一种用于研究剪切应变历史对砂土液化特性影响的模型箱

技术领域

本发明涉及地质工程研究领域，尤其是涉及一种用于研究剪切应变历史对砂 土液化特性影响的模型箱。

背景技术

砂土液化是建筑震害中的一种常见现象，可导致地基丧失承载能力，从而对 建筑物造成严重的危害。剪切应变历史是影响砂土液化的一个很重要因素，在材料、 围压、密度、荷载等其他条件完全相同的情况下，剪切应变历史会对砂土的液化抵 抗能力产生显著的影响，并且这种影响与剪切应变的大小紧密相关。研究表明，小 应变的剪切加载历史会使砂土的液化抵抗能力增强，而大应变的剪切加载历史则趋 向于降低砂土的液化抵抗能力。另外，剪切应变历史对砂土液化时超孔隙水压的影 响具有方向性，即具有剪切历史的砂土试样在三轴循环剪切试验中在拉伸和压缩两 个方向上的超孔隙水压的发展速度不同。在与先期剪切应变相反的剪切方向上超孔 隙水压的发展速度将加快，而相同方向上超孔隙水压的发展则减缓。

目前，少量学者通过振动台模型试验研究了剪切历史对砂土液化特性的影响。 试验结果表明，模型地基在承受振动荷载作用下产生了剪切变形以后，当再次振动 时，模型地基将承受更多的振动次数才发生液化，说明振动加载产生的剪切历史可 以增大砂土的液化抵抗能力。然而，通过加振的方式无法定量地设定预剪切应变的 数值，并不能定量地分析剪切历史对砂土液化特性的影响。这是因为由振动台施加 的振动荷载与模型地基产生的剪切应变之间并没有直接的对应关系。对于同一种输 入波，不同的模型试样可能产生不同剪切应变，而且同一个模型试样内部的不同位 置，产生的剪切应变也不相同。

中国专利CN202351181U公开了一种小型振动台可视化细观结构动态测量系 统，包括电机、偏心轮、振动台底座、模型箱、高清数码相机、高速细观摄像机和 辅助光源，电机设有主动皮带轮，偏心轮设有被动皮带轮，主动皮带轮和被动皮带 轮之间由皮带连接；偏心轮通过连杆与振动台底座相连，振动台底座下方设有个带 凹槽的轮子，轮子与底部的凸形导轨点接触；模型箱置于振动台底座之上，模型箱 的前后两面采用透明有机玻璃，一面设有透过该面透明有机玻璃对砂土进行观测的 高速细观摄像机和辅助光源，另一面设有透过该另一面透明有机玻璃对砂土进行观 测的高清数码相机。该专利中模型箱采用前后两面固定的透明有机玻璃，因此仅通 过加振的方式无法定量地设定预剪切应变的数值，并不能定量地分析剪切历史对砂 土液化特性的影响。

中国专利CN102024370A公开了一种砂土液化流动的模型试验系统，该系统 包括电动机、减速器、曲柄滑块机构、底座、螺杆支架、内接箱、模型箱、孔压传 感器、内接箱挡板、测力挡板、数码相机、动态应变采集仪及计算机，电动机与减 速器连接，曲柄滑块机构与减速器及底座连接，螺杆支架设在底座上，内接箱架设 在螺杆支架上，模型箱与内接箱连接，孔压传感器设在内接箱内，内接箱挡板设在 内接箱与模型箱之间，测力挡板设在模型箱后部，数码相机设在底座的一侧，动态 应变采集仪的连接数码相机及计算机。该专利在内接箱中设置内接箱挡板，从而实 现砂土液化流动的模型试验，并不能用于研究剪切应变历史对砂土液化特性影响。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于研究剪 切应变历史对砂土液化特性影响的模型箱，能够精确控制剪切应变值大小，实现定 量地研究饱和砂土在剪切应变历史影响下的液化特性，具有结构简单、操作方便、 提高试验结果可靠性等优点。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于研究剪切应变历史对砂土液化特性影响的模型箱包括箱体和设于箱 体内的两块活动挡板，所述活动挡板设有与箱体底板铰接的固定端和与箱体侧壁转 动连接转动端，活动挡板与箱体之间的空间由软质海绵填充，所述箱体设于连接加 振装置的振动台底座上，所述振动台底座设于加载基座上，所述加载基座的一端底 部设有螺杆伸缩机构；

模型箱内注入水，两块活动挡板之间填充砂土，螺杆伸缩机构支起加载基座的 一端，进而使振动台底座上的箱体倾斜，利用重力在倾斜方向上的分力对砂土施加 预剪荷载，模拟砂土的剪切应变历史。

所述螺杆伸缩机构包括千斤顶和螺杆支架，所述千斤顶连接螺杆支架的一端， 所述螺杆支架的另一端支撑加载基座的一端底部。

所述活动挡板与箱体之间的接缝由软质橡胶材料密封。

所述箱体内侧粘贴有硬质海绵。

模型箱水平状态下，活动挡板两侧的水面高度相同。

所述转动端两侧对称设置有用于固定转动端位置的可拆卸杆件，所述可拆卸杆 件两端连接箱体的侧壁。

所述箱体为由有机玻璃构成的箱体。

所述加振装置包括相连接的动力电机和曲柄滑块机构，所述曲柄滑块机构连接 振动台底座。

所述振动台底座下方设有带凹槽的轮子，所述振动台底座设有与轮子配合连接 的凸形导轨。

所述箱体通过螺丝固定于振动台底座上。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)克服以往振动台模型试验的种种局限性，本发明提供一种能够精确控制剪 切应变值大小的模型箱，首次采用了一个可调节倾角并在其两侧设置活动挡板，利 用重力在倾斜方向上的分力对砂土施加预剪荷载并控制剪切应变的数值，然后通过 振动台加振进行砂土的液化试验，可以用于定量地研究饱和砂土在剪切应变历史影 响下的液化特性。

2)本发明通过千斤顶顶升螺杆支架可将振动台的加载基座一端支起，实现倾 斜剪切模型箱的目的，通过控制顶升高度控制倾斜角度进而控制水平方向的剪切应 变，可方便进行多组对比试验。

3)本发明中活动挡板与箱体间的接缝由软质橡胶材料密封，以防止内部砂土 流出，且挡板外部与模型箱之间的空间由充满水的软质海绵填充，保证模型箱中的 土样始终处于饱和状态，从而实现饱和砂土在剪切应变历史影响下的试验，结构简 单，操作方便。

4)由于模型箱容积有限，可能导致模型地基无法具备自由地基的边界条件， 给试验带来困难并影响试验结果可靠性。为此，在箱壁内侧粘贴硬质海绵以减少侧 壁对振动波的反射，从而提高试验结构的可靠性。

附图说明

图1为本发明模型箱整体结构示意图；

图2为在研究剪切应变历史对砂土液化特性影响试验中模型箱安装示意图；

图3为在研究剪切应变历史对砂土液化特性影响试验中模型箱内部示意图。

图中：1、箱体，2、活动挡板，3、软质海绵，4、振动台底座，5、加载基座， 6、动力电机，7、曲柄滑块机构，8、千斤顶，9、螺杆支架，10、加速度传感器， 11、水压力传感器，12、转动限孔，13、台面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方 案为前提进行实施，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。

如图1所示，一种用于研究剪切应变历史对砂土液化特性影响的模型箱可与振 动台配合试验，本发明的关键是要定量控制水平预剪切值，为此模型箱采用了特殊 的边界设计，即水平振动方向的边界挡板设计为活动挡板2。因此，该模型箱包括 箱体1和设于箱体1内的两块活动挡板2，箱体1为由透明有机玻璃构成的箱体1， 活动挡板2设有与箱体1底板铰接的固定端和与箱体1侧壁转动连接转动端，活动 挡板2可以旋转但不发生水平位移，活动挡板2与箱体1之间的空间由充满水的软 质海绵3填充，保证模型箱中的土样始终处于饱和状态，活动挡板2与箱体1之间 的接缝由软质橡胶材料密封，以防止内部砂土流出，由于模型箱容积有限，可能导 致模型地基无法具备自由地基的边界条件，给试验带来困难并影响试验结果可靠 性，为此，箱体1内侧粘贴有硬质海绵，以减少侧壁对振动波的反射，从而提高试 验结果可靠性。

如图2所示，振动台包括台面13以及放置于台面13上方的加振装置6、振动 台底座4、加载基座5和螺杆伸缩机构，其中，加振装置6包括相连接的动力电机 和曲柄滑块机构7，螺杆伸缩机构包括相连接的千斤顶8和螺杆支架9。试验时， 箱体1通过螺丝固定于振动台底座4上，振动台底座4设于加载基座5上，台面 13上设有螺杆孔洞，螺杆支架9穿过螺杆孔洞后支撑加载基座5的一端底部。曲 柄滑块机构7连接振动台底座4。

其中，振动台底座4下方设有带凹槽的轮子，振动台底座4设有与轮子配合连 接的凸形导轨。

本实施例中，箱体1的尺寸为980mm×245mm×380mm(长×宽×高)，活动 挡板2距离箱体1左右侧板均为101mm，箱体1的前后侧板上对称设有四个转动 限孔12，活动挡板2的转动端设有卡入转动限孔12的凸起，且转动端两侧对称设 置有用于固定转动端位置的可拆卸杆件，可拆卸杆件两端固定于转动限孔12内， 转动限孔12的尺寸为70mm×5mm(长×宽)，且位于距离箱体1顶面20mm的区 域内，活动挡板2的转动端伸出箱体1顶面50mm，活动挡板2随模型箱抬升过程 旋转的最大角度约为5.55°，则活动挡板2左右转动角度范围约为0～5.55°。其中 5.55°对应的剪切应变值约为10％，也就是说此模型箱能够实现的预剪切应变值范 围为0％～10％。这个应变值范围能够满足各种情况下的剪切应变历史对砂土液化特 性影响的研究。

试验原理：

1)首先，将模型箱水平放置于加载基座5上，旋紧振动台底座4两端用于固 定模型箱的螺丝。将模型箱的活动挡板2移动到竖直位置，用与模型箱配套的螺栓 组件在活动挡板2的两端固定，保证活动挡板2位置不变。

2)向模型箱内加入高度约为350mm的水，并在活动挡板2外侧空间加入相 同高度的水，确保活动挡板2两侧水面高度相同，装样至300mm高度时结束，两 块活动挡板2之间填充砂土，砂土中均匀放置加速度传感器10和水压力传感器11。 结束装样后模型箱示意图如图3所示，本实施例的活动挡板2中间处设置上下对称、 间距100mm的两个加速度传感器10，以及对称设置在两个加速度传感器10两侧 的四个水压力传感器11，加速度传感器10和水压力传感器11之间间距100mm。

3)然后，去除于活动挡板2两侧用于固定活动挡板2位置的可拆卸杆件及螺 栓组件，保持挡板位置竖直不变。用千斤顶8缓慢的将模型箱近加载端抬升至控制 高度，抬升模型箱的过程中缓慢转动活动挡板2，使活动挡板2以相同的速度转动 至对应位置。图2中，抬升模型箱左端，活动挡板2向右转动，其对应的具体位置 根据试验需要设计。例如：设计四组试验，分别为实现预剪切应变值0、1％、2％ 和3％，其对应的模型箱顶升高度和活动挡板2旋转角度分别为：0mm/0°、17mm /0.6°、34mm/1.1°和51mm/1.7°。

4)待预剪切位置稳定后缓缓降低千斤顶8，使模型箱缓慢恢复至初始水平状 态，同时对活动挡板2施加一个恒定较小的作用力，使活动挡板2向初始位置回转， 待模型箱回到初始水平状态时停止，用可拆卸杆件及螺栓组件固定活动挡板2的位 置。

5)最后，进行砂土液化试验，分析剪切应变历史对砂土液化特性影响的规律， 即动力电机通过曲柄滑块机构7对模型箱进行加振，同时计算机接收加速度传感器 10和水压力传感器11采集的数据进行分析，并可设置相应的摄像头透过有机玻璃 进行观察。