本发明专利技术涉及一种可用于特殊复杂场地条件下土体地震响应的试验测试系统，包括层状剪切模型箱、位移测试系统、浴液循环系统、巡检监测系统及响应数据采集系统五大部分，其特征是：本发明专利技术所采用的位移测量系统与层状剪切模型箱连接稳固，通过调节钢管组合固定架和激光位移计的位置，可以直接测得土体以及工程结构在振动方向上的相对位移，极大地提高了试验效率。本发明专利技术通过在层状剪切箱中内置滴浴循环管和铜制冷却管来实现水和冷却液的循环，结合巡检监测系统对土体含水率和温度的实时监测来调整液浴循环系统的流量和温度，从而使土体的含水率和温度达到目标阈值，能够有效地模拟场地液化、季节交替、冻融循环等多种特殊复杂场地环境。地环境。地环境。
【技术实现步骤摘要】
一种可用于特殊复杂场地条件下土体地震响应的试验测试系统
[0001]本专利技术涉及一种室内模型试验测试系统，具体是指一种可用于特殊复杂场地条件下土体地震响应的试验测试系统。可测试振动台试验时土体的水平和竖向位移，并通过传感器与数据采集仪、计算机的连接，实现对土体或工程结构基础在地震作用下位移响应的自动化监测和采集，开展自由场地和工程结构基础的振动机理试验研究。
技术介绍
[0002]自20世纪90年代以来，基于性能的抗震设计方法已逐步取代传统的强度判别方法成为地下结构抗震设计的主导思想，该方法要求工程结构在服役期间满足各种预定功能和性能目标要求。因而，在工程结构基础以及岩土工程的抗震分析中，土体变形的分析就显得尤为重要。随着国家基础设施建设的持续推进，工程结构不可避免地穿越各类特殊复杂场地。在地震作用下，复杂的场地条件会诱发很多次生灾害，如地震诱发的场地液化现象将导致地表发生变形、近断层地区的地震动引发的高幅值长周期脉冲等。这些现象都会使工程结构基础产生明显的位移需求，从而引发工程结构的破坏。鉴于此，学者们针对地震作用下土体位移所引发的结构破坏问题开展了一定的研究。李鹏程等在2000年发表于《工业建筑》的“地震地面大位移对埋地管线影响的有限元分析”一文中通过有限元法分析了土体位移对埋地管线的位移和内力影响进行了分析和讨论。杨繁等2014年发表于《中国安全科学学报》的“自由场地土体非线性地震响应研究”一文探讨了分层土与等效匀质单层土动力特性差异，其结果表明实际分层土体不可简化为等效匀质单层土体。许成顺等2019年发表于《岩土工程学报》的“液化场地—群桩基础
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结构体系动力响应分析—大型振动台模型试验研究”一文中介绍了液化场地—结构体系动力相互作用的大型振动台试验，对土体侧向变形规律以及土体孔压发展规律等动力响应特征进行了分析，其结果表明，在地震作用下黏土层的侧向位移要明显大于其他土层。代建波等2022年发表于《防灾减灾工程学报》的“纵向多点激励下埋地油气管道地震响应试验研究”一文介绍了双台阵地震模拟振动台系统对埋地油气管道开展的地震响应研究，其结果表明，地震作用下不同土层间的位移增量不同，致使土体间产生剪切效应，而多点激励作用下土体变形及破坏程度要明显大于一致激励。当前，部分学者采用数值模拟、模型试验等手段系统地研究了土体变形对工程结构基础动力特性的影响。这类研究多围绕砂土液化场地展开，且仅考虑了夏季的场地条件，而针对冬季土体冻结时的场地环境以及冻土场地液化等其他特殊复杂场地的研究还相对较少。季节的更替会使得土体发生冻融交替现象，也会使得工程结构基础的地震动特性产生明显的差异。因此，考虑土体含水率和温度等多个参数的耦合影响来模拟真实的复杂场地环境具有十分重要的现实意义。
[0003]现有的研究证明，层状剪切模型箱可以在一定程度上实现土体的自由剪切变形，极大的减小了试验过程中场地的边界效应，而模型箱各层间钢管框架的水平位移即可以近似地代表其所在土层的水平位移。在动力试验过程中，通过测量振动方向上各层间钢管框
架的水平位移即可以反应土体的水平位移响应。目前，针对地震模拟振动台试验的位移测量方法主要分为接触式测量技术和非接触式测量技术。接触式测量技术主要通过接触式位移传感器来实现，如目前常用的拉线式位移计以及LVDT位移计，试验过程中需要将传感器与目标结构紧贴或连接。在土的动力试验中，这类测试方法的误差较大，且安装布置较为困难。非接触式测量技术主要包括高速相机位移测试技术和激光位移测试技术。前者对光学相机以及后期处理技术的要求较高，且测试精度较低。而激光位移测试技术测试精度高，且可有效消除由于接触而产生的位移误差。鉴于此，为了能够对地震作用下特殊复杂场地的动力特性进行系统研究，在充分调查分析已有研究的基础上，专利技术研制了一种可用于测试特殊复杂场地条件下土体地震响应的层状剪切模型箱系统。该专利技术同时考虑土体含水率、冻融循环等因素对场地地震响应的影响，可以有效测试土体变形和加速度响应变化规律，对完善岩土工程中的地震模拟振动台试验具有非常迫切的必要性。
技术实现思路
[0004]为解决现有岩土工程振动台试验存在的缺陷和不足，以便实现多种复杂场地条件的模拟、实验室空间及试验效率的最大化，本专利技术旨在提供一种可用于特殊复杂场地条件下土体地震响应的试验测试系统。该系统既能够同时考虑土体含水率、土体温度两个因素来模拟多类特殊复杂场地环境，同时能够实现对试验过程中土体位移响应和加速度响应的实时监测，并通过连接数据采集仪、计算机实现数据的自动化采集与存储。本专利技术所采用的技术方案是：一种可用于特殊复杂场地条件下土体地震响应的试验测试系统，包括层状剪切模型箱、位移测试系统、浴液循环系统、巡检监测系统及响应数据采集系统五大部分。
[0005]层状剪切模型箱由底板（1）、层间框架（2）、层间滚动系统（3）、限位联动板（4）、滚动轴承（5）、轴承立柱（6）、横向剪力撑（7）、横梁（8）、橡胶内衬（9）组成。其特征是底板（1）通过螺栓与振动台（10）锚固连接，最底部的层间框架（2）通过焊接的方式与底板（1）连接，其余各层间框架（2）垂直等间距平行排列于底板（1）之上，并通过层间滚动系统（3）相连接，使得层间框架（2）相互之间可以沿振动方向相对滑动；轴承立柱（6）底端通过焊接的方式与底板（1）连接，顶部与横梁（8）通过螺栓相连。在同一侧平行的两个轴承立柱（6）之间通过横向剪力撑（7）相连，滚动轴承（5）等间距安置于轴承立柱（6）之上，与层间框架（2）接触。这样的布置在增强箱体结构稳定性的同时，可以满足层间框架（2）的位移需求；限位联动板（4）由厚度3mm的薄钢板制成，其通过铆接的方式安装在与振动方向垂直的箱体外侧壁，限位联动板（4）的存在可以约束箱体在振动方向的位移和变形，试验过程中各层间框架的联动可以有效地满足箱体刚度的基本要求；橡胶内衬（9）通过专用胶带黏合在箱体内壁，其尺寸略大于模型箱尺寸，橡胶内衬不仅可以防止箱内土体、水分的外漏，还可以起到减小边界效应的作用。每一层层间框架（2）都沿着振动方向布置了四套层间滚动系统（3），层间滚动系统（3）由钢制限位槽（11）、胶木板（12）、钢制滚轴（13）组成，钢制限位槽（11）通过焊接的方式固定在层间框架上，起到限制层间框架（2）位移的作用；胶木板（12）内铣有多道平行且独立的凹槽，钢制滚轴（13）相互隔离并安置在这些凹槽内。试验过程中，带有钢制滚轴（13）的胶木板（12）在钢制限位槽（11）内往返滚动；试验过程中，多套层间滚动系统（3）协同工作，滚动过程互不干扰，且保持在同一平面内。
[0006]位移测试系统由钢管组合固定架（14）、激光位移计（15）、位移计托架（16）组成。其特征是钢管组合固定架（14）由两层预留螺栓孔的方形钢管套接组成，通过调节锚固螺栓的锚固位置，可以调节钢管组合固定架（14）的高度，以满足不同工程结构的净空要求。钢管组合固定架（14）的外套管底部焊接有方形底座，其底端与层状剪切模型箱的底板（1）锚固连接，钢管组合固定架（14）的外套管顶端与层状剪切模型箱的横梁本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种可用于特殊复杂场地条件下土体地震响应的试验测试系统，包括层状剪切模型箱、位移测试系统、浴液循环系统、巡检监测系统及响应数据采集系统五大部分，其特征是：所述的层状剪切模型箱由底板（1）、层间框架（2）、层间滚动系统（3）、限位联动板（4）、滚动轴承（5）、轴承立柱（6）、横向剪力撑（7）、横梁（8）、橡胶内衬（9）组成，底板（1）通过螺栓与振动台（10）锚固连接，最底部的层间框架（2）通过焊接的方式与底板（1）连接，其余各层间框架（2）垂直等间距平行排列于底板（1）之上，并通过层间滚动系统（3）相连接，使得层间框架（2）相互之间可以沿振动方向相对滑动，轴承立柱（6）底端通过焊接的方式与底板（1）连接，顶部与横梁（8）通过螺栓锚固，在同一侧的两个轴承立柱（6）之间通过横向剪力撑（7）相连，滚动轴承（5）等间距安置于轴承立柱（6）之上，与层间框架（2）接触，这样的布置在增强箱体结构稳定性的同时，可以满足层间框架（2）的位移需求，限位联动板（4）的存在可以约束箱体在振动方向的位移和变形，试验过程中各层间框架的联动可以有效地满足箱体刚度的基本要求，橡胶内衬（9）通过专用胶带黏合在箱体内壁，要求橡胶内衬（9）尺寸略大于模型箱尺寸；所述的位移测试系统由钢管组合固定架（14）、激光位移计（15）、位移计托架（16）组成，钢管组合固定架（14）由两层预留螺栓孔的方形钢管套接组成，钢管组合固定架（14）的外套管底部焊接有方形底座，其底端与层状剪切模型箱的底板（1）锚固连接，钢管组合固定架（14）的外套管顶端与层状剪切模型箱的横梁（8）通过钢板锚固连接，激光位移计（15）通过位移计托架（16）锚固连接在钢管组合固定架（14）的预定位置，以实现试验过程中土体竖向和水平位移响应的实时测量；所述的浴液循环系统由滴浴循环管（17）、铜制冷却管（18）、转换接口（19）、耐低温导管（20）、浴液循环机（21）、水（22）、冷却液（23）组成，在层状剪切模型箱中填土时，在土体中预埋滴浴循环管（17）和铜制冷却管（18），滴浴循环管（17）和铜制冷却管（18）的出液、进液端分别通过转换接口（19）和耐低温导管（20）与浴液循环机（21）的进液口和出液口连接，在试验准备的初步阶段，通过液浴循环机（21）在滴浴循环管（17）中循环水（22），以提高目标土层的含水率，在试验准备阶段的后期，通过浴液循环机（21）在铜制...
【专利技术属性】
技术研发人员：管嘉达，张熙胤，陈兴冲，王万平，于生生，
申请(专利权)人：兰州交通大学，
类型：发明
国别省市：
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