一种用于振动台试验的透明剪切模型箱的制作方法

本发明涉及土木工程领域，尤其是涉及一种用于地下结构振动台试验的透明剪切模型箱。

背景技术：

当前全球地震灾害进入高发期，2008年汶川地震、2011东日本地震、2013年雅安地震、2015年尼泊尔地震、2018年印尼地震等特大地震都造成了巨大的人员伤亡和经济损失也对社会稳定带来严重冲击。《国家综合防灾减灾规划(2016—2020年)》指出，当前破坏性地震仍处于频发多发时期，防灾减灾救灾基础依然薄弱，国际防灾减灾救灾合作任务不断加重。全球面临的抗震形势严峻，全面抗震、全民抗震刻不容缓。

在土木工程领域，物理模拟(physicalmodelling)试验是发现规律、揭示机理的重要手段，其中在地震工程领域，最有效最先进的物理模拟手段就是振动台试验。将土工建构筑物(高坝、高陡边坡、软弱地基、地铁车站、隧道、地下综合管廊、城市建筑群、核电站、输电塔等)按照一定的相似性规律缩小尺寸，放置在振动台上，振动台按照预先输入的地震波形进行施振，土工建构筑物在振动过程中的响应(应力、应变、位移等)就可以实时监测并利用相似性规律反算出真实土工建构筑物的响应。振动台试验可以是针对某一类问题进行系统研究得出重要规律结论指导实际抗震设计，也可以作为一种超前诊断手段检验土工建构筑物的抗震性能。

目前，振动台试验主要分为常重力振动台试验和超重力振动台试验两种。常重力振动台通常是大型地面振动台，主要用于模拟地震作用下上部结构物的响应。超重力振动台是小型机载振动台，利用离心机产生超重力恢复岩土体由缩尺产生的应力损失(例如，离心机产生100g的超重力，尺寸为1m的模型就能模拟尺寸为100m的原型模型)，产生更加真实的岩土体响应，主要用于下部岩土体的抗震研究。

模型箱是振动台重要的组成部分之一，主要功能是将振动台产生的激振力传递给试验岩土体并提供边界条件(侧限约束、水力边界等)。模型箱可以分为刚性模型箱和柔性模型箱。刚性模型箱通常是由钢板焊制而成，为试验岩土体提供刚性侧限约束边界条件，通常会在长侧边设置透明视窗用于观测试验岩土体在静动力荷载作用下的响应；柔性模型箱(又称剪切箱、剪切模型箱)通常由层状矩形剪切环叠合而成形成试验岩土体自由场地边界条件，并且在剪切环内表面设置有橡胶膜形成试验岩土体的水力边界条件，由于边界条件的特殊性剪切模型箱无法在长侧边设置透明视窗用于观测试验岩土体在动力荷载作用下的响应。其中，自由场地边界条件是指试验土体在边界处(试验土体与模型箱的交界处)可以自由变形，摩擦小不受约束。水力边界条件是指试验土体在模型箱边壁和底部不漏水。

在土工建构筑物抗震研究中，如果采用刚性模型箱提供边界约束，就无法保证自由场地条件，即由模型箱刚性边壁产生的边界效应比较大会影响试验结果，即试验条件不够真实；如果采用剪切模型箱提供自由场地边界条件，能最大程度上保证试验结果的准确性和精度，但是无法获取试验岩土体断面在动力荷载下的变形特征，即试验结果不够全面(例如，高坝的抗震研究中比较大的研究课题就是坝体在地震作用下会产生怎样的变形，而剪切模型箱无法提供这样的变形观测条件)。在实际抗震研究中，往往需要真实的边界条件结合全面的试验结果才能最大程度保证试验结果的准确、真实，并综合评价分析试验岩土体在动力荷载作用下的响应，为土工建构筑物的抗震设计提供依据。

现有技术未见有振动台模型箱能提供模型断面观测条件并同时保证真实试验条件。随着地震对人类生产生活的破坏性影响越来越重，在土工建构筑物抗震试验研究中，还原场地的真实边界条件并全面呈现试验结果对认识地震的致灾效应、土工建构筑的抗震性能等具有重要意义。但现有技术还无法实现。

技术实现要素：

本发明旨在提出一种既可提供模型断面观测条件，又可保证真实试验条件的振动台模型箱，以克服上述不足。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于振动台试验的透明剪切模型箱，包括安装在振动台上透水底座和设置在透水底座上的层状结构箱体，所述箱体包括多个依次叠合在透水底座上的开口式剪切环和至少一个反力架，最下层的开口式剪切环和透水底座固定连接，相邻开口式剪切环在受到剪切力时相互间能够产生错位以形成地震剪切模型试验的自由场地边界条件；在多个开口式剪切环叠合形成的侧面开口处，所述反力架的两侧分别通过卡合结构与前述多个开口式剪切环相卡合，且该卡合结构在允许前述多个开口式剪切环间在平行于反力架的方向上产生错位的同时限制其在垂直于反力架的方向上产生错位；所述反力架上设置有供探测试验样品的侧面受交变剪切力作用状况的透明视窗。

上述技术方案还可以通过以下技术措施进一步完善：

作为进一步优化，所述箱体上具有一个反力架，且该箱体上相对于反力架的另一侧设置有至少一个限位杆，该限位杆在允许前述多个开口式剪切环间在平行于反力架的方向上产生错位的同时限制其在垂直于反力架的方向上产生错位。所述限位杆的底部与透水底座固定连接，其上部具有限制多个开口式剪切环在竖直方向上产生分离的卡勾。

作为进一步优化，所述开口式剪切环的开口处具有向开口的外侧延伸的延伸臂，所述反力架具有与延伸臂相适配的卡接槽。

作为进一步优化，所述延伸臂的两侧面和卡接槽的内侧面之间均具有多个定位滚轴，以使相邻延伸臂仅能沿平行于延伸臂的方向平稳错位。

作为进一步优化，所述卡接槽为c形，延伸臂嵌入在卡接槽内，且其两侧面具有定位滚轴以将其定位在卡接槽中部。

作为进一步优化，所述多个开口式剪切环之间具有多个导向滚轴，以使相邻开口式剪切环之间平稳产生错位。

作为进一步优化，所述箱体为一侧开口、三侧封闭的长方形，该箱体内具有供放置试验样品的容腔。

作为进一步优化，所述透明视窗为透明视窗，以供人眼或拍照设备观察并分析试验样品的受剪切力的作用状态。

作为进一步优化，所述透明视窗为杨氏模量≥5gpa，透光率≥85％的有机玻璃制成。

作为进一步优化，所述开口式剪切环为密度≤7.85g/cm³，弹性模量≥40kn/mm²的铝合金材料制成。

作为进一步优化，所述底座包括刚性底板、透水石、导管和阀门；所述透水石均匀分布在刚性底板的凹槽内部并且透水石边界不超过箱体内壁；所述的阀门固定在刚性底板上位于箱体外侧的部位上，所述导管连通阀门和箱体的内部容腔以排出液体。

作为进一步优化，所述箱体的内侧具有防止液体沿多个开口式剪切环之间的缝隙处渗漏的隔水膜。

作为进一步优化，所述隔水膜为橡胶模，且其沿开口式剪切环内表面布置，隔水膜侧边沿固定到反力架上；所述隔水膜下边沿固定到透水底座上；所述隔水膜的上边沿固定在开口式剪切环上。

本发明的有益效果：

通过在剪切模型箱反力架上设置透明视窗以探测箱内试验样品断面受交变剪切力作用状态，提供了量测和观测试验土体断面变形的条件，在试验样品断面变形已知的条件下，进一步可利用piv技术分析获得试验土体变形规律。透明视窗的设置实现了剪切模型箱的透明。

透明视窗的引入破坏了常规开口式剪切环封闭叠合的特性，开口式剪切环从封闭结构变为开口结构，这降低了模型箱整体的刚度，进一步导致模型箱边壁变形过大，无法提供给试验土体真实的试验条件。通过在反力架和开口式剪切环侧面开口处之间设置卡合结构，使开口式剪切环的封闭结构得以恢复，进一步模型箱刚度得到恢复。卡合结构保证了引入透明视窗后的剪切模型箱的真实试验条件。

所述限位杆的引入是为了增大堆叠而成的开口式剪切环在垂直于反力架方向和竖直向的约束刚度。保证剪切模型箱在高速振动下，各层开口式剪切环在垂直于反力架方向和竖直向上不发生过大的变形，从而保证了箱内土体的运动的单向性。

所述透水底座由透水石、刚性底板、导管和阀门组成。透水石的高渗透性配合阀门的开闭可保证试验土体内最大排水性能和最大进水性能。刚性底板的高强度保证了试验过程中模型箱底部的稳定，即在高速振动下，模型箱底部不发生或发生极小(相比于土体变形可忽略)的变形。

各开口式剪切环均为空心结构，整体质量相对于实心非变截面设计减重1/3以上，且空心结构的形式使整体刚度仍能得到保证。例如，一个实心圆棍(直径为d，弹性模量为e，密度为ρ)，经计算其质量为0.25ρπd²，抗弯刚度为0.016eπd⁴。当将其做成空心圆管(内环直径为0.6d)，此时其质量约为0.15ρπd²，抗弯刚度约为0.014eπd⁴。对于圆棍来说，若采用空心结构的方式，减重达到1/3，而抗弯刚度仅减小1/10。因此，开口式剪切环采用空心结构形式可以在保证模型箱刚度的同时实现模型箱的减负。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是实施例一立体结构示意图。

图2是实施例一的俯视图。

图3是图2中3-3剖面图。

图4是实施例一开口式剪切环水平剖面示意图。

图5是实施例一开口式剪切环1-1剖面图。

图6是实施例一2-2截面剖面图。

图7是实施例一刚性底板布置示意图。

图8是实施例一限位杆正视图。

图9是实施例一限位杆侧试图。

图中：1、开口式剪切环，2、反力架，3、透明视窗，4、透水底座，5、限位杆，6、透水石，7、导向滚轴，8、阀门，9、导管，10、开口式剪切环长侧边，11、开口式剪切环短侧边，12、延伸臂，13、滚轴槽，14、润滑油脂，15、空心构造，16、铆钉，17、压条，18、反力架长侧边，19、卡合结构，20、定位滚轴，21、卡接槽，22、刚性底板，23、隔水膜

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在现有技术中，为了满足提供给试验土体自由场地边界条件采用自下而上依次叠合的层状矩形剪切环，各个层状矩形剪切环之间通过滚轴实现定向剪切，由于滚轴产生的摩擦力比较小，可以认为剪切模型箱提供给试验土体自由边界条件，需要注意的是层状矩形剪切环为封闭结构。为了提供给试验土体水力边界条件，采用液密性结构。液密性结构由液密性材料和固定结构组成，液密性材料通常为隔水膜，固定结构通常为压条和铆钉，其作用是将液密性材料固定在模型箱上。为了满足模型箱的刚度要求，层状矩形剪切环的材料通常选用金属材料(例如铝合金、合金钢等)，这些金属材料通常为不透明材料，导致摄像设备(例如相机)不能实现对试验土体断面的面观测。

实施例一：

本实施例中的剪切模型箱主要应用于离心机振动台试验，其常规的试验设备布置可以简单概括为：离心机搭载振动台，振动台上又搭载模型箱。离心机的主要作用为：通过高速旋转产生超重力恢复岩土体由于缩尺产生的应力损失(例如，离心机产生100g的超重力，尺寸为1m的模型就能模拟尺寸为100m的原型模型，即模拟的现场尺寸达到100m)。振动台的主要作用为：剪切模型箱置于振动台上，振动台通过自身振动向剪切模型箱输入振动，模拟地震作用。模型箱的主要作用为：试验土体的载体，用于兜装试验土体。

剪切模型箱作为离心机振动台试验的一个重要组成部分，在试验过程中需满足以下基本要求：①尽量提供给试验土体自由场地边界条件，即试验土体在边界处(试验土体与模型箱的交界处)可以自由变形，摩擦小不受约束。②提供给试验土体水力边界条件，即试验土体在模型箱边壁和底部不漏水。③模型箱的侧壁有足够刚度，保证在荷载作用下产生侧向变形要足够小。

对试验现象的直接且全面的观测是岩土地震工程领域揭示地震致灾机理非常重要的手段和途径，这个对提升土工建构筑物的抗震韧性具有极大指导价值。变形是土木工程问题中的研究热点，揭示地震产生的土体变形规律将会极大推动土木工程领域性能设计的发展，而这极大依赖于对变形的观测，尤其是土体表面及断面(内部)变形的观测。故对模型箱提出了新的要求：④土体断面变形的可视化，即可观测到土体断面变形。

上述四个要求对剪切模型箱具体结构提出了一定的要求。本实施例能较好得满足上述四个要求，以下结合附图详细说明。

如图1至图7所示，本实施例的一种用于振动台试验的透明剪切模型箱，包括安装在振动台上透水底座4和设置在透水底座4上的层状结构箱体，所述箱体包括多个依次叠合在透水底座4上的开口式剪切环1、限位杆5和一个反力架2，该箱体上相对于反力架的另一侧设置有至少一个限位杆5，本实施例中为三个平行设置的限位杆5，该限位杆5在允许前述多个开口式剪切环1间在平行于反力架的方向上产生错位的同时限制其在垂直于反力架2的方向上产生错位。最下层的开口式剪切环1、限位杆5底部均和透水底座4固定连接，其上部具有一限制多个开口式剪切环在竖直方向上产生分离的卡勾，各层开口式剪切环1背侧与限位杆5连接，相邻开口式剪切环1在受到剪切力时相互间能够产生错位以形成地震剪切模型试验的自由场地边界条件；在多个开口式剪切环1叠合形成的侧面开口处，所述反力架2的两侧分别通过卡合结构19与前述多个开口式剪切环1相卡合，且该卡合结构19在允许前述多个开口式剪切环1间在平行于反力架2的方向上产生错位的同时限制其在垂直于反力架2的方向上产生错位；所述反力架2上设置有供探测试验样品的侧面受交变剪切力作用状况的透明视窗3。

需要补充说明的是，限位杆5位于剪切环1的外侧，且其和每个开口式剪切环1之间通过滚轴接触，卡勾与最上方的剪切环之间也通过滚轴接触，以使剪切环1和限位杆5之间平稳接触且减少摩擦。该滚轴接触方式和下述的定位滚轴20的连接方式相近似。本实施例中的卡勾是由限位杆5的杆体向剪切环1方向延伸的凸起，以在剪切环1的上方形成限位。

在其它实施方式中，反力架2也可以是两个，两个反力架相对设置，此时的箱体具有两个开口，两个反力架分别卡合在开口处。限位杆5也可以是一个、两个或者多个，只要能起到限位的左右即可。

具体来说，开口式剪切环1的开口处具有向开口的外侧延伸的延伸臂12，所述反力架2具有与延伸臂12相适配的卡接槽21。所述延伸臂12的两侧面和卡接槽21的内侧面之间均具有多个定位滚轴20，以使相邻延伸臂12仅能沿平行于延伸臂12的方向平稳错位。所述卡接槽21为c形，也可以是其它形状，延伸臂12嵌入在卡接槽21内，且其两侧面具有定位滚轴20以将其定位在卡接槽21中部。定位滚轴20具有圆柱形滚动体和位于滚动体两侧的销轴，延伸臂12上具有安装滚动体的滚轴槽以及装入销轴的销孔，且滚动体的部分露出滚轴槽外，并可在滚轴槽内滚动。

优选地，所述多个开口式剪切环1之间具有多个导向滚轴7，导向滚轴7的结构和定位滚轴20的结构类似，但尺寸大于定位滚轴20；以使相邻开口式剪切环1之间平稳产生错位。所述箱体为一侧开口、三侧封闭的长方形，该箱体内具有供放置试验样品的容腔。所述透明视窗3为透明视窗，以供人眼或拍照设备观察并分析试验样品的受剪切力的作用状态，在本实施例中，所述透明视窗3为杨氏模量≥5gpa，透光率≥85％的有机玻璃制成，具体材料本领域技术人员可以在现有材料中选择。

在本实施例中，所述开口式剪切环1为密度≤7.85g/cm³，弹性模量≥40kn/mm²的铝合金材料制成，具体材料本领域技术人员可以在现有材料中选择。

在本实施例中，所述底座包括刚性底板22、透水石6、导管9和阀门8；所述透水石6均匀分布在刚性底板22的凹槽内部并且透水石6边界不超过箱体内壁；所述的阀门8固定在刚性底板22上位于箱体外侧的部位上，所述导管9连通阀门8和箱体的内部容腔以排出液体。

具体而言，所述箱体的内侧具有防止液体沿多个开口式剪切环1之间的缝隙处渗漏的隔水膜23。所述隔水膜23为橡胶模，且其沿开口式剪切环1内表面布置，隔水膜23侧边沿固定到反力架2上；所述隔水膜23下边沿固定到透水底座4上；所述隔水膜23的上边沿固定在开口式剪切环1上。

如图1、8和9所示，实施例中的模型箱由多层开口式剪切环1、反力架2、透明视窗3、透水底座4和限位杆5组成。限位杆5底部与透水底座4固定连接，与各层开口式剪切环1的背侧通过定位滚轴20连接。具体而言，限位杆5内设有滚轴槽13和定位滚轴20，定位滚轴20与各层开口式剪切环1背侧连接，以将各层开口式剪切环1仅能沿平行于反力架方向上平稳错位。

如图1所示，实施例中的模型箱由多层开口式剪切环1、反力架2、透明视窗3、透水底座4和限位杆5组成。多层开口式剪切环1自下而上叠合而成，底层开口式剪切环1与透水底座4固定连接，开口式剪切环为空心构造15，此构造有利于在保证模型箱刚度的前提下，减轻整个模型箱的质量，削弱了开口式剪切环1质量过大对模型箱的影响，优选的，材料选用轻质高强的铝合金；所述影响具体表现为地震加速度引起模型箱变形，当模型箱质量越大，刚度越小，所引起的变形越大。故轻质高强的空心构造15结构有利于模型箱满足基本要求③。

如图2、4所示，开口式剪切环1形状与汉字“几”相似，其由一个平行于振动方向的开口式剪切环长侧边10、两个垂直于振动方向的开口式剪切环短侧边11以及两个延伸臂12组成；如图4、5所示，除顶层开口式剪切环1，其余各层开口式剪切环1均在开口式剪切环长侧边10和开口式剪切环短侧边11等间距水平向设置有若干相同的滚轴槽13，滚轴槽13内设置相应的导向滚轴7，用润滑油脂14进行润滑，以减小开口式剪切环自由剪切时的摩阻力；滚轴槽13内所有滚轴7的转动轴方向与振动方向垂直。滚轴槽13、导向滚轴7的结构形式使得不同开口式剪切环间的运动方式为滚动，滚动摩擦小。此外为了进一步减小摩擦，在滚轴槽13和导向滚轴7上涂上润滑油脂14进行润滑。滚轴槽13、导向滚轴7的结构形式以及润滑油脂14的使用有利于模型箱满足基本要求①。

如图2所示，反力架2两侧和开口式剪切环延伸臂12之间设置卡合结构19，该卡合结构19在允许多层开口式剪切环1间在平行于反力架2的方向上产生错位的同时限制其在垂直于反力架2的方向上产生错位；如图2、3、6所示，反力架1两侧内表面竖直向设置卡接槽21，卡接槽21与延伸臂12间设置有若干相同的定位滚轴20，以使相邻延伸臂12仅能沿平行于延伸臂的方向平稳错位；卡接槽21和定位滚轴20的结构形式与上述滚轴槽13、导向滚轴7的结构形式具有相同的功能。卡合结构19、卡接槽21和定位滚轴20联合使用实现了开口式剪切环1和反力架2间的自由剪切，有利于模型箱满足基本要求①。

如图1所示，反力架2长侧边设置有透明视窗3，透明视窗3形状可选用矩形，边角处倒圆角以削弱应力集中现象。透明视窗3的设置使得对试验土体断面变形的观测得以实现，使模型箱满足基本要求④。

考虑到透明视窗3在高g值工作环境下将受到较大的侧向土压力，故其材料宜选用高强度透明玻璃，透明视窗3与反力架2连接处采用密封胶进行密封以保证模型箱密封性；如图2、3所示，隔水膜23沿开口式剪切环1内表面布置，其上、下底部端采用压条17和铆钉16分别固定到透水底座4和顶层开口式剪切环1上，其末端采用压条17和铆钉16固定到反力架2长侧边内表面上，隔水膜23的使用保证了模型箱箱体的液密性；透明视窗3与反力架2连接处采用密封胶，以及隔水膜23的使用有利于模型箱满足基本要求②。

如图7所示，所述透水底座4由透水石6、刚性底板22、导管9和阀门8组成。透水石形状为圆形，按3x5阵列(行3列5)均匀分布在刚性底板22内部凹槽以满足实验所需的最大排水性能。所述阀门8固定在刚性底板22短边中间，通过该阀门8可控制排水条件以满足试样饱和、固结和排水等，其材料宜选用不锈钢和铜等强度较高材料以承受高g值所带来的高水压或油压。所述导管9贯穿刚性底板22并连接到各个透水石6，实现模型箱内试样的快速饱和液体快速排出。透水底座4的使用有利于模型箱满足基本要求②。

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