适用于软弱砂土液化分析的微型机械振动台试验装置的制作方法

本实用新型涉及岩土工程机械领域，特别是涉及适用于软弱砂土液化分析的微型机械振动台试验装置。

背景技术：

砂土液化是指饱水的疏松粉、细砂土在振动作用下突然破坏而呈现液态的现象，由于孔隙水压力上升，有效应力减小所导致的砂土从固态到液态的变化现象。其机制是饱和的疏松粉、细砂土体在振动作用下有颗粒移动和变密的趋势，对应力的承受从砂土骨架转向水，由于粉和细砂土的渗透力不良，孔隙水压力会急剧增大，当孔隙水压力大到总应力值时，有效应力就降到0，颗粒悬浮在水中，砂土体即发生液化。一方面，砂土液化是岩土工程的重要研究课题，由动荷载引起的砂土液化造成地基失效、地面喷砂冒水、建筑物破坏等现象，对国民经济造成了巨大损失，使人民生命财产受到严重威胁。例如，喷沙冒水使地下砂层中的孔隙水及砂颗粒被搬到地表，从而使地基失效，同时地下土层中固态与液态物质缺失，导致不同程度的沉陷；使地面建筑物倾斜、开裂、倾倒、下沉，道路的路基滑移，路面纵裂；在海洋工程中，则表现为海洋基础结构长期受到波浪等水平荷载循环作用，导致海床地层液化失稳，造成海洋基础结构破坏，严重危害海洋开采平台的安全生成等。另一方面，振动台试验可以很好地研究岩土材料和结构物的地震反应和破坏机理，在原子能反应堆、海洋结构工程、水工结构、桥梁工程等方面都发挥了重要的作用，模拟震动试验是目前研究砂土液化的重要手段之一。然而，振动台购置费用较高，对于开展砂土液化基本特征和破坏原理研究具有局限性。为此，需要对一种适用于软弱砂土液化分析的小型振动台试验装置进行研究设计。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供了适用于软弱砂土液化分析的微型机械振动台试验装置，实现对砂土液化基本特征的研究，达到了节省试验研究成本、快速直观揭示海洋波浪等水平荷载作用下海床砂土液化规律的目标。

适用于软弱砂土液化分析的微型机械振动台试验装置的具体方案如下：

适用于软弱砂土液化分析的微型机械振动台试验装置，包括控制器，控制器与动力系统连接，动力系统与用于设置试样的振动台连接，控制器与输入部件连接，通过输入部件控制动力系统的频率，由控制器计算振动台的推力，从而获知试样发生液化与推力大小的关系。

上述的试验装置，振动台带动岩土材料或结构试样进行振动，带动试样发生液化，多次试验，可以得出试样液化情况与振动台推力大小的关系，控制器带显示器，从而通过显示器显示推力和动力系统频率的大小，结构设置简单，可以揭示海洋波浪等水平荷载作用下海床砂土液化规律与基础结构失稳状态。

进一步地，为了实现振动台带动试样在水平方向的往复运动，通过往复运动产生振动，与实际海洋波浪在海床作用相符，所述动力系统通过传动机构与所述的振动台连接。

进一步地，所述振动台产生的振幅方向为水平方向。

进一步地，所述振动台包括间隔设定距离设置的主动辊和从动辊，主动辊与动力系统连接，主动辊和从动辊之间设置传送带，所述的试样设于传送带表面。

进一步地，所述振动台通过机架支撑，振动台的主动辊和从动辊通过机架支撑，且振动台上表面安装用于限制试样的固定件，固定件呈中空框形，用于从周侧限定试样。

进一步地，所述传送机构为皮带传送机构或者链条链轮传送机构，所述动力系统为电机，电机带动皮带传送机构运转，输入部件为电机的功率调速器，该调速器与控制器连接，从而带动振动台的主动辊运转，皮带传送机构中皮带一侧与固定于主动辊的皮带轮连接。

进一步地，所述主动辊设置多个与所述传送带配合的齿轮(皮带轮)，多个齿轮的尺寸大小相异，从而进一步获得不同大小的推力F，拓宽了装置能提供的推力大小。

整个试验装置，将开展试验分析的岩土材料或结构试样设于振动台，通过控制器(带键盘或人机交互界面的计算机或工控机)设定试验所使用的频率等试验参数，由电机提供能源动力，使其按照控制器设定的试验参数运转，带动振动台运行。其中，控制器根据振动台的频谱特征，控制器根据要模拟的地震波的频率，计算合适的推力，从而控制动力系统根据需求进行输出，使振动台能够再现模拟地震波。

适用于软弱砂土液化分析的微型机械振动台试验装置的试验方法，具体步骤如下：

1)将试样固定于振动台，处于非工作状态；

2)控制器按照设定试验确定试验系统的频率f，f由输入部件电机的功率调速器控制，从而控制动力系统按照设定的角速度ω1旋转，振动台以速度v2前进，产生推力F，带动振动台振动，使试样产生液化作用，从而开展相关试验研究。

具体地，动力系统带动皮带以速度v1匀速转动，皮带与振动台的主动辊连接，主动辊以角速度ω2旋转，振动台以速度v2移动，由角速度ω2和速度v2产生推力F，因主动辊设有不同尺寸的齿轮，可选择不同的齿轮，从而产生不同大小的推力。

ω1＝2πf，f为动力系统输出频率(Hz)；

v1＝ω1D1/2，(m)，其中，D1为电机直径；

ω2＝v1/D’，其中，D’为主动辊上元齿轮的不同直径；

v2＝ω2D2，其中，D2为主动辊直径；

由于，

加速度A＝ω2v2 (m/s²)；

所以，推力F＝(m0+m1+m2+……)A (N)；

式中：m0—振动台运动部分有效质量(kg)

m1—辅助台面质量(kg)

m2—试件(包括夹具、安装螺钉)质量(kg)。

这样通过控制动力系统电机的频率，最终控制输出的推力F，并通过控制器进行显示，从而确定当电机频率多大时，试样发生液化，达到试验目的。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1)本实用新型通过控制器控制振动台的运动，能够有效地模拟低振幅作用下软弱砂土地层液化特征分析，节省了试验研究成本，扩展了软弱砂土液化分析的技术手段。

2)本实用新型能够有效地模拟不同激振频率作用下软弱砂土地层液化特征分析，用于研究液化场塑性变形特征随频率的变化规律，进而揭示液化作用对于砂土地层中结构物的稳定性。

3)本实用新型打破原有振动台试验成本高、试验周期长等不足，使其具有一定的改造性，节省了试验研究成本，扩展了软弱砂土液化分析的技术手段。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本实用新型试验装置示意图。

其中：1.控制器；2、电源；3、电机；4、皮带；5、振动台；6、主动辊； 7、传送带；8、固定件。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了适用于软弱砂土液化分析的微型机械振动台试验装置。

本申请的一种典型的实施方式中，如所示，适用于软弱砂土液化分析的微型机械振动台试验装置，包括控制器1，控制器1与动力系统连接，动力系统由电源2进行供电，动力系统与用于设置试样的振动台5连接，控制器1与输入部件连接，通过输入部件控制动力系统的频率，由控制器1通过动力系统控制振动台 5的振动频率。

上述的试验装置，振动台5带动岩土材料或结构试样进行振动，带动试样发生液化，多次试验，可以得出试样液化情况与振动台推力大小的关系，结构设置简单，可以揭示海洋波浪等水平荷载作用下海床砂土液化规律。

为了实现振动台5带动试样在水平方向的往复运动，通过往复运动产生振动，与实际海洋波浪在海床作用相符，动力系统通过传动机构与所述的振动台连接。振动台5产生的振幅方向为水平方向。

振动台5包括间隔设定距离设置的主动辊6和从动辊，主动辊6与动力系统连接，主动辊和从动辊之间设置传送带7，所述的试样设于传送带7表面。

振动台5通过机架支撑，振动台5的主动辊6和从动辊通过机架支撑，且振动台5上表面安装用于限制试样的固定件8，固定件8呈中空框形，用于从周侧限定试样，固定件8的长度占振动台的1/2-3/4，固定件8的高度小于等于0.7m，试样设于固定件内且低于固定件的最高点，振动台的长度大于1.5m，以提高模拟的准确度。

传送机构为皮带传送机构或者链条链轮传送机构，动力系统为电机3，电机 3带动皮带传送机构运转，从而带动振动台5的主动辊6运转，皮带传送机构中皮带一侧与固定于主动辊的皮带轮连接，主动辊表面还设置与传送带连接的带轮。

整个试验装置，将开展试验分析的岩土材料或结构试样设于振动台，通过控制器(带键盘或人机交互界面的计算机或工控机)设定试验所使用的频率等试验参数，由电机提供能源动力，使其按照控制器设定的试验参数运转，带动振动台运行。其中，控制器根据振动台的频谱特征，控制器根据要模拟的地震波的频率，计算合适的推力，从而控制动力系统根据需求进行输出，使振动台能够再现模拟地震波，从而通过电机频率，观察试样液化情况，进而获得推力大小与试样液化情况的关系，从而指导实践。

适用于软弱砂土液化分析的微型机械振动台试验装置的试验方法，具体步骤如下：

1)将试样固定于振动台，处于非工作状态。

2)控制器按照设定试验确定试验系统的频率f，从而控制动力系统按照设定的角速度ω1旋转，振动台以速度v2前进，产生推力F，带动振动台振动，使试样产生液化作用，从而开展相关试验研究。

3)以吸力式沉箱基础结构(试样)水平位移量超过其直径的1/4为失稳破坏控制标准，到达此值时，试验结束。

其中，所述步骤2)中控制器按照如下公式计算推力F：

控制器按照设定试验所使用的频率f试验参数，从而控制动力系统带动电机使其按照设定的角速度ω1旋转，带动皮带以速度v1匀速转动，皮带捆绑在主动辊不同直径的齿轮(皮带轮)上，从而产生不同的角速度ω2和辅助台速度v2，由角速度ω2和速度v2产生推力F，带动振动台振动，使试样产生液化作用，从而开展相关试验研究。

控制器通过如下公式计算推力F，

ω1＝2πf，f为电机的输出频率(Hz)；

v1＝ω1D1/2，(m)，其中，D1为电机直径，可手动输入，控制器与键盘连接用于参数的输入；

ω2＝v1/D’，其中，D’为主动辊齿轮的不同直径，可手动输入；

v2＝ω2D2，其中，D2为主动辊直径，可手动输入；

由于，

加速度A＝ω2v2 (m/s²)；

所以，推力F＝(m0+m1+m2+……)A (N)；

式中：m0—振动台运动部分有效质量(kg)

m1—辅助台面质量(kg)

m2—试件(包括夹具、安装螺钉)质量(kg)，这三个质量参数可手动输入。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。