一种可用于模拟冻土场地条件下工程结构基础地震反应的试验系统

1.本发明涉及一种室内模型试验测试系统，具体是指一种可用于模拟冻土场地条件下工程结构基础地震反应的试验系统，可有效模拟包括季节冻土和多年冻土在内的各类冻土场地条件，并测试各类工程结构基础在地震作用下的动力响应。


背景技术：

2.冻土作为一种特殊的岩土材料，由气态包裹体、冰包裹体、矿物颗粒和液态水组成，作为多相复合体，冻土的强度和变形特性比未冻土要复杂得多。冻土在全球范围内的分布非常广泛，根据其冻结时间的不同，冻土主要分为多年冻土和季节冻土两大类。其中多年冻土约占全球陆地总面积的23%，主要分布于俄罗斯、加拿大、中国和美国的阿拉斯加等地区。我国是世界第三冻土大国，我国季节性冻土和多年冻土面积接近全国总面积的70％。在地理分布上，多年冻土区同时也是地震频发区域，如青藏高原地震区是我国地震活动最为频繁的区域，且震级相对较高。因此，冻土区的工程结构基础不可避免地面临着地震作用和冻土场地效应的双重挑战。高峰等人2006年发表于《岩石力学与工程学报》的“季节性冻土和多年冻土对场地地震反应的影响”一文介绍了应用水平层状场地地震反应的等效线性化有关程序，分析了冻土层的变化对场地地震反应的影响。吴志坚等人2010年发表于《岩土力学》的“青藏铁路多年冻土区桥梁桩基础地震响应的试验研究与数值分析”一文介绍了高温不稳定多年冻土区桥梁桩基础的缩尺模型振动台试验，明确了动荷载作用下桩—土交界面以及桩间土的温度升高效应。杨润林等人2014年发表于《北京科技大学学报》的“冻土覆盖下液化场地桩基地震响应的振动台试验研究”一文介绍了冻土、可液化砂土与钢管桩之间的相互作用模拟振动台试验，其结果表明，冻土层的存在可以在一定程度上提高结构的承载力并抑制其侧向变形，然而一旦出现液化，冻土层则会加剧地基液化的趋势，导致结构承载能力快速下降。王常峰等人在2016年发表于《桥梁建设》的“季节性冻土区桩基础桥梁地震反应研究”一文中通过非线性有限元动力模型对比分析了冻土和非冻土两种不同状态下的结构地震响应。以上研究表明，冻土层的存在不仅改变了地震波的传播特性，也会对结构的破坏模式产生一定的影响。当前，针对冻土场地条件下下结构的地震反应研究多基于数值模拟。部分试验采用混凝土层来代替冻土层，没有充分考虑冻土的水化热等物理力学性能指标的影响，各种不确定因素的叠加也不可避免地影响了分析结果的准确性。因此，有必要模拟真实的冻土场地条件下来评估场地的地震反应以及各种参数变化对工程结构基础地震反应的贡献，从而为冻土场地工程结构基础的抗震设计提供科学依据。然而，目前国内外针对冻土场地条件开展的工程结构地震反应研究相对较少，而已有的研究多以现场足尺或拟静力模型试验为主。其中，户外现场试验受试验周期、环境条件以及荷载参数等条件的制约，难以有效地开展深入的研究。地震作用下工程结构基础-冻土体系的动力相互作用过程是一个极其复杂的问题，而拟静力试验也无法准确地反应结构体系的地震响应特性。因此，为了能够对负温、激振频率、冻融作用等因素影响下冻土中工程结构基础的动力特性进
行系统研究，在充分调查分析已有研究的基础上，发明研制了一套能够模拟冻土场地条件下工程结构基础地震反应的试验系统。该发明对研究地震作用下冻土区工程结构基础的动力特性以及明确结构-冻土动力相互作用的机理具有重要意义。


技术实现要素：

3.为实现准确的温度控制，以便系统地研究各种因素对冻土场地条件下工程结构基础动力特性的影响，本发明旨在提供一种可用于模拟冻土场地条件下工程结构基础地震反应的试验系统。该系统能够测试位于冻土场地条件下下的结构基础在地震作用下的多种响应值，包括土体加速度、土压力、基础应变等变量，且数据存储和采集实现了自动化。本发明所采用的技术方案是：一种可用于模拟冻土场地条件下工程结构基础地震反应的试验系统，包括激振系统、液压动力系统、单自由度振动台台面系统、环境制冷系统、温度监控系统及响应数据采集系统六大部分。
4.激振系统由反力墙（1）、激振器水平固定支座（2）、激振器后固定支架（3）、激振器液压油缸（4）、激振器前固定支架（5）、激振器作动杆（6）、连接卡口装置（7）组成。其特征是激振器液压油缸（4）后方的水平固定支座（2）通过高强螺栓固定于反力墙（1）上；后固定支架（3）和前固定支架(5)通过锚固螺栓固定于地面，激振器液压油缸（4）的前后两端则通过螺栓和后固定支架（3）以及前固定支架（5）连接固定在一起；激振器液压油缸（4）连接激振器作动杆（6），激振器作动杆（6）一端设有连接卡口装置（7）。
5.液压动力系统由伺服控制系统（8）、油压输送系统（9）和电脑控制系统(10)组成。其特征是伺服控制系统（8）和油压输送系统（9）以及激振器液压油缸（4）通过油管互相连接，且均与电脑控制系统（10）相连；电脑控制系统（10）通过控制油压输送系统（9）为激振器液压油缸（4）提供油压；液压伺服系统（8）则通过控制油压阀门来实现激振器液压油缸（4）的运行，同时通过传感器的实时监测将激振系统的运行情况反馈到电脑控制系统（10），由电脑控制系统（10）对激振器液压油缸（4）的实际状态与所需状态进行对比，继而对液压伺服系统（8）发出指令以进行进一步的调节控制。
6.单自由度振动台台面系统由水平滑动轨道（11）、横向固定支座（12）、滑动滚轮组（13）、钢制托底（14）、振动台台面（15）组成。其特征是水平滑动轨道（11）两侧焊接的横向固定支座（12）通过锚固螺栓固定于地面，以实现滑动轨道的固定；滑动滚轮组（13）顶部的钢制托底与振动台台面（15）锚固连接，同时滑动滚轮组（13）精确安置于水平滑动轨道（11）上；激振器作动杆（6）一端的连接卡口装置（7）通过锚固螺栓与振动台台面（15）连接，使得振动台台面（15）能在激振器的作用下往复振动。
7.环境制冷系统由制冷模型箱（16）、铜制冷却管（17）、转换接口（18）、耐低温导管（19）、保温棉（20）、制冷循环机（21）、冷却液（22）组成。其特征是制冷模型箱（16）底板和振动台台面（15）通过锚固螺栓固定连接，制冷试验箱（16）内壁布置一定厚度的保温棉（20）；在制冷模型箱（16）中装填土体，土体与侧壁接触部位盘绕铜制冷却管（17），铜制冷却管（17）两端伸出土面，其中一端通过转换接口（18）和耐低温导管（19）与制冷循环机（21）出液口连接，另一端通过转换接口（18）和耐低温导管（19）与制冷循环机（21）进液口连接；冷却液（22）通过制冷循环机（21）出液口进入耐低温导管（19），再通过转换接口（18）进入铜制冷却管（17），最后冷却液（22）通过铜制冷却管（17）的出液端，经过另一条耐低温导管（19）导
入制冷循环机（21）的进液口，完成一个循环；通过冷却液（22）的循环带走土体中的热量，从而达到土体降温和冻结的目的。
8.温度监控系统由温控器（23）、温度传感器（24）、温度巡检仪（25）组成。其特征是温度传感器（24）的探头端沿竖向深度埋置于土体中，其另一端与温度巡检仪（25）相连，通过对温度传感器（24）的实时监测以实现土体温度的监测；再通过温控器（23）及时调节冷却液（22）的温度，使得土体温度达到目标阈值。
9.响应数据采集系统由应变片（25）、土压力传感器（26）、加速度传感器（27）、 传感器引线（28）、数据采集终端（29）组成。其特征是一部分加速度传感器（27）埋置于土体中，应变片（25）布置在安装有配重箱(31)的测试模型（30）侧面，土压力传感器（26）和另一部分加速度传感器（27）固定于测试模型（30）基础侧面，各类传感器引线（28）引出制冷模型箱（16）后与数据采集终端（29）相连，实现数据的自动化采集和存储。
10.本发明的优点和产生的有益效果是：1、本发明通过激振系统的运行，可以实现任意波形振动激励下的振动台试验，并在单一自由度方向上，实现冻土场地条件下工程结构基础的模拟地震动响应；2、本发明能够为试验研究提供符合真实场地条件的冻土场地条件，其内部设置的保温材料既可以起到保温的作用，也能够有效降低试验过程中的箱体边界；3、本发明结构简单、各个系统之间的运行协调稳定，同时通过计算机实现对整个试验系统的一体化管理与控制，其得到的试验结果具备较高的准确性。
附图说明
11.图1是本发明正视图；图2是本发明俯视图；图3是本发明侧视图；图4是用本发明测试的测点温度随时间的变化曲线；图5是用本发明进行振动台试验前实测的土体沿深度的温度曲线；图6是用本发明进行振动台试验实测的土体加速度时程曲线。
具体实施方式
12.下面结合附图，对本发明再做进一步的说明：如图1~3所示，一种可用于模拟冻土场地条件下工程结构基础地震反应的试验系统，包括激振系统、液压动力系统、单自由度振动台台面系统、环境制冷系统、温度监控系统及响应数据采集系统六大部分。激振系统由反力墙（1）、激振器水平固定支座（2）、激振器后固定支架（3）、激振器液压油缸（4）、激振器前固定支架（5）、激振器作动杆（6）、连接卡口装置（7）组成。其特征是激振器液压油缸（4）后方的水平固定支座（2）通过高强螺栓固定于反力墙（1）上；后固定支架（3）和前固定支架(5)通过锚固螺栓固定于地面，激振器液压油缸（4）的前后两端则通过螺栓和后固定支架（3）以及前固定支架（5）连接固定在一起；激振器液压油缸（4）连接激振器作动杆（6），激振器作动杆（6）一端设有连接卡口装置（7）。液压动力系统由伺服控制系统（8）、油压输送系统（9）和电脑控制系统(10)组成。其特征是伺服控制系统（8）和油压输送系统（9）以及激振器液压油缸（4）通过油管互相连接，且均与电脑控
制系统（10）相连；电脑控制系统（10）通过控制油压输送系统（9）为激振器液压油缸（4）提供油压；液压伺服系统（8）则通过控制油压阀门来实现激振器液压油缸（4）的运行，同时通过传感器的实时监测将激振系统的运行情况反馈到电脑控制系统（10），由电脑控制系统（10）对激振器液压油缸（4）的实际状态与所需状态进行对比，继而对液压伺服系统（8）发出指令以进行进一步的调节控制。单自由度振动台台面系统由水平滑动轨道（11）、横向固定支座（12）、滑动滚轮组（13）、钢制托底（14）、振动台台面（15）组成。其特征是水平滑动轨道（11）两侧焊接的横向固定支座（12）通过锚固螺栓固定于地面，以实现滑动轨道的固定；滑动滚轮组（13）顶部的钢制托底与振动台台面（15）锚固连接，同时滑动滚轮组（13）精确安置于水平滑动轨道（11）上；激振器作动杆（6）一端的连接卡口装置（7）通过锚固螺栓与振动台台面（15）连接，使得振动台台面（15）能在激振器的作用下往复振动。环境制冷系统由制冷模型箱（16）、铜制冷却管（17）、转换接口（18）、耐低温导管（19）、保温棉（20）、制冷循环机（21）、冷却液（22）组成。其特征是制冷模型箱（16）底板和振动台台面（15）通过锚固螺栓固定连接，制冷试验箱（16）内壁布置一定厚度的保温棉（20）；在制冷模型箱（16）中装填土体，土体与侧壁接触部位盘绕铜制冷却管（17），铜制冷却管（17）两端伸出土面，其中一端通过转换接口（18）和耐低温导管（19）与制冷循环机（21）出液口连接，另一端通过转换接口（18）和耐低温导管（19）与制冷循环机（21）进液口连接；冷却液（22）通过制冷循环机（21）出液口进入耐低温导管（19），再通过转换接口（18）进入铜制冷却管（17），最后冷却液（22）通过铜制冷却管（17）的出液端，经过另一条耐低温导管（19）导入制冷循环机（21）的进液口，完成一个循环；通过冷却液（22）的循环带走土体中的热量，从而达到土体降温和冻结的目的。温度监控系统由温控器（23）、温度传感器（24）、温度巡检仪（25）组成。其特征是温度传感器（24）的探头端沿竖向深度埋置于土体中，其另一端与温度巡检仪（25）相连，通过对温度传感器（24）的实时监测以实现土体温度的监测；再通过温控器（23）及时调节冷却液（22）的温度，使得土体温度达到目标阈值。响应数据采集系统由应变片（25）、土压力传感器（26）、加速度传感器（27）、 传感器引线（28）、数据采集终端（29）组成。其特征是一部分加速度传感器（27）埋置于土体中，应变片（25）布置在安装有配重箱(31)的测试模型（30）侧面，土压力传感器（26）和另一部分加速度传感器（27）固定于测试模型（30）基础侧面，各类传感器引线（28）引出制冷模型箱（16）后与数据采集终端（29）相连，实现数据的自动化采集和存储。
13.测试实例利用本发明对冻土场地条件下的群桩基础进行了水平荷载作用下的试验测试，测试结构为承台和4根桩基础，桩基础长度为150cm，直径15cm，承台尺寸68cm
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60cm
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25cm（长宽高），桩基础的纵向配筋率为0.43%，本次测试实例采集了试验箱体内土体的降温过程及温度沿深度的分布，试验过程中桩侧浅层土体的加速度时程曲线。
14.图4是用本发明测试的一个测点温度随时间的变化曲线，从图4可以看出，温度变化曲线平滑，证明本发明的环境冷却系统降温过程稳定可靠；图5采用本发明开展振动台试验前实测的土体沿深度的温度分布曲线，从图5中可以看出，土体从顶面向下冻结深度约40cm，可有效模拟季节冻土区冬季的冻结状态，图5的温度分布证明本发明的冷却系统冷却效率高、保温措施有效；图6用本发明进行振动台试验实测的季节冻土层桩侧的加速度时程曲线，从图6可以看出，本发明测试结果能够有效反映冻土场地条件下工程结构基础的地震反应，数据稳定可靠。