本發(fā)明涉及土工模型實(shí)驗(yàn)技術(shù)，具體是指一種考慮土體應(yīng)力的水平地震剪切波模擬裝置及實(shí)驗(yàn)方法，用于模擬水平地震剪切波對(duì)土體或地下結(jié)構(gòu)物破壞。

背景技術(shù)：

在土工抗震領(lǐng)域，水平地震剪切波引起土體及地下結(jié)構(gòu)物破壞是重要的研究課題。特別是針對(duì)隧道這類(lèi)長(zhǎng)線形地下結(jié)構(gòu)物的失效破壞機(jī)理，缺乏有效的物理模擬實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)設(shè)備。而災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查又難以全面掌握地質(zhì)條件信息以及地下結(jié)構(gòu)物的邊界條件，更難以在地震來(lái)臨之前預(yù)埋傳感器進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測(cè)。當(dāng)針對(duì)該問(wèn)題展開(kāi)縮尺模型試驗(yàn)研究時(shí)，如何充分考慮土體應(yīng)力水平對(duì)其動(dòng)力特性響應(yīng)成為問(wèn)題研究的關(guān)鍵。因此，如何在縮尺模型實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)地震剪切波引起土體及地下結(jié)構(gòu)物破壞的有效模擬，并充分考慮土體應(yīng)力水平對(duì)動(dòng)力特性響應(yīng)的影響，成為相關(guān)土工抗震研究的技術(shù)重點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種考慮土體應(yīng)力的水平地震剪切波模擬裝置及實(shí)驗(yàn)方法，能實(shí)現(xiàn)土體應(yīng)力水平的模擬，并能夠模擬地震剪切波對(duì)土體或地下結(jié)構(gòu)物剪切破壞，充分考慮土體動(dòng)力響應(yīng)的應(yīng)力水平相關(guān)特性，且原理明確、構(gòu)筑簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)操作易于實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種考慮土體應(yīng)力的水平地震剪切波模擬裝置，包括基座系統(tǒng)、水平剪切模擬系統(tǒng)和豎向加載系統(tǒng)；所述水平剪切模擬系統(tǒng)放置于基座系統(tǒng)之上，并一起放置于豎向加載系統(tǒng)構(gòu)成的回字形加載框內(nèi)；所述基座系統(tǒng)包括底部滾珠組件、側(cè)墻和鋸齒狀底座；所述水平剪切模擬系統(tǒng)包括u形剪切框、頂部帶槽加載桿件和激發(fā)油缸；所述豎向加載系統(tǒng)包括頂部工字反力梁、錨桿、底部工字反力梁、豎向油缸、頂部鋸齒狀加載板和頂部滾珠組件；

若干所述u形剪切框依次緊密排列，共同組合構(gòu)成的空間內(nèi)用于放置模型土體；所述激發(fā)油缸推動(dòng)始端u形剪切框沿剪切波振動(dòng)方向做水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)銷(xiāo)和槽之間的相互牽引帶動(dòng)相鄰u形剪切框，引起u形剪切框在水平方向做蛇形運(yùn)動(dòng)，模擬水平剪切波；所述u形剪切框下方設(shè)置有底部帶槽桿，所述底部滾珠組件位于所述底部帶槽桿和鋸齒狀底座之間；所述頂部帶槽加載桿件可拆裝地放置于u形剪切框上方；所述側(cè)墻沿剪切波傳遞方向固定于鋸齒狀底座兩側(cè)；所述頂部工字反力梁、錨桿和底部工字反力梁共同構(gòu)成反力系統(tǒng)，所述頂部工字反力梁、豎向油缸、頂部鋸齒狀加載板、頂部滾珠組件和頂部帶槽加載桿件由上至下依次架設(shè)，用于將豎向荷載傳遞至u形剪切框內(nèi)的模型土體；所述頂部工字反力梁與所述豎向油缸連接用于固定豎向油缸并提供豎向反力；所述頂部工字反力梁與底部工字反力梁通過(guò)錨桿相連，構(gòu)成回字型加載框；所述頂部鋸齒狀加載板與所述豎向油缸連接用于承載豎向油缸集中作用力；所述頂部滾珠組件位于頂部帶槽加載桿件和頂部鋸齒狀加載板之間；所述底部工字反力梁設(shè)置于所述基座系統(tǒng)下方用于承受基座系統(tǒng)傳遞下來(lái)的豎向荷載。

優(yōu)選的，所述u形剪切框由長(zhǎng)500mm，高300mm，厚20mm的鋁片構(gòu)成，兩側(cè)設(shè)有三角形支撐桿，用于限制u形剪切框在高壓力下的側(cè)向變形。

優(yōu)選的，中間u形剪切框的底部帶槽桿兩側(cè)分別設(shè)有矩形凹槽和矩形凸起插銷(xiāo)；始端u形剪切框的底部帶槽桿一側(cè)設(shè)置矩形凸起插銷(xiāo)另一側(cè)不設(shè)置矩形凹槽并通過(guò)連接裝置與激發(fā)油缸連接，末端u形剪切框的底部帶槽桿一側(cè)設(shè)置矩形凹槽另一側(cè)不設(shè)置矩形凸起插銷(xiāo)；所述矩形凹槽尺寸比矩形凸起插銷(xiāo)尺寸大。

優(yōu)選的，始端u形剪切框和末端u形剪切框外側(cè)都通過(guò)金屬板封閉。

優(yōu)選的，所述鋸齒狀底座下部平整上部帶鋸齒形槽，用于限定底部滾珠組件的滾動(dòng)方向；所述底部帶槽桿上部平整下部帶v形槽，所述底部滾珠組件位于所述底部帶槽桿的v形槽和鋸齒狀底座的鋸齒形槽之間，用于確保u形剪切框和鋸齒狀底座之間的相對(duì)移動(dòng)，并減小水平相對(duì)移動(dòng)時(shí)受到的摩擦力；在u形剪切框受激發(fā)油缸帶動(dòng)下進(jìn)行蛇形運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，所述鋸齒狀底座靜止不動(dòng)。

優(yōu)選的，所述頂部帶槽加載桿件下部平整上部帶v形槽，用于將豎向荷載均勻施加于u形剪切框內(nèi)模型土體；所述頂部鋸齒狀加載板上部平整下部帶鋸齒形槽，用于承載豎向油缸集中作用力，并把力均勻傳遞到每個(gè)u形剪切框內(nèi)的土體，限制了下方剪切框只能在水平方向進(jìn)行移動(dòng)；所述頂部滾珠組件位于所述頂部帶槽加載桿件的v形槽和頂部鋸齒狀加載板的鋸齒形槽之間，用于確保u形剪切框和頂部鋸齒狀加載板之間的相對(duì)移動(dòng)，并減小水平相對(duì)移動(dòng)時(shí)受到的摩擦力；在u形剪切框受激發(fā)油缸帶動(dòng)下進(jìn)行蛇形運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，所述頂部鋸齒狀加載板靜止不動(dòng)。

優(yōu)選的，所述的側(cè)墻由長(zhǎng)1640mm，高330mm，厚50mm的鋁板組成，沿剪切波傳遞方向固定于鋸齒狀底座兩側(cè)，對(duì)整個(gè)剪切框組合起到縱向的約束作用。兩個(gè)側(cè)墻之間的相對(duì)距離可以調(diào)節(jié)，進(jìn)而調(diào)節(jié)相鄰u形剪切框之間的間隙。

優(yōu)選的，兩相鄰u形剪切框的接觸面采用光滑材料，用以減小相鄰剪切框之間的摩擦。

優(yōu)選的，所述頂部帶槽加載桿件與u形剪切框接觸面采用光滑材料，用以確保頂部帶槽加載桿件在u形剪切框內(nèi)無(wú)摩擦的上下自由移動(dòng)。

優(yōu)選的，所述的激發(fā)油缸活塞可進(jìn)行水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可輸入地震波等波形；所述激發(fā)油缸的活塞與始端u形剪切框相接，且激發(fā)油缸施加力的方向與u形剪切框長(zhǎng)度方向平行。

優(yōu)選的，所述u形剪切框的底部帶槽桿上可替換不同尺寸的矩形凸起插銷(xiāo)，用于調(diào)整相鄰矩形凸起插銷(xiāo)和矩形凹槽之間的相對(duì)位移量，進(jìn)而調(diào)整兩相鄰u形剪切框之間的相對(duì)位移量。

優(yōu)選的，所述的底部鋸齒狀底座由長(zhǎng)1460mm，寬1400mm，最厚處達(dá)20mm，最薄處10mm的鋸齒形高強(qiáng)鋁板組成。

優(yōu)選的，所述的頂部鋸齒狀加載板由長(zhǎng)1460mm，寬460mm，最厚處達(dá)20mm，最薄處10mm的鋸齒形高強(qiáng)鋁板組成。

優(yōu)選的，所述的頂部和底部工字反力梁由高強(qiáng)錳鋼構(gòu)件焊接而成，由錨桿連接，構(gòu)成“回”字型加載框，在頂部工字反力梁下安裝兩臺(tái)豎向油缸。

一種考慮土體應(yīng)力的水平地震剪切波的實(shí)驗(yàn)方法，基于所述的考慮土體應(yīng)力的水平地震剪切波模擬裝置，步驟包括：

布置基座系統(tǒng)及底部滾珠組件，固定所有u形剪切框，與基座系統(tǒng)保持相對(duì)靜止；

在u形剪切框構(gòu)成的空間內(nèi)放置一頂部開(kāi)口橡膠袋，橡膠袋采用具有彈性的橡膠薄模制備，對(duì)u形剪切框和橡膠袋之間進(jìn)行抽真空，使橡膠袋與u形剪切框緊密貼合；

在橡膠袋內(nèi)分層壓制模型土體或放置地下結(jié)構(gòu)物模型；

模型土體頂面依次擺放一系列頂部帶槽加載桿件，加載桿須布滿整體模型土體頂面；

依次布置頂部滾珠組件和頂部鋸齒狀加載板，驅(qū)動(dòng)豎向油缸，對(duì)模型土體施加預(yù)定的豎向荷載；

取消所有u型剪切框的水平位移約束；

驅(qū)動(dòng)激發(fā)油缸，設(shè)定目標(biāo)波形信號(hào)，帶動(dòng)所有u形剪切框進(jìn)行地震剪切波模擬；

完成實(shí)驗(yàn)，對(duì)模型土體或地下結(jié)構(gòu)物模型破壞進(jìn)行觀測(cè)。

以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的一種考慮土體應(yīng)力的水平地震剪切波模擬裝置及實(shí)驗(yàn)方法不局限于實(shí)施例。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所述的裝置的示意圖；

圖2為本發(fā)明所述的裝置的側(cè)面剖面圖；

圖3為本發(fā)明所述的u形剪切框示意圖；

圖4為圖3所示的u形剪切框中的兩端側(cè)u形剪切框示意圖；

圖5為圖3所示的相鄰u形剪切框之間“銷(xiāo)-槽”連接的局部示意圖；

圖6為本發(fā)明所述的裝置的滾珠組件布置剖面圖，其中a為鋸齒狀底座與u型剪切框之間的底部滾珠組件布置，b為鋸齒狀加載板與頂部帶槽加載桿之間的頂部滾珠組件布置。

附圖標(biāo)記：1、基座系統(tǒng)，2、水平剪切模擬系統(tǒng)，3、豎向加載系統(tǒng)，11、底部滾珠組件，12、鋸齒狀底座，13、側(cè)墻，21、始端u形剪切框，22、中間u形剪切框，221、三角形支撐桿，222、底部帶槽桿，223、金屬板，224、矩形凸起插銷(xiāo)，225、矩形凹槽，23、頂部帶槽加載桿件，24、激發(fā)油缸，25、末端u形剪切框，31、頂部工字反力梁，32、錨桿，33、豎向油缸，34、頂部鋸齒狀加載板，35、頂部滾珠組件，36、底部工字反力梁。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行進(jìn)一步描述。

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，區(qū)別于傳統(tǒng)只能模擬豎向地震剪切波對(duì)土體破壞模擬裝置，本發(fā)明可提供一種考慮土體應(yīng)力的水平地震剪切波模擬裝置，可以模擬水平地震剪切波對(duì)土體剪切破壞。

參見(jiàn)圖1至圖6所示，一種考慮土體應(yīng)力的水平地震剪切波模擬裝置，包括基座系統(tǒng)1、水平剪切模擬系統(tǒng)2和豎向加載系統(tǒng)3。所述水平剪切模擬系統(tǒng)2由若干u形剪切框沿著剪切波的傳遞方向依次緊密排列，組合構(gòu)成的空間內(nèi)放置模型土體；所述水平剪切模擬系統(tǒng)2放置于基座系統(tǒng)1之上，并一起放置于豎向加載系統(tǒng)3構(gòu)成的“回”字形加載框內(nèi)。

具體的，所述基座系統(tǒng)1包括底部滾珠組件11、鋸齒狀底座12和側(cè)墻13。所述鋸齒狀底座12下部平整上部帶鋸齒形槽，固定于底板上，鋸齒狀v形槽內(nèi)整齊擺放所述底部滾珠組件11，限定底部滾珠組件11的滾動(dòng)方向；所述底部滾珠組件11位于u形剪切框的底部帶槽桿222和鋸齒狀底座12之間，以減小水平相對(duì)移動(dòng)時(shí)受到的摩擦力；側(cè)墻13沿剪切波傳遞方向固定于鋸齒狀底座12兩側(cè)，兩個(gè)側(cè)墻13之間的相對(duì)距離可以調(diào)節(jié)，進(jìn)而調(diào)節(jié)相鄰u形剪切框之間的間隙。

具體的，水平剪切模擬系統(tǒng)2包括u形剪切框、頂部帶槽加載桿件23和激發(fā)油缸24。所述u形剪切框兩側(cè)設(shè)有三角形支撐桿221，用于限制u形剪切框在高壓力下的側(cè)向變形；u形剪切框頂部設(shè)有可拆裝的頂部帶槽加載桿23，頂部帶槽加載桿23下部平整上部帶v形槽，用于將豎向荷載均勻施加于u形剪切框內(nèi)模型土體，為確保頂部帶槽加載桿件23在u形剪切框內(nèi)無(wú)摩擦的上下自由移動(dòng)，兩者接觸面采用光滑材料；所述u形剪切框按排列位置分為始端u形剪切框21、中間u形剪切框22和末端u形剪切框25，其中，中間u形剪切框22有多個(gè)。所述中間u形剪切框22的底部帶槽桿222兩側(cè)分別設(shè)有矩形凹槽225和矩形凸起插銷(xiāo)224；始端u形剪切框21的底部帶槽桿222一側(cè)設(shè)置矩形凸起插銷(xiāo)224另一側(cè)不設(shè)置矩形凹槽225并通過(guò)連接裝置與激發(fā)油缸24連接，末端u形剪切框25的底部帶槽桿222一側(cè)設(shè)置矩形凹槽225另一側(cè)不設(shè)置矩形凸起插銷(xiāo)224；所述矩形凹槽225尺寸比矩形凸起插銷(xiāo)224尺寸大；始端u形剪切框21和末端u形剪切框25通過(guò)金屬板223封閉；激發(fā)油缸24可進(jìn)行水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞與始端u形剪切框21相接，激發(fā)油缸24施加力的方向與始端u形剪切框21長(zhǎng)度方向平行；兩相鄰u形剪切框的接觸面采用光滑材料，用以減小相鄰剪切框之間的摩擦，底部帶槽桿222上可替換不同尺寸的矩形凸起插銷(xiāo)224，用于調(diào)整相鄰矩形凸起插銷(xiāo)224和矩形凹槽225之間的相對(duì)位移量容許值，進(jìn)而調(diào)整兩相鄰u形剪切框之間的相對(duì)位移量容許值。

具體的，所述豎向加載系統(tǒng)包括頂部工字反力梁31、錨桿32、豎向油缸33、頂部鋸齒狀加載板34、頂部滾珠組件35和底部工字反力梁36。所述頂部工字反力梁31、豎向油缸33、頂部鋸齒狀加載板34、頂部滾珠組件35和頂部帶槽加載桿23由上至下依次架設(shè)，用于將荷載從上至下傳遞至模型土體；頂部工字反力梁31用于固定豎向油缸33并提供豎向反力；錨桿32用于連接頂部工字反力梁31和底部工字反力梁36，構(gòu)成“回”字型加載框；豎向油缸33用于對(duì)u形剪切框內(nèi)土體施加豎向荷載；頂部鋸齒狀加載板34上部平整下部帶鋸齒形槽，用于承載豎向油缸33集中作用力，并把力均勻傳遞到每個(gè)u形剪切框內(nèi)的土體；頂部滾珠組件35位于頂部帶槽加載桿件23和頂部鋸齒狀加載板34之間，以減小水平相對(duì)移動(dòng)時(shí)受到的摩擦力；底部工字反力梁36用于承受基座系統(tǒng)傳遞下來(lái)的豎向荷載。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)方法如下：

1、布置基座系統(tǒng)及底部滾珠組件，固定所有u形剪切框，與基座系統(tǒng)保持相對(duì)靜止；

2、在u形剪切框構(gòu)成的空間內(nèi)放置一頂部開(kāi)口橡膠袋，橡膠袋采用具有彈性的橡膠薄模制備，對(duì)u形剪切框和橡膠袋之間進(jìn)行抽真空，使橡膠袋與u形剪切框緊密貼合；

3、在橡膠袋內(nèi)分層壓制模型土體或放置地下結(jié)構(gòu)物模型；

4、模型土體頂面依次擺放一系列頂部帶槽加載桿，加載桿布滿整個(gè)模型土體頂面；

5、依次布置頂部滾珠組件和頂部鋸齒狀加載板，驅(qū)動(dòng)豎向油缸，對(duì)模型土體施加預(yù)定的豎向荷載；

6、取消所有u型剪切框的水平位移約束；

7、驅(qū)動(dòng)激發(fā)油缸，設(shè)定目標(biāo)波形信號(hào)，帶動(dòng)所有u形剪切框進(jìn)行地震剪切波模擬；

8、完成實(shí)驗(yàn)，對(duì)模型土體或地下結(jié)構(gòu)物模型破壞進(jìn)行觀測(cè)。

上述實(shí)施例僅是用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明，而并非用作對(duì)本發(fā)明的限定。只要是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行變化、變型等都將落在本發(fā)明的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。