CN112067482A - 一种智能化模拟地震加载试验箱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能化模拟地震加载试验箱，包括地震模拟激发器、加速度传感器、砂垫层、模型箱支座、水分传感器、降雨模拟器、测量监测系统、手动操作面板、数据采集控制器、地下水位模拟控制器、计算机及软件系统、数据存储发射器、孔隙水压力传感器、电磁自动控制阀门、竖向荷载加载系统、电源和模型箱。本发明提供的技术方案能够通过震动波的形式将地震荷载模拟在模型试验中得以实现，真正体现出地震对于试样内部结构的损伤效应。本发明提供的技术方案能够模拟两个方向的地震荷载作用，即实现二维条件下的地震模拟加载，与实际地震中的作用过程相一致。

Description

一种智能化模拟地震加载试验箱

技术领域：

本发明属于岩土工程技术领域，尤其是涉及一种智能化模拟地震加载试验箱。

背景技术：

地震是众多自然灾害的一种，岩土工程中遇到地震后往往会引起构筑物发生破损甚至倒塌破坏，给工程造成严重的损害。通过试验技术模拟地震作用，结合预定的模型进行地震加载情况下的模型试验能够准确地测试地震作用下岩土体的响应，更好地为防灾减灾工作服务。已有技术中往往通过动三轴仪和振动台等试验方法对地震荷载进行模拟，或者在现场通过爆破的方法进行地震荷载模拟。其中动三轴仪仅能够模拟小尺度试样的地震破坏，现场爆破能够模拟地震作用下大型边坡、隧道等工程的响应，但现场试验由于成本较高导致重复性有限，而振动台试验则能够对缩尺处理后的模型进行模拟分析，且操作简单，可以进行批量试验。但目前的微型振动台主要基于偏轴转动结合一定长度的机械臂完成振动操作，振动过程中由于机械臂长度有限且电机与偏轴通过皮带等方式连接的限制，导致振动台在振动过程中的振幅不可调节，皮带时间久后容易打滑影响频率的具体施加。且目前的机械偏轴转动方式在振动台试验中不容易施加随机波荷载。

利用爆炸的方法进行地震震源的模拟往往安全性方面需要格外注意，同时对周围的构筑物等会产生一定的影响，尤其是在城市范围内不允许使用该方法，故该方法的使用具有一定的局限性。

室内利用动三轴进行模拟地震加载中只能够模拟地震对尺寸较小的圆柱样的影响，对模型则无法提供地震模拟加载；而现有技术中的振动台试验都在一定尺寸的模型箱中放置模型，通过整个模型箱的振动模拟地震荷载扰动，且振动台由一微和二维两种振动台，整个箱体的振动过程中模型跟着一起振动，对于小幅地震荷载无法模拟，并不能够反映地震引起土体结构损伤。

传统的偏心轴单点荷载转动模拟触发地震方式的方式不能够对振幅进行调节，并且其控制精度并不精确，采用单点荷载转动模拟触发地震方式与真实地震的振动方式相差较大，不能够反应地震的真实情况，因此其实现数据误差较大。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：本发明提供一种智能化二维地震模拟加载试验箱要解决爆炸模拟地震影响的不安全性以及可控性较差的不足之处，以及解决动三轴只能够模拟小尺寸试样地震加载不足的问题，同时解决已有振动台不能够模拟试样结构损伤的不足的问题。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种智能化模拟地震加载试验箱，包括地震模拟激发器、加速度传感器、砂垫层、模型箱支座、水分传感器、降雨模拟器、测量监测系统、手动操作面板、数据采集控制器、地下水位模拟控制器、计算机及软件系统、数据存储发射器、孔隙水压力传感器、电磁自动控制阀门、竖向荷载加载系统、电源和模型箱，所述模型箱固定安装在模型箱支座上，所述地震模拟激发器固定设置在模型箱的X、Y、Z三个方向的箱壁上，所述砂垫层布设在模型箱的底部，所述模型箱内设置有模型试块，所述加速度传感器和水分传感器埋设在模型试块内部，所述降雨模拟器和测量监测系统均设置在模型箱顶部，所述模型箱的外壁上还设置手动操作面板、数据采集控制器、地下水位模拟控制器和数据存储发射器，所述孔隙水压力传感器设置在砂垫层上，所述地下水位模拟控制器与孔隙水压力传感器通过管路连接，并且地下水位模拟控制器与孔隙水压力传感器之间的管路上设置电磁自动控制阀门，所述竖向荷载加载系统固定设置在模型箱的顶部，所述加速度传感器、水分传感器、降雨模拟器、测量监测系统、手动操作面板、数据采集控制器、地下水位模拟控制器、数据存储发射器、孔隙水压力传感器、电磁自动控制阀门和竖向荷载加载系统均通讯至数据存储发射器，所述数据存储发射器电线连接至计算机及软件系统，所述计算机及软件系统电路连接至电源，模型试块放置在模型箱内。

作为优选，所述地震模拟激发器包括外壳体、第一数据采集控制器、控制主板、滑动触头和地震激发触头，所述控制主板安装在外壳体内部，所述控制主板上的控制模块电路连接有第一数据采集控制器频谱分析器、增益器和电源稳压器，所述外壳体上还设置有液晶显示面板和手动调节面板，所述液晶显示面板和手动调节面板电路连接至控制主板的控制模块，数个分布地震激发触头安装在外壳体上，并且外壳体上还设置有数个与各个地震激发触头一一对应的电磁线圈，各个电磁线圈分别通过电流控制器电路连接至控制主板的控制模块，所述外壳体安装在模型箱上。

作为优选，所述竖向荷载加载系统包括加载板、缓冲过渡区、磁场加载控制器、第二数据采集控制器、压力传感器和承载架，所述承载架固定安装在模型箱上，所述磁场加载控制器固定安装在承载架上，所述加载板通过卡槽滑动安装在承载架上，所述缓冲过渡区设置在加载板下部四周边缘位置处，所述磁场加载控制器位于加载板的顶部，所述压力传感器固定设置在加载板下部，所述第二数据采集控制器安装在加载板上，所述磁场加载控制器和压力传感器通讯连接至第二数据采集控制器，所述第二数据采集控制器通讯连接至数据存储发射器。

作为优选，所述土样顶部固定设置有与测量监测系统相对应的激光标准点。

与现有技术相比，本发明的有益之处是：

本发明提供的技术方案能够通过震动波的形式将地震荷载模拟在模型试验中得以实现，真正体现出地震对于试样内部结构的损伤效应。

本发明提供的技术方案能够模拟两个方向的地震荷载作用，即实现二维条件下的地震模拟加载，与实际地震中的作用过程相一致。

本发明通过分布设置多个地震激发触头实现地震模拟加载中土样微结构损伤，以模拟结构损伤对后期土体失稳的影响，每个方向的地震模拟加载器中设置有弯曲元测试系统，能够对土体的结构性进行测试，震动荷载施加前后进行样品结构性测试，通过对比获得试样微结构损伤程度数据，据此将微结构损伤与宏观破坏建立联系，实现宏微观相结合的创新技术。

本发明通过分布设置多个地震激发触头在土体试样的整个面上产生动荷载，克服了传统技术采用点的方式产生动荷载模拟地震不准确的缺陷，地震模拟激发器的整个面激发产生动荷载更加符合地震或者其他震动荷载的实际情况；

本发明采用的动荷载由多个地震激发触头互相排列组合后产生，能够模拟不同频率、不同幅值、不同持时的动荷载，适用范围更加广泛，克服了而目前的单点式激发器只能产生固定频率和幅值的动荷载，适用范围小的缺陷。

附图说明：

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明的结构示意图。

图2地震模拟激发器的结构示意图。

图3是竖向荷载加载系统的结构示意图。

图4是激光标准点的设置方式示意图。

具体实施方式：

下面结合具体实施方式对本发明进行详细描述：

如图1至图4所示的一种智能化模拟地震加载试验箱，包括地震模拟激发器1、加速度传感器2、砂垫层3、模型箱支座4、水分传感器5、降雨模拟器6、测量监测系统7、手动操作面板8、数据采集控制器9、地下水位模拟控制器10、计算机及软件系统11、数据存储发射器12、孔隙水压力传感器13、电磁自动控制阀门14、竖向荷载加载系统15、电源16和模型箱17，所述模型箱17固定安装在模型箱支座4上，所述地震模拟激发器1固定设置在模型箱17的X、Y、Z三个方向的箱壁上，其中Z方向的激发器固定在模型箱的底部，激发器使用的电磁激发系统进行激发，突破了传统激发器使用偏轴旋转的方式提供振动荷载，本发明提供的地震荷载能够确保地震荷载以地震波的形式进行传播，与实际地震荷载更加接近，且能够反映地震过程中土体结构的内部损伤，传统的振动台在整个试块的振动中无法将土体内部结构的损伤得以反映，三个方向都安装地震激发器能够提供任意两个方向地震荷载的组合形式模拟地震作用，在不改变模型的情况下能够对同一模型实现不同形式地震荷载的模拟，所述砂垫层3布设在模型箱17的底部，防止底部地下水位升高过程中破坏模型试块，为试验结构的准确性提供重要保障，模型箱支座4为整个模型箱提供支撑，并能够将模型箱与地面固定在一起，防止箱体振动与模型块振动产生共振影响试验结果的准确性，所述模型箱17内设置有模型试块18，所述加速度传感器2和水分传感器5埋设在模型试块18内部，用于接收地震激发器激发地震后对试样扰动后地震波的接收，与地震模拟激发器配合使用进行地震加载模拟，该加速度传感器2布设在地震激发器对面的壁面上，分层布设，进行不同位置处地震波信息的接收，加速度传感器与地震模拟激发器及数据采集控制器组成自馈系统，能够根据加速度传感器接收到的信息及时改变激发器施加的荷载幅值，确保地震激发模拟器能够准确模拟地震荷载，水分传感器5用于实时监测模型块体不同位置处的含水量的变化，根据降雨模拟器及地下水位升高系统增湿试验进行实时控制，防止水分过大或者未达到试验方案的要求而影响试验结果，所述降雨模拟器6和测量监测系统7均设置在模型箱17顶部，降雨模拟器6根据试验方案设计对模型箱中的试块进行降雨模拟试验，通过该装置对试块的表面进行增湿，测量监测系统7包括数码照片采集和位移测量两部分，数码照片能够连续采集模型块体不同位置处的实时变化，位移测量包括模型块体各个面上不同位置处的水平位移和垂直位移，位移测量通过激光扫描技术完成，精度较高，且可以直接生成三维模型，为后期的数值计算提供基础数据，所述模型箱17的外壁上还设置手动操作面板8、数据采集控制器9、地下水位模拟控制器10和数据存储发射器12，手动操作面板8手动操作模型箱的交互界面，能够手动对整个模型箱的功能进行操作，该面板上除常规操作按扭外，还有一处按钮为紧急制动按钮，一旦发生试验错误或者其他紧急情况可以立即终止试验，是整个系统的安全保障之一，地下水位模拟控制器10能够根据现场调查实现模型块体底部地下水位升高模拟，利于蠕动泵能够控制水位抬升的速率，，所述孔隙水压力传感器13设置在砂垫层3上，孔隙水压力传感器13实时监测模型块体不同位置处的孔隙水压力，所述地下水位模拟控制器10与孔隙水压力传感器13通过管路连接，并且地下水位模拟控制器10与孔隙水压力传感器13之间的管路上设置电磁自动控制阀门14，电磁自动控制阀门14能够根据计算机指令进行关闭和开启，同时能够监测经过该阀门的流量和流速，所述竖向荷载加载系统15固定设置在模型箱17的顶部，竖向荷载加载系统15能够利用该系统对模型块体的顶部进行加载，实现上覆压力的模拟，所述加速度传感器2、水分传感器5、降雨模拟器6、测量监测系统7、手动操作面板8、数据采集控制器9、地下水位模拟控制器10、数据存储发射器12、孔隙水压力传感器13、电磁自动控制阀门14和竖向荷载加载系统15均通讯至数据存储发射器12，数据存储发射器包括数据存储和发射器功能，能够将所有传感器和控制器采集的数据进行存储和基于无线发射器传输至计算机或者手机APP端，同时该控制器也是手机控制整个系统的终端，基于该存储发射器实现手机对整个模型箱的控制和监控，所述数据存储发射器12电线连接至计算机及软件系统11，所述计算机及软件系统11电路连接至电源16，计算机及软件系统11主要进行数据采集和存储，同时计算机中内置的软件平台能够进行各种试验方案的设置，整个系统自动化程度较高，可以实现自动化控制，模型试块18放置在模型箱17内，电源16为整个系统供电，该电源内置UPS电源，遇到停电或线路检修等突发情况也可以为整个系统提供不间断供电。本发明中的测量系统、加载系统、增湿系统等与数据采集控制器均可组成自馈式控制系统.

如图2所示所述地震模拟激发器1包括外壳体109、第一数据采集控制器101、控制主板108、滑动触头91和地震激发触头107，所述控制主板108安装在外壳体1内部，所述控制主板108上的控制模块电路连接有第一数据采集控制器101频谱分析器102、增益器103和电源稳压器106，所述外壳体1上还设置有液晶显示面板104和手动调节面板105，所述液晶显示面板104和手动调节面板105电路连接至控制主板108的控制模块，数个分布地震激发触头107安装在外壳体1上，并且外壳体1上还设置有数个与各个地震激发触头107一一对应的电磁线圈92，各个电磁线圈92分别通过电流控制器电路连接至控制主板108的控制模块，所述外壳体109安装在模型箱17上，第一数据采集控制器101主要用于外部数据接收并且将接收到的指令传输至频谱分析器，频谱分析器102对外部输入的频谱数据进行分析，然后转换为不同幅值的地震动荷载，并将地震动荷载传递至增益器；增益器103将接受到的数据在增益器中进行放大，将放大后的信号传递至地震激发触头模拟地震动荷载；液晶显示面板104实时显示施加的地震荷载数据以及运行时间等数据；手动调节面板105对地震加载器的振动数据可以进行调整，同时该模块可进行简单等幅正弦波可以直接手动施加；电源稳压器106对外部输入的电流进行稳压及变压操作；地震激发触头107主要将接收到的信息以电磁波的形式加载至试块的侧面上，模拟地震荷载；电磁线圈92的磁通量的改变引起驱动地震激发触头107幅值频率的改变，控制主板108上的控制模块对各个电路连接至地震激发触头107的电流控制器进行调节即可实现对震动激发能量的精确控制，通过电流控制器改变流经电磁线圈92电流的大小和通电区间，即可实现对地震激发触头107的振动频率、振幅和振动持续时间进行精确控制，本发明分布设置多个地震激发触头107实现了任意两个方向地震荷载的组合，与地震真实情况一致，模拟效果更加明显。

如图3所示所述竖向荷载加载系统15包括加载板151、缓冲过渡区152、磁场加载控制器154、第二数据采集控制器155、压力传感器156和承载架，加载板151的主要功能是将垂直荷载传递至试样顶部，加载板内置磁铁，在上部磁场加载控制器的磁力作用下进行竖向荷载的施加；缓冲过渡区152该区为充填的柔性材料等，主要为地震激发器与试块接触的缓冲区，内部充填材料有利于地震波的传播，同时将模型试块固定在模型箱中，起到良好的限位作用；模型试块18为试验对象，即为现场取备的土块或者室内利用制样器专门预制的试块；磁场加载控制器154内部主要为线圈组成，将电流在此转化为磁场，利用该磁场与试块顶部的加载板实现垂向荷载的施加，该加载系统无直接的传力装置，而是利用磁场进行荷载传递，为防止磁场对传感器采集数据的影响，本发明中的所有传感器外侧均涂抹防磁化材料；数据采集控制器155进行竖向荷载数据的采集和存储，并将数据传输至计算机，同时该控制器能够将接收到的垂向荷载数据转化为电信号，传递至磁场加载控制器，进行荷载施加；压力传感器156主要用于采集竖向，即试块垂直方向上的荷载，与垂向加载系统和数据采集控制器构成自馈系统，更加准确地进行竖向荷载施加；所述承载架固定安装在模型箱17上，所述磁场加载控制器154固定安装在承载架上，所述加载板151通过卡槽滑动安装在承载架上，安装模型试块18时可以将加载板151取下，安装完成后与模型试块18紧密接触，然后通过电磁力进行加压试验，所述缓冲过渡区152设置在加载板151下部四周边缘位置处，所述磁场加载控制器154位于加载板151的顶部，所述压力传感器156固定设置在加载板151下部，所述第二数据采集控制器155安装在加载板151上，所述磁场加载控制器154和压力传感器156通讯连接至第二数据采集控制器155，所述第二数据采集控制器155通讯连接至数据存储发射器12。

如图4所示所述土样顶部固定设置有与测量监测系统7相对应的激光标准点401，激光点标准点401可以粘贴或者利用固定针进行固定到模型试块18上，可以根据激光点标准点401的变化情况对模型试块18的水平及垂直位移进行监测，利用激光扫描机进行标准点反复扫描，一旦位置发生变化，或者局部产生位移，监测系统会及时进行记录，将模型试块的变形情况转化为数据实时传递至计算机进行分析。

本发明的实施方式为：

实施方式如下：

1、系统检查：试验开始前首先对整个试验系统进行检查，确保所有的传感器均可以正常工作，还应该检查模型箱密封处的密封性，对整个装置中的各个模块的联动性进行详细检查；

2、试样安装：将削制好的原状试块或经由制样器压制的重塑试块安装至模型箱中。试块安装前需要在底部放置缓冲材料和砂层，砂层的主要功能是放置模拟水位升高过程中将试块冲坏，后将模型试验中设置的加速度传感器和水分传感器等固定至模型的对应位置，利用外部支架和螺栓对传感器进一步固定，并将地震模拟加载板进行固定，确保与试块接触良好，试块安装过程中务必小心翼翼，防止将试块的表面破损，固定数码相机和数采系统；

3、试样含水量控制：利用增湿系统根据试验方案对试块进行增湿操作，随着底部水位的升高可以实时模拟地下水位的升高，亦可进行饱和试块模拟地震液化试验，本发明提供的增湿系统提供了两种技术方法，一种是利用底部水位升高的方法模拟地下水位升高，另一种通过顶部降雨的方式模拟表面增湿，两种方法可以单独使用，也可以联合使用，整个试验中可以进行多种组合进行模拟不同工况；

4、地震模拟试验：首先根据试验方案在计算机的软件平台上进行参数输入，计算机将指令通过软件平台传输至数据采集控制器，数据采集控制器对各个传感器的数据进行实时采集，并进行增湿操作，实现地震荷载与增湿系统系统作用，模拟地震降雨耦合作用下边坡、隧道、路基等工程的稳定性模拟。地震加载过程中可以使用X方向的水平地震、Y方向的水平地震、Z方向的垂直地震，三个方向均设置了地震激发模拟器，可以进行组合，实现各种工况下地震荷载的施加，大大拓宽了地震荷载的模拟范围。本发明中提供了竖向加载系统，可根据需要利用电磁加载模块进行垂向荷载施加，模拟岩土体的上覆荷载；

5、设备清理：试验结束后首先进行卸载，然后将试块从设备上拆除，然后利用模型箱中的自动冲刷系统清理设备上洒落的泥土，保持整个设备干净整洁，为后续测试做好准备。

需要强调的是：对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (4)

1.一种智能化模拟地震加载试验箱，其特征在于：包括地震模拟激发器(1)、加速度传感器(2)、砂垫层(3)、模型箱支座(4)、水分传感器(5)、降雨模拟器(6)、测量监测系统(7)、手动操作面板(8)、数据采集控制器(9)、地下水位模拟控制器(10)、计算机及软件系统(11)、数据存储发射器(12)、孔隙水压力传感器(13)、电磁自动控制阀门(14)、竖向荷载加载系统(15)、电源(16)和模型箱(17)，所述模型箱(17)固定安装在模型箱支座(4)上，所述地震模拟激发器(1)固定设置在模型箱(17)的X、Y、Z三个方向的箱壁上，所述砂垫层(3)布设在模型箱(17)的底部，所述模型箱(17)内设置有模型试块(18)，所述加速度传感器(2)和水分传感器(5)埋设在模型试块(18)内部，所述降雨模拟器(6)和测量监测系统(7)均设置在模型箱(17)顶部，所述模型箱(17)的外壁上还设置手动操作面板(8)、数据采集控制器(9)、地下水位模拟控制器(10)和数据存储发射器(12)，所述孔隙水压力传感器(13)设置在砂垫层(3)上，所述地下水位模拟控制器(10)与孔隙水压力传感器(13)通过管路连接，并且地下水位模拟控制器(10)与孔隙水压力传感器(13)之间的管路上设置电磁自动控制阀门(14)，所述竖向荷载加载系统(15)固定设置在模型箱(17)的顶部，所述加速度传感器(2)、水分传感器(5)、降雨模拟器(6)、测量监测系统(7)、手动操作面板(8)、数据采集控制器(9)、地下水位模拟控制器(10)、数据存储发射器(12)、孔隙水压力传感器(13)、电磁自动控制阀门(14)和竖向荷载加载系统(15)均通讯至数据存储发射器(12)，所述数据存储发射器(12)电线连接至计算机及软件系统(11)，所述计算机及软件系统(11)电路连接至电源(16)，模型试块(18)放置在模型箱(17)内。

2.根据权利要求1所述的智能化模拟地震加载试验箱，其特征在于：所述地震模拟激发器(1)包括外壳体(109)、第一数据采集控制器(101)、控制主板(108)、滑动触头(91)和地震激发触头(107)，所述控制主板(108)安装在外壳体(1)内部，所述控制主板(108)上的控制模块电路连接有第一数据采集控制器(101)频谱分析器(102)、增益器(103)和电源稳压器(106)，所述外壳体(1)上还设置有液晶显示面板(104)和手动调节面板(105)，所述液晶显示面板(104)和手动调节面板(105)电路连接至控制主板(108)的控制模块，数个分布地震激发触头(107)安装在外壳体(1)上，并且外壳体(1)上还设置有数个与各个地震激发触头(107)一一对应的电磁线圈(92)，各个电磁线圈(92)分别通过电流控制器电路连接至控制主板(108)的控制模块，所述外壳体(109)安装在模型箱(17)上。

3.根据权利要求1所述的智能化模拟地震加载试验箱，其特征在于：所述竖向荷载加载系统(15)包括加载板(151)、缓冲过渡区(152)、磁场加载控制器(154)、第二数据采集控制器(155)、压力传感器(156)和承载架，所述承载架固定安装在模型箱(17)上，所述磁场加载控制器(154)固定安装在承载架上，所述加载板(151)通过卡槽滑动安装在承载架上，所述缓冲过渡区(152)设置在加载板(151)下部四周边缘位置处，所述磁场加载控制器(154)位于加载板(151)的顶部，所述压力传感器(156)固定设置在加载板(151)下部，所述第二数据采集控制器(155)安装在加载板(151)上，所述磁场加载控制器(154)和压力传感器(156)通讯连接至第二数据采集控制器(155)，所述第二数据采集控制器(155)通讯连接至数据存储发射器(12)。

4.根据权利要求1所述的智能化模拟地震加载试验箱，其特征在于：所述土样顶部固定设置有与测量监测系统(7)相对应的激光标准点(401)。

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