CN110940565B - 一种隧道振动台试验中非均质模型的设计及边界模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在隧道振动台实验中，非均质模型的设计及边界模拟方法，属于隧道工程的模型试验领域。原材料包括泡沫混凝土、木屑和沙子的混合物、环氧树脂胶、碳纤维单向布。非均质模型的设计提供了一种部分区域与周围岩体区别较大的真实场地的模型设计方法，使用相应的边界模拟方法，改善了该场景下使用模型箱造价过高、设计繁琐的问题，并一定程度上保持了模型箱所具备的维稳性，改善了模型箱和试体在接触面上存在的边界效应问题。

Description

一种隧道振动台试验中非均质模型的设计及边界模拟方法
技术领域
本发明属于隧道工程的模型试验领域，具体涉及非均质模型围岩结构的设计及其边界模拟方法。
背景技术
振动台模型试验在结构抗震研究中的应用越来越广泛，通过开展振动台试验对地震破坏现象进行重现，可以帮助研究者更好地了解地震破坏模式以及进行抗震设计。然而，利用振动台试验模拟涉及半无限场地的地震响应时，为了确保振动台试验结果与原型动力响应较为一致，除了进行尺寸缩放后再进行试验，还应力求使模型真实的模拟原场地且模型材料与边界面的接触条件可以模拟原型场地土的地震响应性状。但由于振动台的各种技术参数的限制及原场地土体的复杂性，采用有限的模型来模拟半无限场地下的复杂土体，有时就必须有一个容器来盛装模型材料，即模型箱。模拟土体的材料在模型箱中不可避免的将受到模型箱壁的制约，这就相当于人为的增加了边界，边界对其运动和变形的制约以及对地震波的反射都会对试验结果的合理性产生影响，即所谓的“模型箱效应”。目前模型箱可分为刚性箱体、剪切型箱体和柔性箱体，但不管哪一种模型箱形式，其共同点都是要尽量满足(1)结构牢固，以免结构在激振过程中失稳破坏(2)尺寸足够大，能消除模型箱边界效应的影响(3)避免模型箱与模拟材料因自振频率相近而发生共振，由此影响量测数据的利用价值的特点。长久以来，隧道振动台试验都面临着模型箱结构设计困难，造价高、易影响实验精度等问题。因此急需一种更好的装置和方法来缓解受多种条件制约的模型箱所带来的不便。但值得注意的是，并不是所有模型实验都必须需要模型箱来维持材料试体的稳固。如果原型土的模拟材料为松散物，如崔光耀等采用的粉煤灰、机油及河沙等材料的热熔混合物，采用刚度较大的模型箱是一种合理的办法，通过合理的设计可以达到试验要求。但如果采用粘结性较好且具有一定自立性的材料模拟原型土，如质量较轻、密度较小的泡沫混凝土和轻集料石膏等，能够很好的模拟诸如山岭隧道这样刚度较大的场地条件下的围岩性状。这种情况下，由于材料本身具有一定的粘结和自立性，可以像普通混凝土一样固结硬化，在试验过程中自身就可以保持一定的稳定，对于模型箱的需求也相应降低。另外，在非均质土体实验中，如围岩试体包含由松散材料模拟的断层破碎带，通过模型箱来使松散填充物和周围的围岩试体固定住就显得有些浪费。在这样的需求下，就需要一种能够模拟包含断层破碎带这样的薄弱地带且周围试体较为稳定的模型和一种造价较钢制模型箱低廉，设计简单且力学性能和边界条件尽可能贴合原型土地震响应性状的边界模拟方法。
发明内容
针对上述问题，本发明目的在于设计一种围岩试体由泡沫混凝土模拟的非均质振动台模型并发明一种在该种场景下的边界模拟方法。
为实现上述目的，本发明采用的实验方案为以容重600kg/m3的泡沫混凝土为围岩主体，质量比为1:1的木屑和沙的混合物作为中间部分软弱围岩的模拟材料，制成5m×3m×2m(长×宽×高)的模型试件。
该模型试件的独特点在于，此模型可以模拟一般的岩质场地，搭配木屑和沙的混合物，甚至可以模拟断层破碎带等特殊场地。主体部分采用泡沫混凝土进行浇筑，局部软弱区域为经压实的木屑和沙子混合物。试件一经制成，便可自立于地面，除混合物填充区域两侧需要挡板外，无需其他支撑，区别于松散土体材料，不必使用刚性模型箱进行约束。在该特定工况下，设计了一种新型的边界模拟方法。该特定模型边界模拟方法的原材料包括环氧树脂胶和碳纤维单向布。碳纤维单向布在经过环氧树脂胶完全浸润之后，能够充分发挥碳丝的强度，牢固的粘结在试体表面，结硬后，相当于在围岩外层嵌套了一层由碳纤维单向布组成的“薄壳”。该“薄壳”力学性能良好，具备较强的抗拉、抗弯曲强度，能够保证振动过程中试验模型的稳定且材料厚度不足2mm，振动过程中对地震波反射和折射的影响几乎可以忽略不计；单向布幅宽20cm，呈带状黏缠在试体表面，相当于给试件增加了捆绑边界，更加符合原场地土地震时的状态
本发明的工作机理是：采用粘结性能较好，具有一定自立性能的泡沫混凝土作为试件主体，使用经环氧树脂胶充分浸润后的碳纤维单向布粘结在试体表面，将木屑和沙的混合物固定在两侧围岩之间。既可以保证散粒体材料不外漏，又一定程度上对模型试体加以约束。
本发明采用的技术方案为一种在隧道振动台试验中非均质模型设计及边界模拟方法，该方法的原材料包括：泡沫混凝土、木屑和沙子的混合物、环氧树脂胶、碳纤维单向布。其中泡沫混凝土与由木屑和沙子组成的混合物的体积比为4:1，密度比为3:2，质量比为6:1，环氧树脂胶每平方米用量0.6-0.8kg。
隧道振动台试验中，使用泡沫混凝土及由木屑和沙子组成的混合物制作模型试件主体，其中泡沫混凝土浇筑于模型两端，各占模型总长度的2/5，用来模拟真实场地中岩体力学性能较好的区域，木屑和沙子的混合物填充于隧道中部，占模型总长度的1/5，用来模拟真实场地中岩体力学性能较差的区域，两者共同构成非均质模型主体；然后，使用环氧树脂胶和碳纤维单向布对上述非均质模型试件的模型边界进行设置，将碳纤维单向布浸渍环氧树脂胶后粘贴在模型试件表面，结硬后在试件表面形成一层薄壳，能够维持试件稳定，不再使用模型箱。由于该模型边界厚度小，在提供可靠强度支撑的同时还能够降低振动过程中的边界效应，带状形式的缠绕一定程度上模拟了捆绑边界，使模拟更加贴近真实。
所述原材料中的泡沫混凝土，容重为600kg/m3；木屑和沙子的混合物中的木屑和沙子按照质量比1:1进行混合，夯实后密度为400kg/m3岩体力学性能较好的。
所述真实场地中岩体力学较好的区域指的是容重在2500-2900kg/m3，弹性模量在2-10Gpa，泊松比在0.28-0.30之间；所述真实场地中岩体力学较差的区域指的是容重在2000-2200kg/m3，弹性模量在0.05-0.4GPa，泊松比在0.32-0.35之间。
所述环氧树脂胶包括环氧树脂和固化剂，二者按照质量比2:1的比例进行混合；碳纤维布幅宽20cm。
所述模型试件材料组成有两种，一是由泡沫混凝土、木屑和沙子的混合物组成；二是统一由泡沫混凝土组成。
步骤一：浇筑混凝土底板，板上植筋，并在其上使用泡沫混凝土浇筑模型试件主体。中间留存待填充的空白区域，两侧设置挡板。
步骤二：在中间留存的空白区域中，填充由木屑和沙子制成的松散材料，每填充30cm高即进行压实。压实后密度在400-500kg/m3之间。
步骤三：对模型进行清洁处理，使之无任何附着物，有尖锐棱角的地方需要打磨成圆角。使用环氧树脂及固化剂进行环氧树脂胶的调配，均匀的涂抹在泡沫混凝土表面，厚度为2mm。
步骤四：使用碳纤维单向布粘贴于试件表面。粘贴过程中，将裁剪好的碳纤维单向布贴于材料涂胶面，接头处要有一定搭接长度，上下两条平行的碳纤维单向之间要有2-3cm的重合。粘贴完成后，静置30分钟后即可。碳纤维单向布长度根据需要进行裁剪即可。
与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：
(1)边界条件更加真实。
使用模型箱时，通常会在模型箱的内壁上设置聚乙烯薄膜或聚苯乙烯泡沫塑料，来减小边界和模型箱端部的影响，甚至在模型箱底部设置垫层来防止试验中围岩试体与模型箱发生相对滑移。采用碳纤维单向布则不需要如此复杂的设置，其仅为不足2mm的厚度不仅能提供可靠的强度支撑，对地震波的反射和折射也可忽略不计，以带状形式缠绕在模型试件上一定程度模拟了捆绑边界，更加接近原型土的地震响应性状。
(2)力学性能优良。
碳纤维单向布在充分浸润环氧树脂胶后，能够牢固的粘结在模拟围岩的自稳性材料表面，并具备一定的抗拉、抗弯刚度及伸长率，能够满足振动台试验过程中对模型边界的要求。
(3)造价低廉
本发明中所使用的模拟边界的原材料相较于模型箱而言，使用寿命同为一次，但其成本低廉，无特殊材料。且在混凝土修补领域已经得到广泛应用，易获取并有一定的可靠度。
(4)操作简单
围岩试体的制作可按照混凝土制作过程进行，该过程成熟可靠，无需复杂施工工序；模拟边界的原材料无需复杂的安装，拼接及特殊设计，本身具备易于裁剪，方便施工的特点。
(5)提供了一种模拟岩质围岩的模型试体。
采用自立性材料模拟原场地本身具有较好力学性能的土体或岩体，搭配松散材料模拟薄弱部分，具有创新性。
附图说明
附图1为本发明所适用的振动台试验模型示意图。
附图2为本发明所用环氧树脂胶示意图。
附图3为本发明所用碳纤维单向布示意图。
附图4-6为本发明施工步骤示意图。
图中：1、容重600kg/m3的泡沫混凝土；2、质量比为1:1的木屑和沙子的混合物；3、C50混凝土制成的混凝土板；4、衬砌；5、幅宽20cm的碳纤维单向布；6、同种幅宽单向布交界面。
具体实施方式
为了清楚地了解本发明，下面结合附图并通过具体实施方式对本发明作进一步描述。
步骤一：浇筑混凝土底板，板上植筋，并在其上使用泡沫混凝土浇筑模型试件主体。中间留存待填充的空白区域，两侧设置挡板，如图1。
步骤二：在中间留存的空白区域中，填充由木屑和沙子制成的松散材料，每填充30cm高即进行压实。压实后密度在400-500kg/m3之间。
步骤三：对模型进行清洁处理，使之无任何附着物，有尖锐棱角的地方需要打磨成圆角。使用图2中所示的环氧树脂及固化剂进行环氧树脂胶的调配，均匀的涂抹在泡沫混凝土表面，厚度以2mm为宜。
步骤四：使用图3中所示碳纤维单向布粘贴于试件表面。粘贴过程中，将裁剪好的碳纤维单向布贴于材料涂胶面，接头处要有一定搭接长度，上下两条平行的碳纤维单向之间要有2-3cm的重合，如图5。粘贴完成后，静置30分钟后即可，最终效果如图6。碳纤维单向布长度根据需要进行裁剪即可。
以上对本发明的实例进行了说明，但本发明并不以此为限，还可以在不超出本发明要点的范围内进行适当变更。

Claims (5)

1.一种在隧道振动台试验中非均质模型设计及边界模拟方法，该方法的原材料包括：泡沫混凝土、木屑和沙子的混合物、环氧树脂胶、碳纤维单向布；其中泡沫混凝土与由木屑和沙子组成的混合物的体积比为4:1，密度比为3:2，质量比为6:1，环氧树脂胶每平方米用量0.6-0.8kg；
其特征在于：隧道振动台试验中，使用泡沫混凝土及由木屑和沙子组成的混合物制作非均质模型试件，其中泡沫混凝土浇筑于非均质模型试件两端，各占非均质模型试件总长度的2/5，用来模拟真实场地中岩体力学性能较好的区域；木屑和沙子的混合物填充于隧道中部，占非均质模型试件总长度的1/5，用来模拟真实场地中岩体力学性能较差的区域；然后，使用环氧树脂胶和碳纤维单向布对上述非均质模型试件的模型边界进行设置，将碳纤维单向布浸渍环氧树脂胶后粘贴在非均质模型试件表面，结硬后在非均质模型试件表面形成一层薄壳，能够维持非均质模型试件稳定，不再使用模型箱；由于该非均质模型试件的边界厚度小，在提供可靠强度支撑的同时还能够降低振动过程中的边界效应，带状形式的缠绕一定程度上模拟了捆绑边界，使模拟更加贴近真实。
2.根据权利要求1所述一种在隧道振动台试验中非均质模型的设计及边界模拟方法，其特征在于：所述原材料中的泡沫混凝土，容重为600kg/m3；木屑和沙子的混合物中的木屑和沙子按照质量比1:1进行混合，夯实后密度为400 kg/m3。
3.根据权利要求1所述一种在隧道振动台试验中非均质模型的设计及边界模拟方法，其特征在于：所述真实场地中岩体力学较好的区域指的是容重在2500-2900 kg/m3，弹性模量在2-10Gpa，泊松比在0.28-0.30之间；所述真实场地中岩体力学较差的区域指的是容重在2000-2200 kg/m3，弹性模量在0.05-0.4GPa，泊松比在0.32-0.35之间。
4.根据权利要求1所述一种在隧道振动台试验中非均质模型的设计及边界模拟方法，其特征在于：所述环氧树脂胶包括环氧树脂和固化剂，二者按照质量比2:1的比例进行混合；碳纤维布幅宽20cm。
5.根据权利要求1所述一种在隧道振动台试验中非均质模型的设计及边界模拟方法，其特征在于：所述非均质模型试件材料由泡沫混凝土、木屑和沙子的混合物组成；
模拟方法的实施步骤如下：
步骤一：浇筑混凝土底板，混凝土底板上植筋，并在混凝土底板上使用泡沫混凝土浇筑非均质模型试件主体；中间留存待填充的空白区域，两侧设置挡板；
步骤二：在中间留存的空白区域中，填充由木屑和沙子制成的松散材料，每填充30cm高即进行压实；压实后密度在400-500 kg/m3之间；
步骤三：对非均质模型试件进行清洁处理，使之无任何附着物，尖锐棱角处打磨成圆角；使用环氧树脂及固化剂进行环氧树脂胶的调配，均匀涂抹在泡沫混凝土表面，厚度为2mm；
步骤四：使用碳纤维单向布粘贴于非均质模型试件表面；粘贴过程中，将裁剪好的碳纤维单向布贴于材料涂胶面，接头处要有一定搭接长度，上下两条平行的碳纤维单向之间要有2-3cm的重合；粘贴完成后，静置30分钟后即可；碳纤维单向布长度根据需要进行裁剪即可。
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