本发明属于岩土工程技术领域，尤其是一种极震区边坡的动力响应测试装置及测试方法。
背景技术
地震是地壳快速释放能量过程中造成的振动，期间会产生地震波的一种自然现象。地震波按传播方式分为三种类型：纵波、横波和面波。纵波是推进波，地壳中传播速度为5.5～7千米/秒，最先到达震中，又称p波，它使地面发生上下振动，破坏性较弱。横波是剪切波，在地壳中的传播速度为3.2～4.0千米/秒，第二个到达震中，又称s波，它使地面发生前后、左右抖动，破坏性较强。面波又称l波，是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波。其波长大、振幅强，只能沿地表面传播，是造成建筑物强烈破坏的主要因素。震中附近振动最强烈，破坏比也最严重的地区称为极震区，地震发生时，最基本的现象是地面的连续振动，主要是明显的晃动，极震区的人在感到大的晃动之前，有时首先感到上下跳动，即纵波首先到达，然后是横波引起的左右晃动，然后才是面波引起的大的晃动。
隧道洞口边坡是指隧道洞口两侧做成的具有一定坡度的坡面。我国西南部地区是高烈度地震的多发区，也是在建或拟建的大型水电工程和岩土工程地下隧道群较多的重点区域。地震诱发的边坡失稳会直接威胁到人民的生命财产安全，因此边坡地震稳定性研究意义重大。然而，地震诱发边坡失稳有很大的不确定性，这种不确定性主要来自边坡自身性状和潜在地震作用两个方面，边坡自身性状属于地震边坡失稳的易发条件，包括边坡岩土体结构和物理力学性质以及边坡几何形状；潜在地震作用属于边坡失稳的诱发因素。对于一个具体的边坡，可以认为边坡的自身性状相对确定，主要的不确定性来自于未来的地震作用，也就是诱发因素。传统工程地震学将地震动力作用归纳为地震动的强度、频率和持续时间，即所谓的“地震动三要素”，但是对地震动力作用方式(即，地震动力作用方向和作用性质)这一要素考虑不够。
地震动力作用十分复杂，目前研究中常采用数值方法进行模拟，同时多采用振动台试验以及动力离心模型试验等大型模型试验来模拟地震作用，然而鲜有涉及简易地震动力的模拟的测试装置，能再现在不同强度地震波横波动力作用下边坡的响应。因此，亟需研制出一种可以模拟极震区边坡遭受侧向冲击荷载的动力响应测试装置，实现试验设备制作便捷，测试方法简单、经济、可重复。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种试验设备制作便捷，测试方法简单、经济、可重复的模拟极震区边坡遭受侧向冲击荷载的动力响应测试装置及测试方法，为地质灾害预测提供依据参考、为岩土工程中的结构设计及优化提供可靠的参数建议。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种模拟极震区边坡遭受侧向冲击荷载的动力响应测试装置，包括反力框架、试验箱、弹簧、滑槽、支架；所述试验箱内设置有边坡模型，所述边坡模型包括放置于试验箱底部的路堤及置于路堤上的边坡，所述边坡截面为直角梯形状，试验箱上部与边坡斜面及路堤对应部分为开口设置，所述试验箱前壁上设有观察窗口，所述边坡模型斜面一侧朝向观察窗口；所述试验箱置于反力框架内，所述反力框架的上部、底部、左侧及右侧设有钢板，所述反力框架上部与边坡斜面及路堤对应部分为开口设置，所述反力框架右侧钢板上设有碰撞矩形开口；
所述试验箱上部、左侧壁及右侧壁通过弹簧与反力框架的上部、左侧及右侧钢板对应连接，所述试验箱与反力框架底部钢板之间设置有可沿左右侧方向水平自由滑动的钢球，所述试验箱底部外侧和反力框架底部钢板内侧沿左右侧方向设置有对应的用于容纳钢球的滑轨；
所述滑槽分为竖直加速段、弧形加速段、水平直线段和水平弧形撞击段，所述水平弧形撞击段的弧形拐点穿过碰撞矩形开口固连于试验箱右侧壁的形心处；所述滑槽底部设有至少一个用以固定滑槽的支架。
优选的，所述滑槽的竖直加速段高度可调节，所述滑槽上设有可升降平台，所述可升降平台设有可让小球滑动的小槽，所述小槽一端与滑槽的竖直加速段连接。
优选的，所述滑槽的水平弧形撞击段以试验箱右侧壁的形心处法线为对称轴呈镜像对称。
优选的，所述滑槽的水平弧形撞击段与试验箱右侧壁的形心处法线的夹角为θ，30°≤θ≤60°。
优选的，所述试验箱上部与反力框架的上部钢板之间、试验箱左侧壁与反力框架左侧钢板之间、试验箱右侧壁与反力框架右侧钢板之间、试验箱底部与反力框架的底部钢板之间每个面的弹簧个数n由以下公式得到：
其中k为边坡的弹性抗力系数，k0为单个弹簧的弹性系数。
一种模拟极震区边坡遭受侧向冲击荷载的动力响应测试方法，包括以下步骤，
(a)提供上述任一项所述的一种模拟极震区边坡遭受侧向冲击荷载的动力响应测试装置，按照试验方案中的边坡的参数对试验土样进行合理配比，将试验土样及边坡模型安置于试验箱内；
(b)将小球在可升降平台上释放，小球在滑槽内依次经过竖直加速段、弧形加速段、水平直线段和水平弧形撞击段，然后穿过反力框架右侧壁的碰撞矩形开口在水平弧形撞击段的弧形拐点撞击试验箱，观察边坡模型的力学响应；
(c)通过周期性的释放小球撞击试验箱，模拟在极震区地震横波作用下边坡模型的动力响应。
优选的，所述步骤(b)中小球撞击试验箱的平均撞击力
其中m为小球的质量，单位为kg；
其中
h1为小球释放点与撞击点之间的垂直距离，单位为m；g＝9.8m/s2。
优选的，当考虑单一地震横波作用时，在滑槽竖直加速段的同一位置、经过不同的时间间隔释放小球。
优选的，当考虑不同强度地震横波作用时，在滑槽竖直加速段的不同位置、经过不同的时间间隔释放小球。
本发明的有益效果是：本发明的一种模拟极震区边坡遭受侧向冲击荷载的动力响应测试装置，从滑槽下落的小球将势能转化为动能，周期性的撞击试验箱，并通过小球开始下落时的高度、释放小球的不同时间间隔，来模拟极震区不同地震横波强度、不同持续时间和不同周期条件下隧道边坡地震动力响应试验，真实地再现极震区隧道边坡地震横波动力作用响应过程和响应方式，为工程结构设计、地质灾害预测等提供准确可靠的建议，对工程建设进行抗震设防；
滑槽的四段设计既可以将小球势能转化为动能，又可以调整小球方向撞击试验箱来模拟地震波，且小球回收方便，可连续不断回收，从而实现小球的连续不断撞击；
本发明结构简单容易制作、易操作，测试方法简单、经济、可重复。
附图说明
图1是本发明一种模拟极震区边坡遭受侧向冲击荷载的动力响应测试装置的示意图；
图2是本发明一种模拟极震区边坡遭受侧向冲击荷载的动力响应测试装置的正视图；
图3是本发明一种模拟极震区边坡遭受侧向冲击荷载的动力响应测试装置的右视图；
图4是本发明一种模拟极震区边坡遭受侧向冲击荷载的动力响应测试装置的俯视图；
图5是本发明一种模拟极震区边坡遭受侧向冲击荷载的动力响应测试装置的边坡模型的右视图；
图中标记为：1-试验箱、2-边坡模型、3-路堤、4-钢球、5-弹簧、6-滑槽、61-竖直加速段、62-弧形加速段、63-水平直线段、64-水平弧形撞击段、65-弧形拐点、7-支架、8-可升降平台、9-小球、10-弹簧安装点、11-碰撞矩形开口、12-小球回收端、13-撞击点、14-小球入射端、15-反力框架、16-钢板、θ-小球撞击试验箱的入射方向与试验箱右侧壁的形心处法线的夹角。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1、图2、图3和图4、图5所示，本发明的一种模拟极震区边坡遭受侧向冲击荷载的动力响应测试装置，包括反力框架15、试验箱1、弹簧5、滑槽6、支架7；所述试验箱1内设置有边坡模型2，所述边坡模型2包括放置于试验箱1底部的路堤3及置于路堤3上的边坡，所述边坡截面为直角梯形状，试验箱1上部与边坡斜面及路堤3对应部分为开口设置，所述试验箱1前壁上设有观察窗口，所述边坡模型2斜面一侧朝向观察窗口；所述试验箱1置于反力框架15内，所述反力框架15的上部、底部、左侧及右侧设有钢板16，所述反力框架15上部与边坡斜面及路堤3对应部分为开口设置，所述反力框架15右侧钢板16上设有碰撞矩形开口11；
边坡模型2底部设有路堤3，模拟了边坡的真实状态，边坡的右侧截面为直角梯形，直角梯形的上底与试验箱1的上部接触，下底与试验箱1的下部接触，直角的一个面与试验箱后壁接触，弹簧模拟了边坡被人为截断的面的实际弹性抗力，试验箱1的顶部为开口设置，顶部没有荷载作用，边坡存在临空面，在远场地震作用下，地震波沿水平方向传播过来，通过钢板均匀地将作用力施加到边坡上，边坡在地震作用下可能发生抛出，垮塌，滑动等破坏。
所述试验箱1上部、左侧壁及右侧壁通过弹簧5与反力框架15的上部、左侧及右侧钢板对应连接，所述试验箱1与反力框架15底部钢板16之间设置有可沿左右侧方向水平自由滑动的钢球4，所述钢球的直径为2cm，所述试验箱1底部外侧和反力框架15底部钢板16内侧沿左右侧方向设置有对应的用于容纳钢球4的滑轨；
所述滑槽6分为竖直加速段61、弧形加速段62、水平直线段63和水平弧形撞击段64，所述水平弧形撞击段64的弧形拐点65穿过碰撞矩形开口11固连于试验箱1右侧壁的形心处；所述滑槽6底部设有至少一个用以固定滑槽6的支架7；所述支架7每隔一段距离设置，以固定滑槽6，防止滑槽6倾斜或倾倒。
所述滑槽6的竖直加速段61高度可调节，所述滑槽6上设有可升降平台8，所述可升降平台8设有可让小球滑动的小槽，所述小槽一端与滑槽6的竖直加速段61连接。所述的小槽一端高、一端低，较低一端与竖直加速段61连接，用于引导小球滚向所述竖直加速段61。
所述滑槽6的水平弧形撞击段64以试验箱1右侧壁的形心处法线为对称轴呈镜像对称。
所述滑槽6的水平弧形撞击段64与试验箱1右侧壁的形心处法线的夹角为θ，30°≤θ≤60°。夹角θ越小，水平撞击力越大，但是θ小于30°会引起小球弹出时有可能在撞击点附近反复撞击，致使地震波的强度不准确，从而观察到的隧道围岩动力响应也就与实际情况存在偏差；θ小于30°不利于小球的回收，从而影响小球的连续、周期性撞击；而θ大于60°时在水平方向对试验箱的撞击力太小，对于较大的地震波强度必须提高小球释放点的高度，从而提高了试验难度。通过物理实验结果得到，当管道为100cm直径，小球为60cm直径时，撞击角度为45°时，水平撞击力大，小球回收方便，可连续撞击来模拟不同周期、不同强度的地震波。
所述试验箱上部与反力框架的上部钢板之间、试验箱左侧壁与反力框架左侧钢板之间、试验箱右侧壁与反力框架右侧钢板之间、试验箱底部与反力框架的底部钢板之间每个面的弹簧个数n由以下公式得到：
其中k为边坡的弹性抗力系数，k0为单个弹簧的弹性系数。
所述试验箱1上部与反力框架15的上部钢板之间采用大小一致均匀分布的9根弹簧连接。
所述试验箱1右侧壁与反力框架15的右侧钢板之间采用大小一致均匀分布的36根弹簧连接；所述试验箱1左侧壁与反力框架15的左侧钢板之间采用大小一致均匀分布的36根弹簧连接。
一种模拟极震区边坡遭受侧向冲击荷载的动力响应测试方法，包括以下步骤，
(a)提供上述任一项所述的一种模拟极震区边坡遭受侧向冲击荷载的动力响应测试装置，按照试验方案中的边坡的参数对试验土样进行合理配比，将试验土样及边坡模型2安置于试验箱1内；
(b)将小球在可升降平台上释放，小球在滑槽6内依次经过竖直加速段61、弧形加速段62、水平直线段63和水平弧形撞击段64，然后穿过反力框架15右侧壁的碰撞矩形开口11在水平弧形撞击段64的弧形拐点65撞击试验箱1，观察边坡模型2的力学响应；
(c)通过周期性的释放小球撞击试验箱1，模拟在极震区地震横波作用下边坡模型2的动力响应。
所述步骤(b)中小球撞击试验箱的平均撞击力
其中m为小球的质量，单位为kg；
其中
h1为小球释放点与撞击点之间的垂直距离，单位为m；g＝9.8m/s2。
当考虑单一地震横波作用时，在滑槽6竖直加速段61固定的同一位置、经过不同的时间间隔释放小球9，小球9以相同的速度及撞击力撞击试验箱1，试验箱1内隧道模型2处于均质地层中，在单一地震强度作用下，隧道支护结构及隧道围岩3将发生应力调整，甚至产生破坏，从试验箱1观察窗口可以直接观察到隧道支护结构及隧道围岩3的变形情况；
当考虑不同强度地震横波作用时，在滑槽6竖直加速段61固定的不同位置、经过不同的时间间隔释放小球9，小球将会以不同的动能以及冲击力撞击到试验箱1，通过调整释放小球的数量、释放小球的高度、释放小球的时间间隔来实现模拟、观察一次地震频谱作用下极震区隧道围岩的力学响应。
实施例：
如图1、图2、图3和图4、图5所示，安装本发明的一种模拟极震区边坡遭受侧向冲击荷载的动力响应测试装置，如图1所示，将边坡模型2的土样装于试验箱1中；试验箱1前壁上安装有机玻璃观察窗，以便观察试验箱1内边坡的变形情况。
装置安装好后，调节升降台至h1的位置，将直径为3cm、质量为887.81g的小球在升降平台上释放。使小球沿着滑槽6撞击试验箱右壁，撞击后沿着水平弧形撞击段64弹出,滑槽6的水平弧形撞击段64与试验箱1右侧壁的形心处法线的夹角θ为45°。
根据动能方程计算得到小球滑至撞击试验箱前的速度v1：
由动量方程计算撞击过程中的平均撞击力
其中m为小球的质量，单位为kg；
其中，小球撞击试验箱1的速度后的速度
即在pδt＝m(v2+v1)cos45°
释放第一个小球后，立即调整可升降平台高度h1，间隔时间δts释放第二个小球，重复上述操作；
释放多个小球后，模拟出地震波对土层的作用以及土层隧道的响应。
透过有机玻璃观察窗观察边坡的变形情况，探究边坡的变形破坏机理。当h1发生变化时，小球所获得的能量也将发生变化，h1越大，能量越大；当高度较小时，边坡仅有局部发生掉块现象；而当高度增大到一定程度时，边坡便开始产生部分滑落或者整体失稳的现象。