CN204374010U - 一种振动台叠层剪切试验土箱的顶部加载系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种振动台叠层剪切试验土箱的顶部加载系统,由剪切模型箱和竖向加载机构组成。九个中部弹簧5呈九宫格格式分布方式立于底部钢板2上，在顶部钢板1和底部钢板2间构成弹性夹层；顶部钢板1的边沿设置有可调节高度螺栓4，可调节长度螺栓通过设置在原剪切模型箱边沿上的螺栓孔而使顶部钢板1立于剪切模型箱3上，通过调节螺栓的高度调节中部弹簧5弹性变形，对下部土体施加需要的均布竖向荷载。本实用新型加载系统原理简单，可操作性强，能够模拟埋置一定深度的土体上部荷载，使实验的破坏机理符合实际水平破坏的设计要求，从而提高土体强度测试可靠性，使测得的土体抗剪强度更接近实际。

Description

一种振动台叠层剪切试验土箱的顶部加载系统

技术领域

本实用新型涉及一种多层剪切土箱的顶部加载系统，涉及振动台剪切试验和剪切型模型土箱，特别是公开一种振动台叠层剪切试验多层剪切土箱的顶部加载系统。

背景技术

对于现有的剪切模型箱，多层剪切模型土箱被认为是目前较为理想的能提供土体剪切变形条件的模型土箱，通常由若干各自独立的刚制或铝制的矩形或圆形的层状框架拼装而成。层状框架间放置一定数量的滚动轴承，一方面限制竖向和侧向运动，另一方面使得框架间可以在振动方向上相对滑动以模拟土的剪切变形。在振动过程中模型箱层与层之间存在相对运动，对土体有一个剪切作用。

其他类似的剪切箱如Whitman等提出了一种叠环式模型箱。该土箱由一组相互之间无摩擦的叠环组成，允许土样沿水平方向发生剪切变形，最大限度地限制了边壁处的反射波。模型土箱应该尽可能轻，箱壁与土体之间有适当的摩擦并且在振动过程中不消耗能量。理想情况下，变形完全由土体控制，不受边界影响。此后，层状剪切土箱的研制和应用得到了很大发展。Matsuda等研制了该模型土箱并最早完成了饱和砂土振动台试验研究。Prasad设计了一个层状剪切土箱，并进行了场地土地震变形特性的振动台试验研究。伍小平等研制了钢制矩形层状剪切变形土箱，并进行了干砂自由场地振动台试验研究；凌贤长等利用该土箱进行了自由场地基液化振动台试验研究。苏栋等研制了铝环叠层剪切模型土箱，并进行了饱和砂土自由场地和饱和砂土层中单桩的离心机振动台试验研究。Chen等研制了层状模型土箱并开展地下波纹管道的振动台试验研究。刘光磊研制了一种用于离心机振动台实验的高强铝合金叠环式模型土箱，进行了地铁地下结构的离心机振动台试验研究。史晓军研制了可在相互垂直的两个方向上满足剪切变形的层状模型土箱，并对地下综合管廊进行了非一致激励振动台模型试验研究。剪切型模型土箱在振动方向能够较好地模拟土体的边界条件，能较真实地反映土体的剪切变形特征。

至于竖向加载的剪切模型箱而言，有一个共同特点就是顶部自由，这对于模拟具有自由上表面的土体或土—结构相互作用是适宜的。

但当需要测试埋置于一定深度的土体的抗剪强度时，若仍然仅采用现有自由顶面剪切箱，在动力荷载作用过程中，竖向应力太小，尤其在浅层，竖向应力几乎为零。则土体在水平剪切荷载作用下，将会出现斜向破裂面，浅层土体发生向上抛射等破坏。浅层土体抛射后，对下部土体的重力作用减弱，进一步降低了深层土体的竖向应力水平，使深部土体出现斜向破裂面。尤其当动力荷载水平较高时，这种抛射破坏的影响深度会进一步增加。当剪切箱中出现这些斜向破裂面时，土体的动力响应机制与实际滑坡的滑面变形破坏模式就有较大的区别，势必影响到动力加载影响下土体剪切强度的测试效果。

鉴于目前土工振动台剪切试验的不准确性和复杂性，因其在测试埋置于一定深度的土体的抗剪强度时，土体因上部自由面导致土体出现斜向破裂面，为解决这个问题，需要模拟埋置于一定深度土体的上部受力环境，使实验的破坏机理符合实际水平破坏的设计要求，从而提高土体强度测试可靠性，特提出一种采用弹簧板模拟上部荷载的试验方法，特别是提出一种振动台叠层剪切试验多层剪切土箱的顶部加载系统。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种土工振动台叠层剪切试验多层剪切土箱的顶部加载系统。该顶部加载系统原理简单，可操作性强，能够模拟埋置一定深度的土体上部荷载，使实验的破坏机理符合实际水平破坏的设计要求，从而提高土体强度测试可靠性。

本实用新型解决技术问题的具体技术方案是：

一种振动台叠层剪切试验土箱的顶部加载系统,由剪切模型箱和竖向加载机构组成。竖向加载机构具有：顶部钢板1和底部钢板2，顶部钢板1与原剪切模型箱的上口外部同尺寸大小；底部钢板2可沿原剪切模型箱内壁上下滑动；九个中部弹簧5立于底部钢板2上，在顶部钢板1和底部钢板2间构成弹性夹层；顶部钢板1的边沿设置有可调节高度螺栓4，可调节长度螺栓通过设置在原剪切模型箱边沿上的螺栓孔而使顶部钢板1立于剪切模型箱3上，通过调节螺栓的高度调节中部弹簧5弹性变形，对下部土体施加需要的均布竖向荷载。

顶部钢板为一块和模型箱外壁尺寸大小相同、厚度为5mm钢板，钢板厚度不宜过大，避免大质量的钢板在振动时因为惯性过大而将可调节长度螺栓剪坏。在顶板钢板表面用条形角钢加焊横纵交错的加劲肋提高钢板强度防止被下面弹簧的反力顶的变形。

中部弹簧全部按照一个规格统一订做，然后在试验前先行测出其弹性模量，方便计算施加不同大小的荷载时需要将其压缩的压缩量。

底部钢板为一块和模型箱内壁尺寸大小大致相同但稍小3-5mm、厚度为3mm的钢板，尺寸稍小于试验箱内壁尺寸方便安放和取出，同时在上表面按照九宫格的分布定好位置以点焊固定订制的弹簧。

螺栓旋转固定在剪切模型箱上已经开好的四个螺栓孔径中，这样可以通过其将顶部钢板和剪切模型箱连接起来，用通过螺栓向下拧的螺母向下固定顶部钢板以压缩弹簧来施加竖向荷载。精确控制可调整螺栓的长度，使中部弹簧产生需要的压缩量，从而对底部钢板产生压缩，钢板对下部土体产生均布的竖向荷载，达到顶部施加竖向荷载的目的，模拟出试验土体的上部荷载。

土压力盒6在实验时埋入土体内，土压力盒为一标准规格的土压力盒，用于检测反馈加载的均布荷载是否与试验计划加载的一致。

本实用新型的优点

本实用新型用于土工振动台叠层剪切试验时模拟埋置于一定深度的土体上部荷载，与现有的模拟技术相比，其优点在于：加载系统上部荷载大小可控，能够更好的模拟土体上部受力情况，使试验得到的破坏机理结果与实际相符，从而得出更加准确的强度结果，最终用于指导实际的设计。此实用新型试验得到的破坏机理与实际破坏机理相同，与设计要求相符，这确保了多层剪切箱试验的准确性；工作原理简单，装置简易，安装操作方便，可依据不同的模型箱尺寸和不同的工程实例要求制造对应尺寸的加载板。

附图说明

图1是本实用新型的侧立面图。

图2是本实用新型的平面图。

图3是本实用新型实施例中加载系统和模型箱的安装示意图。

图中：顶部钢板1；底部钢板2；剪切模型箱3；可调节高度螺栓4；中部弹簧5；土压力盒6。

具体实施方式

下面给出的实例是对本实用新型的具体描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本实用新型作进一步的说明，不能理解为对本实用新型保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述实用新型内容对本实用新型做出的非本质的改进和调整仍属于本实用新型的保护范围。

图1～3给出了这个竖向加载剪切模型箱的一种具体实施方式。根据图1，一种土工振动台试验的添加竖向加载部件的剪切模型箱，其组成为：顶部钢板1、底部钢板2、剪切模型箱3、可调节高度螺栓4、中部弹簧5、土压力盒6等。顶部钢板1由一块钢板组成，具体尺寸要求与原剪切模型箱外围尺寸一致，使其可以合适的覆盖在模型箱之上，同时在两条宽边上与模型箱四周螺栓孔对应的位置打孔，方便后面部件可调节高度螺栓4的安装，要求顶部钢板1上的螺栓孔径应与剪切模型箱3上的螺孔大小一致，并用可调节高度螺栓4连接两者，如图所示。底部钢板2同样也是由一块钢板组成，具体尺寸要求与剪切模型箱3的内径大致一致但要稍小3-5mm，方便试验过程中该部件的安放和取出。在底部钢板2上面按照九宫格的分布方式放置9个部件中部弹簧5，每个弹簧用点焊与底部钢板2连接，防止振动时出现相对位移影响加载效果。中部弹簧5全部采取统一样式，试验前先行测试好弹性模量。土压力盒6埋设在土体正中的位置，作为对于加载效果的检测和反馈。

本实施例的具体工作工程和原理是：试验前先将试验土体填入剪切试验箱中，模拟某一地区一定埋深的土层，在正中的位置挖一定深度埋设土压力盒，然后上表面填平压实，安放底部钢板2。将底部钢板2放置在预定位置后，盖上顶部钢板1，要注意的是顶部钢板1宽边上打出的螺栓孔要去剪切模型箱3上的螺栓孔位置对正。用可调节高度螺栓4连接顶部钢板1和剪切模型箱3，根据试验要求表面所施加的均布荷载，结合已经测试出的弹簧的弹性模量，计算出弹簧的压缩量，然后通过调整顶部钢板1在可调节高度螺栓4上所处的位置来让中部弹簧5产生预想中的压缩量，进而对下面的土样产生预加设的均布荷载。用螺母拧紧固定好顶部钢板1后开启振动台开始振动试验。

振动完成后，依次卸下顶部钢板1、可调节高度螺栓4、底部钢板2，用取土器对土样某一深度进行土样提取，然后用多余的试验土样回填后再依照上面的顺序安装加载装置，并按照不同的加载数值调整上部钢板的上升或者下降，再用螺母将其固定在可调节高度螺栓4上后，继续用振动台加载不同的地震加速度时程曲线进行振动台试验。

Claims (4)

1.一种振动台叠层剪切试验土箱的顶部加载系统,由剪切模型箱和竖向加载机构组成，其特征在于，竖向加载机构具有：顶部钢板(1)和底部钢板(2)，顶部钢板与原剪切模型箱的上口外部同尺寸大小；底部钢板可沿原剪切模型箱内壁上下滑动；九个中部弹簧(5)立于底部钢板(2)上，在顶部钢板和底部钢板间构成弹性夹层；顶部钢板(1)的边沿设置有可调节高度螺栓(4)，可调节长度螺栓通过设置在原剪切模型箱边沿上的螺栓孔而使顶部钢板立于剪切模型箱(3)上，通过调节螺栓的高度调节中部弹簧(5)弹性变形，对下部土体施加需要的均布竖向荷载。

2.根据权利要求1所述的振动台叠层剪切试验土箱的顶部加载系统，其特征在于：所述顶部钢板表面设置有提高钢板强度防止被下面弹簧的反力顶变形的条形角钢加劲肋。

3.根据权利要求1所述的振动台叠层剪切试验土箱的顶部加载系统，其特征在于：所述中部弹簧全部按照一个规格统一订做，在试验前先行测出其弹性模量，以准确控制施加所选荷载的压缩量。

4.根据权利要求1所述一种土工振动台试验的在剪切模型箱上添加的竖向加载装置，其特征在于：所述底部钢板为一块和模型箱内壁尺寸大小稍小3mm、厚度为3mm的钢板，九个中部弹簧(5)呈九宫格格式分布方式立于底部钢板(2)上。