CN112748233A - 一种地震作用下处置场场地稳定性模拟装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种地震作用下处置场场地稳定性模拟装置，其包括基板，基板上设置模型箱，模拟土层从上到下依次填充有粉质黏土夹碎石层、中间强风化带层和中风化粉砂质岩层；粉质黏土夹碎石层、中间强风化带层和中风化粉砂质岩层的一侧形成坡道，模拟土层内埋设有若干加速度传感器、激光位移传感器和应变片。本方案提供的模拟方法包括：检测地震波条件下的加速度，计算加速度放大系数，对比放大系数对模拟土层的稳定性影响，分析稳定系数K对稳定性影响。可为地震滑坡、泥石流的预防和治理工作提供有针对性的依据，并可以实现对边坡稳定状态的实时掌握。

Description

一种地震作用下处置场场地稳定性模拟装置及方法
技术领域
本发明涉及地质活动研究技术领域，具体涉及一种地震作用下处置场场地稳定性模拟装置及方法。
背景技术
大量地震灾害显示，地震中死亡的人没有一个是“振”死的。地震造成人员伤亡的根本原因是地震动对工程结构的破坏以及引发的次生灾害，边坡失稳就是其中最为常见的地震次生灾害之一，在山区或丘陵地区，其危害程度有时甚至超越了地震动引起的结构破坏。因此，针对边坡地震稳定性的研究工作历来是岩土工程与工程地震领域重点课题之一。
特殊的地理环境，活跃的地质构造以及飞速发展的城市化建设又使得边坡地震稳定性问题在我国尤为突出。因此，开展边坡地震稳定性研究，对于我国边坡灾害的风险评估、抗震加固设计以及减轻滑坡灾害造成的损失具有十分重要的理论意义和工程应用价值。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种模拟准确、精度高的地震作用下处置场场地稳定性模拟装置及方法。
为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
提供一种地震作用下处置场场地稳定性模拟装置，其包括基板，基板上设置模型箱，模型箱的上端开口，模型箱通过若干型钢焊接构成，模型箱内设置有模拟土层，模拟土层从上到下依次填充有粉质黏土夹碎石层、中间强风化带层和中风化粉砂质岩层；粉质黏土夹碎石层、中间强风化带层和中风化粉砂质岩层的一侧形成坡道，模拟土层内埋设有若干加速度传感器，坡道表面设置有若干激光位移传感器，模型箱的上方设置有处置单元，处置单元的下方设置有延长杆，延长杆上设置有软质PVC玻璃材质的应变带，应变带的上粘接有若干应变片。
提供一种采用上述地震作用下处置场场地稳定性模拟装置的模拟方法，其包括以下步骤：
S1：将模型箱放置在地震发生装置上，在模型箱的上方架设处置单元；
S2：向箱体内依次填充粉质黏土夹碎石层、中间强风化带层和中风化粉砂质岩层：
S3：选取模拟土层内三个竖向的截面作为研究截面，并在三个研究截面上埋设若干加速度传感器；
S3：建立加速度放大系数Ki，Ki＝max[Yi(t)]/max[X(t)]，其中，max[Yi(t)]为测点i的加速度峰值，max[X(t)]为地震发生装置产生的加速度峰值，Yi(t)为测点i的加速度时程，X(t)为地震发生装置产生的加速度时程；
S4：地震发生装置驱动施加地震波；
S5：分别采集三个研究截面上加速度传感器的检测值；
S6：计算每个测点i处的加速度放大系数；
S7：绘制三个研究截面上每个测点i的加速度放大系数与研究截面的高度对应的关系图；
S8：对比放大系数在各个研究截面上的分布，得到地震波对模拟土层的稳定性影响；
S9：将模拟土层划分成若干个潜在滑移区，采集每个滑移区内应变片检测的应力值Fi；
S10：计算每个滑移区的稳定系数K；
S11：将稳定系数K与规定的稳定系数范围进行比较，若稳定系数K落在稳定系数范围内，则该潜在滑移区稳定性良好，否则该潜在滑移区稳定性差。
本发明的有益效果为：本方案的模拟装置用于模拟地震波对边坡稳定性的影响，以此来判断地震波对不同地层的稳定性影响，通过在模型箱内装填模拟土层，用来模拟现实坡道的土质结构，应变带上的应变片用于采集地震波作用下，坡道潜在下滑时土质发生的应变，加速度传感器用于检测坡道潜在下滑时产生的加速度，激光位移传感器用于检测坡道下滑时产生的位移。
本方案的模拟方法通过研究施加的地震波对断层或强风化带加速度传播的影响，并通过计算加速度系数，来对比不同地层中稳定性，能更加直观的获取稳定性结果，模拟精度高，同时通过对潜在滑移区的研究，直观的得到滑移区滑移面的稳定性，增加稳定性的判定依据，进一步确保模拟精度。可为地震滑坡、泥石流的预防和治理工作提供有针对性的依据，并可以实现对边坡稳定状态的实时掌握。
附图说明
图1为模型箱的主视图。
图2为模型箱的俯视图。
图3为加速度传感器、激光位移传感器和应变片的分布图。
图4为应变带的结构图。
图5为加速度放大系数与研究截面高度对应的关系图。
图6为滑移面的划分示意图。
其中，1、模型箱，2、加强筋，3、基板，4、泡沫板，5、型钢，6、挡板，7、钢板，8、海绵层，9、研究截面，10、应变带，11、应变片，12、中间强风化带层，13、处置单元，14、粉质黏土夹碎石层，15、加速度传感器，16、激光位移传感器，17、延长杆，18、中风化粉砂质岩层。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1至图4所示，本方案的地震作用下处置场场地稳定性模拟装置包括基板3，基板3上设置模型箱1，模型箱1的上端开口，模型箱1通过若干型钢5焊接构成，模型箱1内设置有模拟土层，模拟土层从上到下依次填充有粉质黏土夹碎石层14、中间强风化带层12和中风化粉砂质岩层18；粉质黏土夹碎石层14、中间强风化带层12和中风化粉砂质岩层18的一侧形成坡道，模拟土层内埋设有若干加速度传感器15，坡道表面设置有若干激光位移传感器16，模型箱1的上方设置有处置单元13，处置单元13的下方设置有延长杆17，延长杆17上设置有软质PVC玻璃材质的应变带10，应变带10的上粘接有若干应变片11。
本方案的模拟装置用于模拟地震波对边坡稳定性的影响，以此来判断地震波对不同地层的稳定性影响，通过在模型箱1内装填模拟土层，用来模拟现实坡道的土质结构，应变带10上的应变片11用于采集地震波作用下，坡道潜在下滑时土质发生的应变，加速度传感器15用于检测坡道潜在下滑时产生的加速度，激光位移传感器16用于检测坡道下滑时产生的位移。
本方案的模型箱1通过若干十字交叉的型钢5焊接构成，模型箱1的四周设置有若干加强筋2，加强筋2固定在基板3上，满足刚度要求。模型箱1内一个侧面上设置有有机玻璃材质的挡板6，模型箱1内的另外三个侧面上设置有钢板7。挡板6可随时观测模型箱1内的变化。挡板6和钢板7上均设置有若干层泡沫板4，层泡沫板4上设置有海绵层8，模拟吸波材料，减小振动波在边界上的反射。
本方案采用上述地震作用下处置场场地稳定性模拟装置的模拟方法包括以下步骤：
S1：将模型箱1放置在地震发生装置上，在模型箱1的上方架设处置单元13，处置单元13固定在模型箱1上方；
S2：向箱体内依次填充粉质黏土夹碎石层14、中间强风化带层12和中风化粉砂质岩层18：
S3：选取模拟土层内三个竖向的截面作为研究截面9，并在三个研究截面9上埋设若干加速度传感器15，如图3所示；
S3：建立加速度放大系数Ki，Ki＝max[Yi(t)]/max[X(t)]，其中，max[Yi(t)]为加速度传感器15所在测点i的加速度峰值，max[X(t)]为地震发生装置产生的加速度峰值，Yi(t)为测点i的加速度时程，X(t)为地震发生装置产生的加速度时程；
S4：地震发生装置驱动施加地震波，本方案优选施加0.33g的汶川清屏波；
S5：分别采集三个研究截面9上每个加速度传感器15的检测值；
S6：计算每个测点i处的加速度放大系数；
S7：绘制三个研究截面9上每个加速度放大系数与研究截面9高度对应的关系图，如图5所示；
S8：对比放大系数在各个研究截面9上沿高度的分布，分析不同强度的地震波对模拟土层的稳定性影响；
由图5所示，在底部中风化粉砂质岩层18部分，加速度放大系数随高度增加而增大；在中间强风化带层12附近，相对来说地震波峰值发生了衰减，强风化土体呈现出非线性特征；在上部粉质粘土夹碎石层中，加速度放大系数随高程增加而增大，就中间强风化带层12而言，此层整体结构相较于底部中风化粉砂质页岩层而言，稳定性减弱，刚度减小，传力性能减弱，土体呈现出非线性特征，加速度放大系数减小。
S9：将模拟土层划分成若干个潜在滑移区，如图6所示，本方案将模拟土层划分成四个潜在滑移区，采集每个潜在滑移区内应变片11检测的应力值Fi；
S10：计算每个潜在滑移区的稳定系数K，稳定系数
Figure BDA0002885233380000061
其中抗滑力
Figure BDA0002885233380000062
Gi为区块重力，θi为滑移区上滑移面与水平方向的夹角，
Figure BDA0002885233380000063
为滑移面的摩擦角，c为滑移面的粘聚力，li为滑移面的长度；
S11：将稳定系数K与规定的稳定系数范围进行比较，若稳定系数K落在稳定系数范围内，则该潜在滑移区稳定性良好，否则该潜在滑移区稳定性差。
本方案的模拟方法通过研究施加的地震波对断层或强风化带加速度传播的影响，并通过计算加速度系数，来对比不同地层中稳定性，能更加直观的获取稳定性结果，模拟精度高，同时通过对潜在滑移区的研究，直观的得到滑移区滑移面的稳定性，增加稳定性的判定依据，进一步确保模拟精度。可为地震滑坡、泥石流的预防和治理工作提供有针对性的依据，并可以实现对边坡稳定状态的实时掌握。

Claims (7)

1.一种地震作用下处置场场地稳定性模拟装置，其特征在于，包括基板(3)，所述基板(3)上设置模型箱(1)，所述模型箱(1)的上端开口，所述模型箱(1)通过若干型钢(5)焊接构成，所述模型箱(1)内设置有模拟土层，所述模拟土层从上到下依次填充有粉质黏土夹碎石层(14)、中间强风化带层(12)和中风化粉砂质岩层(18)；所述粉质黏土夹碎石层(14)、中间强风化带层(12)和中风化粉砂质岩层(18)的一侧形成坡道，所述模拟土层内埋设有若干加速度传感器(15)，所述坡道表面设置有若干激光位移传感器(16)，所述模型箱(1)的上方设置有处置单元(13)，所述处置单元(13)的下方设置有延长杆(17)，所述延长杆(17)上设置有软质PVC玻璃材质的应变带(10)，所述应变带(10)的上粘接有若干应变片(11)。
2.根据权利要求1所述的地震作用下处置场场地稳定性模拟装置，其特征在于，所述模型箱(1)通过若干十字交叉的型钢(5)焊接构成。
3.根据权利要求2所述的地震作用下处置场场地稳定性模拟装置，其特征在于，所述模型箱(1)内一个侧面上设置有有机玻璃材质的挡板(6)，其余三个侧面上设置有钢板(7)。
4.根据权利要求3所述的地震作用下处置场场地稳定性模拟装置，其特征在于，所述挡板(6)和钢板(7)上均设置有若干层泡沫板(4)，所述层泡沫板(4)上设置有海绵层(8)。
5.根据权利要求1所述的地震作用下处置场场地稳定性模拟装置，其特征在于，所述模型箱(1)的四周设置有若干加强筋(2)，所述加强筋(2)固定在基板(3)上。
6.一种采用权利要求1-5任一项所述的地震作用下处置场场地稳定性模拟装置的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将模型箱(1)放置在地震发生装置上，在模型箱(1)的上方架设处置单元(13)；
S2：向箱体内依次填充粉质黏土夹碎石层(14)、中间强风化带层(12)和中风化粉砂质岩层(18)：
S3：选取模拟土层内三个竖向的截面作为研究截面(9)，并在三个研究截面(9)上埋设若干加速度传感器(15)；
S3：建立加速度放大系数Ki，Ki＝max[Yi(t)]/max[X(t)]，其中，max[Yi(t)]为加速度传感器(15)所在测点i的加速度峰值，max[X(t)]为地震发生装置产生的加速度峰值，Yi(t)为测点i的加速度时程，X(t)为地震发生装置产生的加速度时程；
S4：地震发生装置驱动施加地震波；
S5：分别采集三个研究截面(9)上加速度传感器(15)的检测值；
S6：计算每个测点i处的加速度放大系数；
S7：绘制三个研究截面(9)上每个测点i对应的加速度放大系数与研究截面(9)高度对应的关系图；
S8：对比放大系数在各个研究截面(9)的分布，得到地震波对模拟土层的稳定性影响；
S9：将模拟土层划分成若干个潜在滑移区，采集每个滑移区内应变片(11)检测的应力值Fi；
S10：计算每个滑移区的稳定系数K；
S11：将稳定系数K与规定的稳定系数范围进行比较，若稳定系数K落在稳定系数范围内，则该潜在滑移区稳定性良好，否则该潜在滑移区稳定性差。
7.根据权利要求6所述的地震作用下处置场场地稳定性模拟装置的模拟方法，其特征在于，所述稳定系数
Figure FDA0002885233370000031
其中抗滑力
Figure FDA0002885233370000032
Gi为区块重力，θi为滑移区上滑移面与水平方向的夹角，
Figure FDA0002885233370000033
为滑移面的摩擦角，c为滑移面的粘聚力，li为滑移面的长度。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113156088A (zh) * 2021-05-08 2021-07-23 北京工业大学 一种饱和软沉积物变形模拟地震试验用可视刚性模型箱

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CN113156088A (zh) * 2021-05-08 2021-07-23 北京工业大学 一种饱和软沉积物变形模拟地震试验用可视刚性模型箱

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