[发明专利]一种考虑土体应力的水平地震剪切波模拟装置及实验方法

说明书

本发明公开了一种考虑土体应力的水平地震剪切波模拟装置及实验方法，其中装置包括：基座系统、水平剪切模拟系统和竖向加载系统；所述水平剪切模拟系统放置于基座系统之上，并一起放置于竖向加载系统构成的回字形加载框内；所述水平剪切模拟系统包括若干相互牵引的U形剪切框，所述U形剪切框沿着剪切波的传递方向依次紧密排列，所述U形剪切框组合构成的空间内放置模型土体；所述竖向加载系统将竖向荷载均匀施加于所述模型土体；所述U形剪切框在水平剪切模拟系统产生的推力作用下沿水平方向做蛇形运动，模拟水平剪切波。本发明的装置和方法可用于模拟地震剪切波作用下土体及地下结构物破坏的模型实验研究。

技术领域

本发明涉及土工模型实验技术，具体是指一种考虑土体应力的水平地震剪切波模拟装置及实验方法，用于模拟水平地震剪切波对土体或地下结构物破坏。

背景技术

在土工抗震领域，水平地震剪切波引起土体及地下结构物破坏是重要的研究课题。特别是针对隧道这类长线形地下结构物的失效破坏机理，缺乏有效的物理模拟实验方法和实验设备。而灾后现场的调查又难以全面掌握地质条件信息以及地下结构物的边界条件，更难以在地震来临之前预埋传感器进行关键参数的监测。当针对该问题展开缩尺模型试验研究时，如何充分考虑土体应力水平对其动力特性响应成为问题研究的关键。因此，如何在缩尺模型实验中实现地震剪切波引起土体及地下结构物破坏的有效模拟，并充分考虑土体应力水平对动力特性响应的影响，成为相关土工抗震研究的技术重点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种考虑土体应力的水平地震剪切波模拟装置及实验方法，能实现土体应力水平的模拟，并能够模拟地震剪切波对土体或地下结构物剪切破坏，充分考虑土体动力响应的应力水平相关特性，且原理明确、构筑简单，实验操作易于实现。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种考虑土体应力的水平地震剪切波模拟装置，包括基座系统、水平剪切模拟系统和竖向加载系统；所述水平剪切模拟系统放置于基座系统之上，并一起放置于竖向加载系统构成的回字形加载框内；所述基座系统包括底部滚珠组件、侧墙和锯齿状底座；所述水平剪切模拟系统包括U形剪切框、顶部带槽加载杆件和激发油缸；所述竖向加载系统包括顶部工字反力梁、锚杆、底部工字反力梁、竖向油缸、顶部锯齿状加载板和顶部滚珠组件；

若干所述U形剪切框依次紧密排列，共同组合构成的空间内用于放置模型土体；所述激发油缸推动始端U形剪切框沿剪切波振动方向做水平往复运动，并通过销和槽之间的相互牵引带动相邻U形剪切框，引起U形剪切框在水平方向做蛇形运动，模拟水平剪切波；所述U形剪切框下方设置有底部带槽杆，所述底部滚珠组件位于所述底部带槽杆和锯齿状底座之间；所述顶部带槽加载杆件可拆装地放置于U形剪切框上方；所述侧墙沿剪切波传递方向固定于锯齿状底座两侧；所述顶部工字反力梁、锚杆和底部工字反力梁共同构成反力系统，所述顶部工字反力梁、竖向油缸、顶部锯齿状加载板、顶部滚珠组件和顶部带槽加载杆件由上至下依次架设，用于将竖向荷载传递至U形剪切框内的模型土体；所述顶部工字反力梁与所述竖向油缸连接用于固定竖向油缸并提供竖向反力；所述顶部工字反力梁与底部工字反力梁通过锚杆相连，构成回字型加载框；所述顶部锯齿状加载板与所述竖向油缸连接用于承载竖向油缸集中作用力；所述顶部滚珠组件位于顶部带槽加载杆件和顶部锯齿状加载板之间；所述底部工字反力梁设置于所述基座系统下方用于承受基座系统传递下来的竖向荷载。

优选的，所述U形剪切框由长500mm，高300mm，厚20mm的铝片构成，两侧设有三角形支撑杆，用于限制U形剪切框在高压力下的侧向变形。

优选的，中间U形剪切框的底部带槽杆两侧分别设有矩形凹槽和矩形凸起插销；始端U形剪切框的底部带槽杆一侧设置矩形凸起插销另一侧不设置矩形凹槽并通过连接装置与激发油缸连接，末端U形剪切框的底部带槽杆一侧设置矩形凹槽另一侧不设置矩形凸起插销；所述矩形凹槽尺寸比矩形凸起插销尺寸大。

优选的，始端U形剪切框和末端U形剪切框外侧都通过金属板封闭。