本發明涉及土工模型實驗技術，具體是指一種考慮土體應力的水平地震剪切波模擬裝置及實驗方法，用于模擬水平地震剪切波對土體或地下結構物破壞。

背景技術：

在土工抗震領域，水平地震剪切波引起土體及地下結構物破壞是重要的研究課題。特別是針對隧道這類長線形地下結構物的失效破壞機理，缺乏有效的物理模擬實驗方法和實驗設備。而災后現場的調查又難以全面掌握地質條件信息以及地下結構物的邊界條件，更難以在地震來臨之前預埋傳感器進行關鍵參數的監測。當針對該問題展開縮尺模型試驗研究時，如何充分考慮土體應力水平對其動力特性響應成為問題研究的關鍵。因此，如何在縮尺模型實驗中實現地震剪切波引起土體及地下結構物破壞的有效模擬，并充分考慮土體應力水平對動力特性響應的影響，成為相關土工抗震研究的技術重點。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有技術之不足，提供一種考慮土體應力的水平地震剪切波模擬裝置及實驗方法，能實現土體應力水平的模擬，并能夠模擬地震剪切波對土體或地下結構物剪切破壞，充分考慮土體動力響應的應力水平相關特性，且原理明確、構筑簡單，實驗操作易于實現。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種考慮土體應力的水平地震剪切波模擬裝置，包括基座系統、水平剪切模擬系統和豎向加載系統；所述水平剪切模擬系統放置于基座系統之上，并一起放置于豎向加載系統構成的回字形加載框內；所述基座系統包括底部滾珠組件、側墻和鋸齒狀底座；所述水平剪切模擬系統包括u形剪切框、頂部帶槽加載桿件和激發油缸；所述豎向加載系統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，共同組合構成的空間內用于放置模型土體；所述激發油缸推動始端u形剪切框沿剪切波振動方向做水平往復運動，并通過銷和槽之間的相互牽引帶動相鄰u形剪切框，引起u形剪切框在水平方向做蛇形運動，模擬水平剪切波；所述u形剪切框下方設置有底部帶槽桿，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；所述側墻沿剪切波傳遞方向固定于鋸齒狀底座兩側；所述頂部工字反力梁、錨桿和底部工字反力梁共同構成反力系統，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，用于將豎向荷載傳遞至u形剪切框內的模型土體；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錨桿相連，構成回字型加載框；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置于所述基座系統下方用于承受基座系統傳遞下來的豎向荷載。

優選的，所述u形剪切框由長500mm，高300mm，厚20mm的鋁片構成，兩側設有三角形支撐桿，用于限制u形剪切框在高壓力下的側向變形。

優選的，中間u形剪切框的底部帶槽桿兩側分別設有矩形凹槽和矩形凸起插銷；始端u形剪切框的底部帶槽桿一側設置矩形凸起插銷另一側不設置矩形凹槽并通過連接裝置與激發油缸連接，末端u形剪切框的底部帶槽桿一側設置矩形凹槽另一側不設置矩形凸起插銷；所述矩形凹槽尺寸比矩形凸起插銷尺寸大。

優選的，始端u形剪切框和末端u形剪切框外側都通過金屬板封閉。

優選的，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移動，并減小水平相對移動時受到的摩擦力；在u形剪切框受激發油缸帶動下進行蛇形運動的過程中，所述鋸齒狀底座靜止不動。

優選的，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u形剪切框內的土體，限制了下方剪切框只能在水平方向進行移動；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移動，并減小水平相對移動時受到的摩擦力；在u形剪切框受激發油缸帶動下進行蛇形運動的過程中，所述頂部鋸齒狀加載板靜止不動。

優選的，所述的側墻由長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，對整個剪切框組合起到縱向的約束作用。兩個側墻之間的相對距離可以調節，進而調節相鄰u形剪切框之間的間隙。

優選的，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形剪切框內無摩擦的上下自由移動。

優選的，所述的激發油缸活塞可進行水平往復運動，可輸入地震波等波形；所述激發油缸的活塞與始端u形剪切框相接，且激發油缸施加力的方向與u形剪切框長度方向平行。

優選的，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，用于調整相鄰矩形凸起插銷和矩形凹槽之間的相對位移量，進而調整兩相鄰u形剪切框之間的相對位移量。

優選的，所述的底部鋸齒狀底座由長1460mm，寬1400mm，最厚處達20mm，最薄處10mm的鋸齒形高強鋁板組成。

優選的，所述的頂部鋸齒狀加載板由長1460mm，寬460mm，最厚處達20mm，最薄處10mm的鋸齒形高強鋁板組成。

優選的，所述的頂部和底部工字反力梁由高強錳鋼構件焊接而成，由錨桿連接，構成“回”字型加載框，在頂部工字反力梁下安裝兩臺豎向油缸。

一種考慮土體應力的水平地震剪切波的實驗方法，基于所述的考慮土體應力的水平地震剪切波模擬裝置，步驟包括：

布置基座系統及底部滾珠組件，固定所有u形剪切框，與基座系統保持相對靜止；

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

在橡膠袋內分層壓制模型土體或放置地下結構物模型；

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，驅動豎向油缸，對模型土體施加預定的豎向荷載；

取消所有u型剪切框的水平位移約束；

驅動激發油缸，設定目標波形信號，帶動所有u形剪切框進行地震剪切波模擬；

完成實驗，對模型土體或地下結構物模型破壞進行觀測。

以下結合附圖及實施例對本發明作進一步詳細說明，但本發明的一種考慮土體應力的水平地震剪切波模擬裝置及實驗方法不局限于實施例。

附圖說明

圖1為本發明所述的裝置的示意圖；

圖2為本發明所述的裝置的側面剖面圖；

圖3為本發明所述的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-槽”連接的局部示意圖；

圖6為本發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。

附圖標記：1、基座系統，2、水平剪切模擬系統，3、豎向加載系統，11、底部滾珠組件，12、鋸齒狀底座，13、側墻，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，225、矩形凹槽，23、頂部帶槽加載桿件，24、激發油缸，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。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的原理和特征進行進一步描述。

本發明所要解決的技術問題在于，區別于傳統只能模擬豎向地震剪切波對土體破壞模擬裝置，本發明可提供一種考慮土體應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土體剪切破壞。

參見圖1至圖6所示，一種考慮土體應力的水平地震剪切波模擬裝置，包括基座系統1、水平剪切模擬系統2和豎向加載系統3。所述水平剪切模擬系統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，組合構成的空間內放置模型土體；所述水平剪切模擬系統2放置于基座系統1之上，并一起放置于豎向加載系統3構成的“回”字形加載框內。

具體的，所述基座系統1包括底部滾珠組件11、鋸齒狀底座12和側墻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，以減小水平相對移動時受到的摩擦力；側墻13沿剪切波傳遞方向固定于鋸齒狀底座12兩側，兩個側墻13之間的相對距離可以調節，進而調節相鄰u形剪切框之間的間隙。

具體的，水平剪切模擬系統2包括u形剪切框、頂部帶槽加載桿件23和激發油缸24。所述u形剪切框兩側設有三角形支撐桿221，用于限制u形剪切框在高壓力下的側向變形；u形剪切框頂部設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形剪切框內模型土體，為確保頂部帶槽加載桿件23在u形剪切框內無摩擦的上下自由移動，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。所述中間u形剪切框22的底部帶槽桿222兩側分別設有矩形凹槽225和矩形凸起插銷224；始端u形剪切框21的底部帶槽桿222一側設置矩形凸起插銷224另一側不設置矩形凹槽225并通過連接裝置與激發油缸24連接，末端u形剪切框25的底部帶槽桿222一側設置矩形凹槽225另一側不設置矩形凸起插銷224；所述矩形凹槽225尺寸比矩形凸起插銷224尺寸大；始端u形剪切框21和末端u形剪切框25通過金屬板223封閉；激發油缸24可進行水平往復運動，活塞與始端u形剪切框21相接，激發油缸24施加力的方向與始端u形剪切框21長度方向平行；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224，用于調整相鄰矩形凸起插銷224和矩形凹槽225之間的相對位移量容許值，進而調整兩相鄰u形剪切框之間的相對位移量容許值。

具體的，所述豎向加載系統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，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，構成“回”字型加載框；豎向油缸33用于對u形剪切框內土體施加豎向荷載；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u形剪切框內的土體；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，以減小水平相對移動時受到的摩擦力；底部工字反力梁36用于承受基座系統傳遞下來的豎向荷載。

本發明解決上述技術問題的實驗方法如下：

1、布置基座系統及底部滾珠組件，固定所有u形剪切框，與基座系統保持相對靜止；

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

3、在橡膠袋內分層壓制模型土體或放置地下結構物模型；

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，驅動豎向油缸，對模型土體施加預定的豎向荷載；

6、取消所有u型剪切框的水平位移約束；

7、驅動激發油缸，設定目標波形信號，帶動所有u形剪切框進行地震剪切波模擬；

8、完成實驗，對模型土體或地下結構物模型破壞進行觀測。

上述實施例僅是用來說明本發明，而并非用作對本發明的限定。只要是依據本發明的技術實質，對上述實施例進行變化、變型等都將落在本發明的權利要求的范圍內。