一种用于大比例尺寸振动台试验的模型箱及其模型实验装置和使用方法与流程

本发明属于岩土工程技术领域，尤其涉及一种应用于基础工程、隧道工程和边坡工程等领域的大比例尺寸振动台试验的模型箱及其模型实验装置和使用方法。

背景技术：

模型箱是岩土工程领域抗震研究实用性很强的试验装置，但因受到模型箱体自重以及尺寸大小因素影响，致使振动台模型箱试验的数据很不理想，尤其是做小比例尺寸振动台模型试验，例如桩基础振动台试验，混合边坡振动台试验，桥梁与隧道连接振动台试验等。

目前，振动台模型箱试验中，模型箱体积一般较小，想达到试验预期效果很困难，最主要是因为边界效应的影响，因为研究模型距离模型箱边界近，而且场地变形是地下模型结构主要控制因素，严格控制模型结构位移，不能真实模拟地震作用下模型动力响应特征。而当前，做大尺寸模型箱，势必会增加模型箱箱体自重，在振动台可承载的极限荷载下，会影响围岩填充高度，导致试验效果不理想。

因此，研制一种自重轻并应用于大比例尺寸刚柔结合的模型箱试验装置，能够较真实地再现地震荷载作用下模型的动力特征，成为岩土工程领域相关人员研究解决问题的关键。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种基于振动台荷载承载能力下，结构自重轻的用于大比例尺寸振动台试验的模型箱及其模型实验装置和使用方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为提供一种用于大比例尺寸振动台试验的模型箱，包括箱体，所述箱体为顶面敞开的长方体结构，所述箱体的底面包括柔性钢板，侧面包括槽钢框架、刚性钢板和角钢框架，所述槽钢框架、刚性钢板和角钢框架由内至外依次焊接，所述柔性钢板焊接于刚性钢板的底部。该模型箱的侧面四周为刚性钢板，底板为柔性钢板，刚柔结合，既满足了试验应用所需要的刚性，使模型箱的共振频率大于30hz，加入砂土与隧道模型以后整个箱体共振频率小于10hz，这样在加载振动台试验时，避免了砂土与模型箱体发生共振，减小了试验数据的误差，从而提高模型试验的可靠性，同时又能满足试验对柔性的需求，使做大比例模型尺寸模型振动台试验时，模型箱体底面钢板柔性钢板能很好的与振动台台面贴合，形成一个整体的面板。

上述的模型箱，优选的，所述柔性钢板为q235a钢板，所述刚性钢板为q325钢板，所述刚性钢板的厚度为4-6mm。q235a钢板的柔性能满足试验对柔性的需求，使做大比例模型尺寸模型振动台试验时，模型箱体底面钢板柔性钢板能很好的与振动台台面贴合，形成一个整体的面板；q325钢板的刚性在角钢和槽钢的结合下，能满足试验应用的刚性标准，使模型箱的共振频率大于30hz，加入砂土与隧道模型以后整个箱体共振频率小于10hz，这样在加载振动台试验时，避免了砂土与模型箱体发生共振，减小了试验数据的误差，从而提高模型试验的可靠性。

优选的，所述槽钢框架由槽钢交叉焊接而成，并通过所述槽钢的钢背面紧贴焊接于刚性钢板上；所述角钢框架由角钢焊接而成，并通过所述角钢的凹面紧贴焊接于刚性钢板上，所述角钢框架的边角通过角钢进行包边；所述刚性钢板的顶端焊接有吊耳。更优选的，槽钢框架焊接于钢板的内表面，由槽钢交叉焊接成统一尺寸的矩形框架结构，可以提高模型箱抗剪强度及箱体整体刚度和稳定性；角钢框架焊接于钢板的外表面，由角钢交叉焊接形成不同尺寸的矩形框架结构。通过合理有序的严密组织焊接工序，完成了模型箱的制作工艺，我们通过大量的空模型箱振动台试验，得出了模型箱合理且符合试验要求的模型箱体刚度。

优选的，所述箱体的侧面顶端上较长的两条横边之间通过横撑焊接加固，并在所述横撑上呈八字型焊接两支斜撑，所述斜撑的一端焊接在横撑上，另一端焊接于侧面的内壁上距离模型箱底面20cm～40cm处；更优选的，所述斜撑为工字钢斜撑，所述横撑为空心杆横撑。横撑和斜撑可以提升箱体较短的横边方向的刚度，增加模型箱的稳定性；所述工字钢斜撑优选为四拼工字钢斜撑。所述较长的两条横边是指箱体侧面顶端上的四条平行于底面的横边中，相对另外两条横边长度较长的两条横边；所述较短的横边则是相对长度较短的横边。

优选的，所述底面的柔性钢板外表面焊接有方格角钢框架，所述方格角钢框架中一个方格的面积为1.2m²～1.5m²，所述底面的柔性钢板上开设有螺栓孔，并通过该螺栓孔使用螺栓固定在振动台上；更优选的，所述螺栓为m12.9高强螺栓，所述螺栓孔的数量为64～78个。通过角钢焊接分割可以增大模型箱底部的摩擦力，连接方式是从模型箱中间往两边加弯矩拧紧，以防止模型箱松动。

优选的，所述箱体装设模型体和砂土前的共振频率大于30hz，装设模型体和砂土后的共振频率小于10hz。装设模型体和砂土前后的共振频率差大于20hz，这样在加载振动台试验时，避免了砂土与模型箱体发生共振，减小了试验数据的误差，从而提高模型试验的可靠性。

基于一个总的技术构思，本发明还提供一种用于大比例尺寸振动台试验的模型试验装置，包括上述的模型箱，以及设于模型箱内的模型体、砂土和传感器，所述传感器通过采集仪与振动台试验控制终端连接。

上述的模型试验装置，优选的，所述模型体包括隧道工程模型、边坡工程模型或基础工程模型；所述砂土为河砂。河砂为纯天然河砂，砂土无黏聚力，级配良好。

基于一个总的技术构思，本发明还提供一种上述模型试验装置的使用方法，包括如下步骤：

(1)根据试验要求制作合适尺寸的模型箱和模型体，并准备砂土；

(2)将所述步骤(1)制作后得到的模型箱吊装于振动试验台并采用螺栓固定，在所述模型箱箱体上布置传感器，通过采集仪(imc)连接所述传感器采集测试模型箱箱体的共振频率，确保模型箱的共振频率大于30hz，然后将准备好的砂土分层填入所述模型箱，分层夯实砂土至模型体的标高处，再将所述步骤(1)制作后得到的模型体埋入砂土中的预定位置，整平夯实，继续分层夯实砂土至模型箱设计高度，整平夯实砂土；

(3)在所述步骤(2)填埋完成后的模型箱和模型体周围布置传感器，并检测连通线路，通过采集仪(imc)连接所述传感器采集测试装设模型体和砂土后所得到模型试验装置的共振频率，确保模型试验装置的共振频率小于10hz；

(4)将所述步骤(3)中连通于传感器的采集仪(imc)与振动台试验控制终端连接，通过振动台试验控制终端设置各参数并准备采集数据，然后输入地震波指令，模拟地震作用下模型体动力破坏特征试验。

通过振动台试验控制终端输入地震波指令，采集仪(imc)采集模型箱及隧道模型试验数据，获取地震荷载作用下模型体动力响应特征数据，进行隧道抗震研究。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明用于大比例尺寸振动台试验的模型箱，结构自重轻，刚柔结合，测试结果准确度高和适应于范围广，采用内外框架组合成模型箱体结构，在模型箱体满足振动台试验的刚度要求下，框架结构自重相比传统钢板结构自重可减轻3kg左右，既节省了原材料又提高了模型箱的整体刚度，可应用于基础工程、隧道工程和边坡工程等领域的大比例尺寸振动台试验，通过应用本发明的模型箱试验装置可得到不同地震荷载作用下模型动力响应特征，减少模型箱体边界效应的影响，真实再现地震波在模型箱内传播过程，可以广泛用于岩土边坡、隧道变形破坏机理的研究。

2、本发明用于大比例尺寸振动台试验的模型箱，底板采用q235a柔性钢板，侧壁采用复合框架夹心钢板结构，采用q325刚性钢板，组合成刚柔结合的模型箱，既满足了试验应用所需要的刚性，使模型箱的共振频率大于30hz，加入砂土与隧道模型以后整个箱体共振频率小于10hz，这样在加载振动台试验时，避免了砂土与模型箱体发生共振，减小了试验数据的误差，从而提高模型试验的可靠性，同时又能满足试验对柔性的需求，使做大比例模型尺寸模型振动台试验时，模型箱体底面的柔性钢板能很好的与振动台台面贴合，形成一个整体的面板。

3、本发明用于大比例尺寸振动台试验的模型箱，采用框架组合结构，既减轻了箱体自重，又提高了模型箱的整体刚度；自重轻，在振动台极限承载能力下，模型箱体可以装载更多的试验材料，利于更好研究岩土工程抗震问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中模型箱的立体结构示意图。

图2为本发明实施例中模型箱结构实体图。

图3为本发明实施例中斜撑、横撑结构示意图。

图4为本发明实施例中模型箱长侧面内侧结构示意图(所述长侧面是指箱体四个侧面中，相对另外两个侧面横长较长的两个侧面)。

图5为本发明实施例中模型箱短侧面内侧结构示意图(所述短侧面是指箱体四个侧面中，相对另外两个侧面横长较短的两个侧面)。

图6为本发明实施例中模型箱长侧面外侧结构示意图。

图7为本发明实施例中模型箱短侧面外侧结构示意图。

图8为本发明实施例中模型箱底面外侧结构示意图。

图9为本发明实施例中模型试验装置结构示意图。

图10为本发明实施例中砂土振动台试验频谱图。

图11为本发明实施例中模型箱固有频谱图。

图例说明：

1、箱体；2、底面；3、侧面；4、吊耳；5、横撑；6、斜撑；7、槽钢框架；8、刚性钢板；9、角钢框架；10、柔性钢板；11、方格角钢框架；12、螺栓孔；13、模型体。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

需要特别说明的是，当某一元件被描述为固定于或链接于，它可以是直接固定或链接在另一元件上，也可以是通过其他中间连接间接固定或连接在另一元件上。

实施例：

一种本发明用于大比例尺寸振动台试验的模型箱，如图1-2所示，包括箱体1，箱体1为顶面敞开的长方体结构，箱体1的底面2由q235a柔性钢板10组成，侧面3由槽钢框架7、q325刚性钢板8和角钢框架9由内至外依次焊接组成，柔性钢板10焊接于刚性钢板8的底部。q235a钢板的柔性能满足试验对柔性的需求，使做大比例模型尺寸模型振动台试验时，模型箱体底面钢板柔性钢板能很好的与振动台台面贴合，形成一个整体的面板；q325钢板的刚性在角钢和槽钢的结合下，能满足试验应用的刚性标准，使模型箱的共振频率大于30hz，加入砂土与隧道模型以后整个箱体共振频率小于10hz，装设模型体和砂土前后的共振频率差大于20hz，这样在加载振动台试验时，避免了砂土与模型箱体发生共振，减小了试验数据的误差，从而提高模型试验的可靠性。

如图3所示，箱体的侧面3顶端上较长的两条横边之间通过空心杆横撑5焊接加固，并在横撑5上呈八字型焊接两支四拼工字钢斜撑6，斜撑6的一端焊接在横撑5上，另一端焊接于侧面3的内壁上距离模型箱底面2的230cm处。横撑和斜撑可以提升箱体较短的横边方向的刚度，增加模型箱的稳定性。较长的两条横边是指箱体侧面顶端上的四条平行于底面的横边中，相对另外两条横边长度较长的两条横边；较短的横边则是相对长度较短的横边。

如图4-7所示，槽钢框架7由槽钢交叉焊接成统一尺寸的矩形框架结构，并通过槽钢的钢背面(而非槽面)紧贴焊接于刚性钢板8的内表面上，可以提高模型箱抗剪强度及箱体整体刚度和稳定性；角钢框架9由角钢焊接形成不同尺寸的矩形框架结构，并通过角钢的凹面(而非钢面或角面)紧贴焊接于刚性钢板8上，角钢框架9的边角通过角钢进行包边，刚性钢板8的顶端还焊接有4个吊耳。通过合理有序的严密组织焊接工序，完成了模型箱的制作工艺，我们通过大量的空模型箱振动台试验，得出了模型箱合理且符合试验要求的模型箱体刚度。

如图8所示，箱体底面2的柔性钢板10外表面焊接有方格角钢框架11，方格角钢框架11中一个方格的面积为11.5m²，箱体底面2的柔性钢板10上开设有螺栓孔12，并通过该螺栓孔12使用螺栓固定在振动台上；螺栓为m12.9高强螺栓，螺栓孔12的数量为64个。通过角钢焊接分割可以增大模型箱底部的摩擦力，连接方式是从模型箱中间往两边加弯矩拧紧，以防止模型箱松动。

上述的模型箱尺寸为：高2500mm×长9300mm×宽3600mm，刚性钢板8的厚度约为5mm，自重约为3500kg，比传统同尺寸的模型箱(6450kg)的自重要轻约3kg。

如图9所示，在上述得到的模型箱内，放入模型体13(图9中为隧道工程模型)、砂土和传感器，传感器通过采集仪与振动台试验控制终端连接，即得到一种用于大比例尺寸振动台试验的模型试验装置。其中，模型体根据应用试验目的可选择隧道工程模型、边坡工程模型或基础工程模型；砂土最好为纯天然河砂，砂土无黏聚力，级配良好。

由上述的模型箱组成的模型试验装置，用于进行大比例尺寸振动台试验的使用方法，包括如下步骤：

(1)根据试验要求制作合适尺寸的模型箱和模型体，并准备砂土；

(2)将步骤(1)制作后得到的模型箱吊装于振动试验台并采用高强螺栓将模型箱底部与振动台台面紧密连接，在模型箱箱体上布置传感器，通过振动台试验控制终端输入白噪声，通过采集仪(imc)连接传感器采集测试模型箱箱体x方向的共振频率，确保模型箱的共振频率大于30hz，然后将准备好的砂土分层填入模型箱，分层夯实砂土至模型体的标高处，再将步骤(1)制作后得到的模型体埋入砂土中的预定位置，整平夯实，继续分层夯实砂土至模型箱设计高度，整平夯实砂土；

(3)在步骤(2)填埋完成后的模型箱和模型体周围布置传感器，并检测连通线路，通过采集仪(imc)连接传感器采集测试装设模型体和砂土后所得到模型试验装置的共振频率，确保模型试验装置的共振频率小于10hz；

(4)将步骤(3)中连通于传感器的采集仪(imc)与振动台试验控制终端连接，通过振动台试验控制终端设置各参数并准备采集数据，然后输入地震波指令，模拟地震作用下模型体动力破坏特征试验，通过振动台试验控制终端输入地震波指令，采集仪(imc)采集模型箱及隧道模型试验数据，获取地震荷载作用下模型体动力响应特征数据，进行隧道抗震研究。

本实施例的砂土、粘土振动台试验测试的模型箱及砂土模型箱共振频率值如表1所示，如图10是装有模型体和砂土后模拟箱的砂土振动台试验频谱图，如图11是未装入模型体和砂土前模拟箱的模型箱固有频谱图。结合图10、图11和表1，可得出模型箱、砂土模型箱两种不同工况下各自的共振频率，砂土模型箱的共振频率远小于模型箱的共振频率，共振频率差大于25hz，可在模拟地震荷载作用下，振动台试验时，可以避免模型箱与砂土发生共振效应，减少试验误差，从而提高模型试验的可靠性。

表1：本实施例的砂土、粘土振动台试验测试的模型箱及砂土模型箱共振频率对比结果

总的来说，本发明用于大比例尺寸振动台试验的模型箱，结构自重轻，刚柔结合，测试结果准确度高和适应于范围广，采用内外框架组合成模型箱体结构，在模型箱体满足振动台试验的刚度要求下，框架结构自重相比传统钢板结构自重可减轻3kg左右，既节省了原材料又提高了模型箱的整体刚度，可应用于基础工程、隧道工程和边坡工程等领域的大比例尺寸振动台试验，通过应用本发明的模型箱试验装置可得到不同地震荷载作用下模型动力响应特征，减少模型箱体边界效应的影响，真实再现地震波在模型箱内传播过程，可以广泛用于岩土边坡、隧道变形破坏机理的研究。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。