一种大比尺矩形多向叠层状剪切模型土箱

1.本发明涉及岩土工程试验仪器制造技术领域，尤其涉及的是适用于室内大型地震模拟振动台模型试验和开展深埋地下结构工程抗震设计研究的一种大比尺矩形多向叠层状剪切模型土箱。
2.

背景技术：

3.土-桩-结构相互作用问题一直是深埋地下结构抗震设防和安全审评工作关注的焦点，由于动力相互作用问题的复杂性，开展室内地震模拟振动台模型试验，对深入研究深埋地下结构地震响应并验证相互作用分析方法的有效性具有重要意义；此外，大多数深埋地下结构所处场地条件较差，属于深厚软土地基，且地震烈度较高，桩基方案的选择有利于满足地基承载力、变形及抗震要求；再者，针对动力相互作用问题，不同数值方法因其计算模型和选取参数的不同，计算结果存在很大差异。
4.因此，为验证数值计算结果的有效性，研发一种大比尺矩形多向叠层状剪切模型土箱，通过开展大型振动台模型试验研究地震荷载作用下土-桩、土-结构、土-桩-结构动力相互作用规律，对优化深埋地下结构抗震设计具有重要的实际工程意义。
5.在岩土工程室内振动台模型试验中，由于振动台台面尺寸及其承载能力等条件制约，模型土箱尺寸受到限制，无法模拟真实场地条件，土箱侧边界约束了试验土体的变形，并对地震波在土体中的传递产生反射和散射作用，导致动力试验结果产生较大误差，这种误差影响被称为“土箱边界效应”；为减小土箱边界效应，研发一种可反映试验土体水平剪切变形和边界能量吸收的模型土箱，是成功开展土-桩-结构动力相互作用振动台模型试验的关键基础；因此，理想的模型土箱应能正确模拟地基土的边界条件以及其水平剪切变形，还原实际场地条件的水平向无限性。
6.据已有文献报道，国内外开展土-桩-结构动力相互作用的振动台试验常用的模型土箱可大致分作刚性土箱、柔性土箱和层状剪切箱三种类型，模型土箱设计从结构简单的刚性土箱逐步发展至柔性土箱，再发展至可有效模拟试验土体水平剪切变形的叠层状剪切土箱，这为研发一种大比尺矩形多向叠层状剪切模型土箱提供了很好的设计思路。
7.

技术实现要素：

8.本发明针对目前室内地震模拟振动台模型试验中，地震波在土箱边界处产生较大反射和散射作用这一棘手问题，提供一种方便实用的大比尺矩形多向叠层状剪切模型土箱，可较好地模拟实际场地条件的半无限性，有效减小土箱边界效应导致动力试验结果产生的较大误差。
9.本发明是通过以下技术方案实现的：一种大比尺矩形多向叠层状剪切模型土箱，包括振动台1，设置于振动台上的底座
组件2，设置于底座组件2上的矩形钢管叠层架组件3，所述矩形钢管叠层架组件3通过立柱4和立柱底座组件5固定设置于底座组件2，所述矩形钢管叠层架组件3最上端顶部设置多个顶部反压板组件8，所述立柱4上部设置连接多个横杆组件9固定所述矩形钢管叠层架组件3；其中，所述矩形钢管叠层架组件3，由多个框架叠层3-1和竖向固定所述框架叠层3-1的竖向限位板6组成，每一所述框架叠层3-1都由两两相同长度的四根矩形截面钢管首尾相连焊接而成，在每一所述框架叠层3-1的上表面，以特定间距布有特定大小的螺栓孔洞3-2，所述螺栓孔洞3-2设置叠层间滚珠轴承组件10。
10.优选的，所述叠层间滚珠轴承组件10由下部底座嵌放于螺栓孔洞3-2内的滚珠轴承10-1和设置于所述框架叠层3-1下表面的界限圆环10-2组成，每一所述框架叠层3-1上表面布置的滚珠轴承10-1与相邻下层的所述框架叠层3-1下表面焊接的界限圆环10-2尺寸和数量对应。
11.优选的，还包括起重吊环组件7，其由吊环底座7-2、吊环底座螺栓7-3与吊环7-1三部分组成，吊环7-1与吊环底座7-2焊接，吊环底座7-2通过螺栓与所述底座2的四个角落连接固定。
12.优选的，所述振动台1的台面1-1均匀布有特定深度的预留螺栓孔洞1-2，可通过螺栓对不同尺寸土箱底座的连接固定。
13.优选的，所述底座组件2，其由下层钢板2-1、中间矩形钢管加强肋2-2及上层钢板2-3三部分组成；上下两层钢板和中间的钢管加强肋都预留有螺栓孔洞2-4，所述底座组件2通过螺栓穿过螺栓孔洞2-4与下部振动台1连接固定。
14.优选的，所述矩形钢管叠层架组件3的四个角落沿竖向共布有八块竖向限位板6，每块竖向限位板6被分成五段小竖向限位板6-1，每段小竖向限位板6-1上布有等距的双排螺栓孔洞6-2，在逐层堆放框架叠层3-1过程中，从下往上分段布置小竖向限位板6-1，并通过螺栓与所述矩形钢管叠层架组件3四角侧壁连接固定。
15.优选的，所述立柱4与所述立柱底座组件5焊接，所述立柱底座组件5由立柱底座5-1和立柱底座螺栓5-2组成，所述立柱4顶端设有螺栓孔洞，所述横杆组件9由横杆9-1、横杆螺栓9-2、螺栓孔洞9-3组成，横杆9-1两端头穿过其中并通过螺栓9-2拧紧固定，其中两根横杆9-1的两端设有螺栓孔洞9-3，用于通过螺栓与顶部反压板组件8连接固定。
16.本发明设有双重保护措施，即焊接固定在矩形钢管框架叠层下表面的界限圆环，对布置在下一叠层上表面螺孔内的滚珠轴承移动范围的限制作用，以及外围防护支架的防护作用，确保振动台试验过程中叠层间不会发生过大的相对位移导致滑落。
17.本发明相比现有技术具有以下优点：本发明提供的一种大比尺矩形多向叠层状剪切模型土箱，克服了传统刚性土箱侧壁刚度过大导致地震波传至边界处产生的反射与散射作用，同时还克服了传统柔性土箱侧壁柔度过大导致试验土体产生较大的水平变形；在传统模型土箱的基础上不断做出改进创新后，本发明提供的土箱因其叠层间可沿水平面自由移动，在室内大型地震模拟振动台试验中，可较好地模拟水平向无限地基土的水平向剪切变形及其边界条件，为确保试验结果的有效性和可靠性提供了有力保障。
18.附图说明
19.图1为一种大比尺矩形多向叠层状剪切模型土箱示意图；图2为一种大比尺矩形多向叠层状剪切模型土箱的振动台台面螺孔布置图；图3为一种大比尺矩形多向叠层状剪切模型土箱的底座示意图；图4为一种大比尺矩形多向叠层状剪切模型土箱的矩形钢管框架叠层示意图；图5为一种大比尺矩形多向叠层状剪切模型土箱的框架叠层及反压板示意图；图6为一种大比尺矩形多向叠层状剪切模型土箱的外围防护支架横杆组件示意图；图7为一种大比尺矩形多向叠层状剪切模型土箱的起重吊环组件示意图；图8为一种大比尺矩形多向叠层状剪切模型土箱的底部局部东南角放大示意图；图9为一种大比尺矩形多向叠层状剪切模型土箱的顶部局部东南角放大示意图。
20.具体实施方式
21.下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
22.参照图1-9所示，本发明公开了一种大比尺矩形多向叠层状剪切模型土箱，包括振动台1，设置于振动台上的底座组件2，设置于底座组件2上的矩形钢管叠层架组件3，所述矩形钢管叠层架组件3通过立柱4和立柱底座组件5固定设置于底座组件2，所述矩形钢管叠层架组件3最上端顶部设置顶部反压板组件8，所述立柱4上部设置连接多个横杆组件9固定所述矩形钢管叠层架组件3；其中，所述矩形钢管叠层架组件3，由多个框架叠层3-1和竖向固定所述框架叠层3-1的竖向限位板6组成，每一所述框架叠层3-1都由两两相同长度的四根矩形截面钢管首尾相连焊接而成，在每一所述框架叠层3-1的上表面，以特定间距布有特定大小的螺栓孔洞3-2，所述螺栓孔洞3-2设置叠层间滚珠轴承组件10。
23.参照图2所示，所述振动台1的台面1-1均匀布有特定深度的预留螺栓孔洞1-2，可通过螺栓对不同尺寸土箱底座的连接固定。
24.参照图3所示，所述底座组件2，其由下层钢板2-1、中间矩形钢管加强肋2-2及上层钢板2-3三部分组成；上下两层钢板和中间的钢管加强肋都预留有螺栓孔洞2-4，所述底座组件2通过螺栓穿过螺栓孔洞2-4与下部振动台1连接固定。
25.参照图4所示矩形钢管框架叠层示意图，所述矩形钢管叠层架组件3，由多个框架叠层3-1和竖向固定所述框架叠层3-1的竖向限位板6组成，一共有25个叠层，每一所述框架叠层3-1都由两两相同长度的四根矩形截面钢管首尾相连焊接而成，在每一所述框架叠层3-1的上表面，以特定间距布有特定大小的螺栓孔洞3-2，所述螺栓孔洞3-2设置叠层间滚珠轴承组件10，所述叠层间滚珠轴承组件10由下部底座嵌放于螺栓孔洞3-2内的滚珠轴承10-1和设置于所述框架叠层3-1的下表面的界限圆环10-2组成，每一所述框架叠层3-1的上表
面布置的滚珠轴承10-1与相邻下层的所述框架叠层3-1下表面焊接的界限圆环10-2尺寸和数量对应。
26.在振动台试验过程中，当模型土箱受地震荷载作用时，框架叠层3-1间界限圆环10-2的作用是限制其下部滚珠轴承10-1在一定范围内自由移动，以确保两叠层间不至于产生过大的相对位移导致滑落；此外，由于土箱底部框架叠层3-1受到的竖向荷载较大，且每个滚珠轴承10-1的承载能力有限，因此土箱下部几个叠层间布置的滚珠轴承和对应的界限圆环10-2数量较多，往上其数量逐渐减少；为确保各个框架叠层3-1在堆叠拼装时保持足够的垂直度，所述矩形钢管叠层架组件3的四个角落沿竖向共布有8块竖向限位板6，每块竖向限位板6被分成五段小竖向限位板6-1，每段小竖向限位板6-1上布有等距的双排螺栓孔洞6-2，在逐层堆放框架叠层3-1过程中，从下往上分段布置小竖向限位板6-1，并通过螺栓与所述矩形钢管叠层架组件3四角侧壁连接固定。
27.参照图5所示的模型土箱顶部的框架叠层3-1及顶部反压板组件8，这里具体阐述的是顶部反压板组件8，由顶部反压板8-1和设置于顶部反压板8-1的安装槽孔8-2组成是为了方便与图对应区分说明，后续在叠层的四个角落均布有特定数量的滚珠轴承10-1，反压板置于滚珠轴承之上；在振动台试验过程中，顶部反压板8-1与下部滚珠轴承10-1间可在水平面内自由移动，竖向位移则受到约束；顶部反压板8-1上表面布的安装槽孔8-2，可通过螺栓与横杆组件9连接固定，且横杆组件对顶部反压板提供反力作用使框架叠层3-1在竖向限位。
28.参考图6所示，所述立柱4与所述立柱底座组件5焊接，所述立柱底座组件5由立柱底座5-1和立柱底座螺栓5-2组成，所述立柱4顶端设有螺栓孔洞，所述横杆组件9由横杆9-1、横杆螺栓9-2、螺栓孔洞9-3组成，横杆9-1两端头穿过其中并通过螺栓9-2拧紧固定，其中两根横杆9-1的两端设有螺栓孔洞9-3，用于通过螺栓与顶部反压板8连接固定。
29.参照图7所示，起重吊环组件7，其由吊环底座7-2、吊环底座螺栓7-3与吊环7-1三部分组成，吊环7-1与吊环底座7-2焊接，吊环底座7-2通过螺栓与所述底座2的四个角落连接固定；吊环7-1的内孔经过抛光处理后，与起吊钢丝绳光滑接触，以便顺利开展模型土箱的吊装工作。
30.此外，如图8和图9所示，还分别绘制出了模型土箱底部局部、顶部局部东南放大示意图，参照两图可详细说明大比尺矩形多向叠层状剪切模型土箱各部件之间的连接关系。
31.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。