CN115435992A - 高陡岩质边坡的地震动模拟装置及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高陡岩质边坡的地震动模拟装置及其试验方法，该方法包括如下步骤：根据高陡岩质边坡的现场工点资料确定边坡模型的砌筑结构；利用岩质边坡块体制作装置制作边坡模型的砌筑结构所需的若干块体单元；在模型箱内砌筑所述块体单元，完成边坡模型的建造，模型箱为透明结构；在边坡模型内布设动力指标测量仪器，在模型箱侧方布设PIV测试系统；利用大型地震模拟试验台设备加载不同的地震波形，记录实验数据，完成实验。本发明解决了传统试验中无法实时测量结构内部位移变形的问题，为高陡岩质边坡在地震作用下的变形研究和相关结构设计提供参考依据。
Description
技术领域
本发明属于边坡监测技术领域，具体涉及高陡岩质边坡的地震动模拟装置及其试验方法。
背景技术
在地震频发的地区，会出现大量的层状岩质边坡失稳破坏的案例，造成重大的财产损失和人员伤亡。
随着高原铁路建设的推进，高原线沿线存在有大量的高陡岩质边坡，一旦发生地震灾害，后果不堪设想。近年来，岩质边坡的动力稳定性问题受到越来越多的学者关注，大型振动台物理模型试验成为了有效研究边坡动力响应与破坏模式的重要手段之一，充分考虑岩质边坡节理和层理强度的影响对高陡岩质边坡的治理和抗震支挡结构设计具有重要的理论和现实意义。目前，考虑基岩倾角的高陡岩质边坡振动台模型试验鲜有研究，且传统型模型箱侧壁大多是由不透明的钢板焊接而成，并且位移测量大多是通过激光位移计，无法对坡体内部块体位移进行实时测量。
因此，本发明针对上述不足提出了改进和补充，提出了一种岩质边坡模型的制作和振动台试验方法。
发明内容
本发明提供一种高陡岩质边坡的地震动模拟装置及其试验方法，解决传统试验装置及方法无法实时测量模拟结构的内部位移变形且最终测量结果不准确等技术问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
高陡岩质边坡的地震动模拟试验方法，包括如下步骤：
根据高陡岩质边坡的现场工点资料确定边坡模型的砌筑结构；
利用岩质边坡块体制作装置制作边坡模型的砌筑结构所需的若干块体单元；在模型箱内砌筑所述块体单元，完成边坡模型的建造，模型箱为透明结构；
在边坡模型内布设动力指标测量仪器，在模型箱侧方布设PIV测试系统；
利用大型地震模拟试验台设备加载不同的地震波形，记录实验数据，完成实验。
进一步的，所述利用岩质边坡块体制作装置制作边坡砌筑模型所需的若干块体单元，具体包括：
根据工点资料中的力学参数和正交试验结果确定块体单元的混合料配比，将所述混合料所对应的干料称量后加入搅拌机中进行搅拌；
向拌匀的干料中加入事先称量好的水和甘油，再次搅拌均匀；
在所述岩质边坡块体制作装置的四周均匀涂抹脱模剂；
根据密度控制称量出一定质量的混合料装入岩质边坡块体制作装置；
将岩质边坡块体制作装置放置在万能试验机上压实成型，放置12小时后脱模。
进一步的，在模型箱内砌筑所述块体单元，完成边坡模型的建造，具体包括：
在模型箱两侧壁外粘贴透明光滑塑料薄膜，根据边坡模型的设计尺寸及分层厚度在塑料薄膜上绘出相应的轮廓线，同时标记出传感器布设位置；
在模型箱后侧壁设置聚苯乙烯泡沫板或橡胶膜，用于减轻模型的边界效应；
将基岩材料搅拌均匀倒入模型箱内，根据模型箱的侧壁外轮廓线分层填筑压实基岩材料构成基岩；
在基岩上砌筑块体单元，块体单元层与层之间使用细沙和流塑状粘结材料的混合物粘结；
在在块体单元的的侧壁粘结不同颜色的标记点，用于PIV测试系统捕捉。
进一步的，所述基岩为倾斜35°的斜坡结构，所述斜坡上设置阶梯。
进一步的，所述标记点为不同颜色的薄塑料片，通过蜡封在块体单元侧壁。
进一步的，所述聚苯乙烯泡沫板或橡胶膜厚度为10cm；所述细沙和流塑状粘结材料的混合物厚1mm。
一种高陡岩质边坡的地震动模拟试验装置，包括大型地震模拟试验台设备、模型箱、PIV测试系统和动态响应采集系统；所述模型箱包括长方体的钢架结构，在钢架结构四周和底面设置透明钢化玻璃，模型箱内设置边坡模型，模型箱固定于大型地震模拟试验台设备台面上；动态响应采集系统与边坡模型相连，PIV测试系统设置于模型箱外部。
进一步的，所述动态响应采集系统包括加速度计、激光位移计、滑坡测斜仪、TST动态数据采集仪和计算机；所述加速度计、激光位移计、滑坡测斜仪设置在边坡模型的坡表及坡体内部，加速度计、激光位移计、滑坡测斜仪连接所述TST动态数据采集仪，TST动态数据采集仪连接计算机。
进一步的，所述PIV测试系统包括高速摄像机和与高速摄像机相连的计算机；所述高速摄像机设置在三角支架上，高速摄像机设置于模型箱外侧1.5～2m处，所述三角支架设置在橡胶隔震垫层上。
一种岩质边坡块体制作装置，包括上端开口的箱体和顶帽，所述箱体包括底板和可拆卸连接在底板上的箱壁，箱壁包括四个可拆卸的侧壁，所述顶帽包括顶板和设置在顶板端面的压实凸台，所述压实凸台为矩形结构，其大小与箱体的上端开口相同。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明根据现场的工点资料概化设计边坡模型，对由缩尺得到的边坡模型进行制备，通过在边坡模型的坡表及坡体内部的加速度传感器、激光位移计、滑坡测斜仪监测坡体不同位置处对地震动的动态响应，同时通过PIV测试系统分析振动全过程中块体的位移响应；本发明的监测内容更为丰富，在对采集数据的处理方式上拥有更多的可选性，同时，本发明在模型箱侧壁采用透明材料，可直接观察边坡模型的结构变化，引入的PIV技术可以利用图像识别技术进行结构变形及位移的精细化观测，解决了传统试验中无法实时测量结构内部位移变形的问题，为高陡岩质边坡在地震作用下的变形研究和相关结构设计提供参考依据。
当然地，实施本发明的各技术方案并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
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，下面描述中的附图仅仅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实施例的附图。
图1为本发明的一个实施例中在模型箱内砌筑块体单元的示意图；
图2和图3为本发明的一个实施例中试验装置的结构示意图；
图4为本发明一个实施例中岩质边坡块体制作装置的结构示意图；
图中，1-模型箱，2-加速度计，3-激光位移计，4-滑坡测斜仪，5-TST动态数据采集仪，6-第一计算机，7-边坡模型，8-高速摄像机，9-三角支架，10-橡胶隔震垫层，11-第二计算机，13-侧壁，15-环形螺母，16-双头螺栓，20-振动台，21-冷却系统，22-操控系统，23-油罐，24-轨道，25-作动器，26-液压系统，30-基岩，31-块体单元，32-聚苯乙烯泡沫板。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。
本发明提供一种高陡岩质边坡的地震动模拟装置及其试验方法，以解决高陡岩质边坡抗震设计面临的难题。本发明通过单向电液伺服驱动式大型地震模拟试验台设备模拟施加不同类型的地震(地震波的类型、振幅等)。根据现场工点资料概化边坡模型，对由缩尺得到的边坡模型进行加载，通过坡表及坡体内部的加速度传感器、激光位移计、滑坡测斜仪监测坡体不同位置处对地震动的动态响应，同时通过PIV测试系统分析振动全过程中块体的位移响应。
实施例1：
本实施例提供一种高陡岩质边坡的地震动模拟试验方法，包括如下步骤：
S1、根据高陡岩质边坡的现场工点详细资料，设计不同工况，并根据各工况对模型进行适当简化，确定最终边坡模型的，具体包括：
S101、根据工点资料中的力学参数和正交试验结果确定块体单元的混合料配比，将所述混合料所对应的干料称量后加入搅拌机中进行搅拌；
S102、向拌匀的干料中加入事先称量好的水和甘油，再次搅拌均匀；
S103、在所述岩质边坡块体制作装置的四周均匀涂抹脱模剂；
S104、根据密度控制称量出一定质量的混合料装入岩质边坡块体制作装置；
S105、将岩质边坡块体制作装置放置在万能试验机上压实成型，放置12小时后脱模；
S2、利用岩质边坡块体制作装置制作出边坡模型的所需若干块体，成型脱模后放置在通风良好的房间，待2至3周完全干燥后，再投入使用；
S3、参见图1，在模型箱内砌筑所述块体单元31，完成边坡模型的建造，模型箱为透明结构，具体包括：
S301、在模型箱两侧壁外粘贴透明光滑塑料薄膜，根据边坡模型的设计尺寸及分层厚度在塑料薄膜上绘出相应的轮廓线，同时标记出传感器布设位置；
S302、在模型箱后侧壁设置聚苯乙烯泡沫板32或橡胶膜，聚苯乙烯泡沫板32或橡胶膜厚度为10cm，用于减轻模型的边界效应；
S303、将基岩材料搅拌均匀倒入模型箱内，根据模型箱的侧壁外轮廓线分层填筑压实基岩材料构成基岩30；本实施例中，基岩30为倾斜35°的斜坡结构，在斜坡上设置阶梯；
S304、在基岩30上砌筑块体单元31，块体单元31层与层之间使用细沙和流塑状粘结材料的混合物粘结，细沙和流塑状粘结材料的混合物厚1mm；
S305、在块体单元31的侧壁粘结不同颜色的标记点，用于PIV测试系统捕捉；本实施例中，标记点为不同颜色的薄塑料片，通过蜡封在块体单元31侧壁；
S4、在边坡模型内布设动力指标测量仪器，在模型箱侧方布设PIV测试系统；
S5、利用大型地震模拟试验台设备加载不同的地震波形，记录实验数据，完成实验。
实施例2：
参见图2，本实施例公开了一种高陡岩质边坡的地震动模拟试验装置，包括大型地震模拟试验台设备、模型箱1、PIV测试系统和动态响应采集系统；模型箱1包括长方体的钢架结构，在钢架结构四周和底面设置透明钢化玻璃，模型箱1内设置边坡模型，本实施例中，其尺寸为3.5m×1.5m×2.1m(长×宽×高)；模型箱通过多组粗螺栓固定于大型地震模拟试验台设备台面上；动态响应采集系统与边坡模型相连，PIV测试系统设置于模型箱外部。
参见图3，大型地震模拟试验台设备采用单向电液伺服驱动式驱动，包括液压系统19、振动台20、冷却系统21、操控系统22、油罐23、轨道24；操控系统22可以输入各种类型的地震波，模型箱固定在台面尺寸为3.5m×1.5m×2.1m的振动台20上，通过操控系统22将加速度范围在0～1.2g、频率范围在0.4～15Hz的各类地震波的数值信号转化为电信号，并将液压系统19中的油罐(23)油压调至相应的压力，在通过液压系统26中的液压千斤顶提供适当的力，使得振动台20按照指定波形进行加载；在研究高陡岩质边坡在地震动作用下的力学行为与破坏模式时主要采用的波形为高斯白噪声、5Hz和10Hz的正弦波以及真实地震波，加速度增量为0.05g，从0.1g加载至0.8g。
参见图2，动态响应采集系统包括加速度计2、激光位移计3、滑坡测斜仪4、TST动态数据采集仪5和第一计算机6；加速度计2、激光位移计3、滑坡测斜仪4设置在边坡模型7的坡表及坡体内部，加速度计2、激光位移计3、滑坡测斜仪4用于监测边坡模型7在地震工况下的动态响应，它们连接TST动态数据采集仪5，TST动态数据采集仪5连接第一计算机6。
参见图2，PIV测试系统包括高速摄像机8和与高速摄像机8相连的第二计算机11；高速摄像机8设置在三角支架9上，高速摄像机8设置于模型箱1外侧1.5～2m处，三角支架9设置在橡胶隔震垫层10上，这大大提升了拍摄图片质量与精度；PIV测试系统有效弥补了现有岩质边坡模型试验精度不高、测量结果较为单一等问题。
实施例3：
参见图4，本实施例公开了一种岩质边坡块体制作装置，包括上端开口的箱体和顶帽16，箱体包括底板和可拆卸连接在底板上的箱壁，箱壁包括四个可拆卸的侧壁13，四个可拆卸的侧壁通过双头螺栓16和环形螺母15安装，箱体内部净尺寸为20cm×15cm×14cm(长×宽×高)。
顶帽16包括顶板和设置在顶板端面的压实凸台，压实凸台为矩形结构，其大小与箱体的上端开口相同；凸台的厚度为2cm和4cm等多种规格，不同规格的凸台可灵活制作不同高度不同的块体单元。
为了便于块体单元压实成型后脱模，在填装材料之前，需要在箱体内壁四周喷抹润滑喷雾。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (10)
1.高陡岩质边坡的地震动模拟试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
根据高陡岩质边坡的现场工点资料确定边坡模型的砌筑结构；
利用岩质边坡块体制作装置制作边坡模型的砌筑结构所需的若干块体单元；在模型箱内砌筑所述块体单元，完成边坡模型的建造，模型箱为透明结构；
在边坡模型内布设动力指标测量仪器，在模型箱侧方布设PIV测试系统；
利用大型地震模拟试验台设备加载不同的地震波形，记录实验数据，完成实验。
2.根据权利要求1所述高陡岩质边坡的地震动模拟试验方法，其特征在于，所述利用岩质边坡块体制作装置制作边坡砌筑模型所需的若干块体单元，具体包括：
根据工点资料中的力学参数和正交试验结果确定块体单元的混合料配比，将所述混合料所对应的干料称量后加入搅拌机中进行搅拌；
向拌匀的干料中加入事先称量好的水和甘油，再次搅拌均匀；
在所述岩质边坡块体制作装置的四周均匀涂抹脱模剂；
根据密度控制称量出一定质量的混合料装入岩质边坡块体制作装置；
将岩质边坡块体制作装置放置在万能试验机上压实成型，放置12小时后脱模。
3.根据权利要求1所述高陡岩质边坡的地震动模拟试验方法，其特征在于，在模型箱内砌筑所述块体单元，完成边坡模型的建造，具体包括：
在模型箱两侧壁外粘贴透明光滑塑料薄膜，根据边坡模型的设计尺寸及分层厚度在塑料薄膜上绘出相应的轮廓线，同时标记出传感器布设位置；
在模型箱后侧壁设置聚苯乙烯泡沫板或橡胶膜，用于减轻模型的边界效应；
将基岩材料搅拌均匀倒入模型箱内，根据模型箱的侧壁外轮廓线分层填筑压实基岩材料构成基岩；
在基岩上砌筑块体单元，块体单元层与层之间使用细沙和流塑状粘结材料的混合物粘结；
在在块体单元的的侧壁粘结不同颜色的标记点，用于PIV测试系统捕捉。
4.根据权利要求3所述高陡岩质边坡的地震动模拟试验方法，其特征在于，所述基岩为倾斜35°的斜坡结构，所述斜坡上设置阶梯。
5.根据权利要求3所述高陡岩质边坡的地震动模拟试验方法，其特征在于，所述标记点为不同颜色的薄塑料片，通过蜡封在块体单元侧壁。
6.根据权利要求3所述高陡岩质边坡的地震动模拟试验方法，其特征在于，所述聚苯乙烯泡沫板或橡胶膜厚度为10cm；所述细沙和流塑状粘结材料的混合物厚1mm。
7.一种高陡岩质边坡的地震动模拟试验装置，其特征在于，包括大型地震模拟试验台设备、模型箱、PIV测试系统和动态响应采集系统；所述模型箱包括长方体的钢架结构，在钢架结构四周和底面设置透明钢化玻璃，模型箱内设置边坡模型，模型箱固定于大型地震模拟试验台设备台面上；动态响应采集系统与边坡模型相连，PIV测试系统设置于模型箱外部。
8.根据权利要求7所述高陡岩质边坡的地震动模拟试验装置，其特征在于，所述动态响应采集系统包括加速度计、激光位移计、滑坡测斜仪、TST动态数据采集仪和计算机；所述加速度计、激光位移计、滑坡测斜仪设置在边坡模型的坡表及坡体内部，加速度计、激光位移计、滑坡测斜仪连接所述TST动态数据采集仪，TST动态数据采集仪连接计算机。
9.根据权利要求7所述高陡岩质边坡的地震动模拟试验装置，其特征在于，所述PIV测试系统包括高速摄像机和与高速摄像机相连的计算机；所述高速摄像机设置在三角支架上，高速摄像机设置于模型箱外侧1.5～2m处，所述三角支架设置在橡胶隔震垫层上。
10.一种岩质边坡块体制作装置，其特征在于，包括上端开口的箱体和顶帽，所述箱体包括底板和可拆卸连接在底板上的箱壁，箱壁包括四个可拆卸的侧壁，所述顶帽包括顶板和设置在顶板端面的压实凸台，所述压实凸台为矩形结构，其大小与箱体的上端开口相同。
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