板，因为泡沫板的阻尼较大会降低波的传播速度，但是，地震波在界面上的频率是保持不变，如下述公式1所示：
Figure BDA0002253479440000041
因此，当地震波从围岩介质5传播至泡沫板3时，波长减小，这主要归结于泡沫板吸收地震波能量而导致的，如图2所示。地震波传播至泡沫板和海绵橡胶表面又会发生一次折射，海绵橡胶会进一步吸收地震波传播能量，海绵橡胶中波长会进一步减小，从来进一步减小地震波的反射及衍射，从而减低模型箱边界效应。
图3是Turkey波震动下模型箱边界层加速度；图4是Northbridge波震动下模型箱边界层加速度。采用上述实施例复合材料边界层和泡沫板边界层作为对比的加速度峰值情况见表3。
表3
Figure BDA0002253479440000042
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种振动台试验模型箱边界层，其特征在于，所述边界层由设置在模型箱内壁的海绵橡胶板以及设置在海绵橡胶板内侧的泡沫板组成，所述海绵橡胶板由设置在模型箱端壁的端壁海绵橡胶板和设置在模型箱侧壁的侧壁海绵橡胶板组成，所述泡沫板由端壁泡沫板和侧壁泡沫板组成。
2.根据权利要求1所述的振动台试验模型箱边界层，其特征在于，所述端壁泡沫板和侧壁泡沫板厚度相同。
3.根据权利要求2所述的振动台试验模型箱边界层，其特征在于，所述端壁泡沫板和侧壁泡沫板厚度在8～15cm。
4.根据权利要求1～3任一项所述的振动台试验模型箱边界层，其特征在于，所述端壁海绵橡胶板的厚度为4～6cm，侧壁海绵橡胶板的厚度为4～6cm。
5.根据权利要求1～3任一项所述的振动台试验模型箱边界层，其特征在于，所述泡沫板与海绵橡胶板的厚度比为2:1。
6.根据权利要求1～3任一项所述的振动台试验模型箱边界层，其特征在于，所述泡沫板密度为12-20kg/m3。
7.根据权利要求1～3任一项所述的振动台试验模型箱边界层，其特征在于，所述海绵橡胶板密度为4-8kg/m3。
8.根据权利要求1～3任一项所述的振动台试验模型箱边界层，其特征在于，在所述泡沫板内侧设置一层聚氯乙烯塑料薄膜。
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