一种土‑地下结构大型拟静力试验装置及方法与流程

本发明涉及一种地下结构试验技术领域，尤其涉及一种土-地下结构大型拟静力试验装置及方法，属于地下结构抗震试验技术领域。

背景技术：

近年来，随着世界各国城市化进程的不断推进，城市人口急剧膨胀，为缓解交通拥堵、环境污染等问题，国内外学者逐渐意识到开发利用地下空间将成为重要的发展方向。地下结构在城市建设、交通运输、国防工程、水利工程等各个领域得到了越来越广泛的应用，如铁路隧道，地铁工程，地下商场，防空工程等。实践表明，21世纪是地下空间开发利用的世纪，而且目前地下空间的开发和地下结构的建设已经在世界范围内进入了快速发展的高峰期。

对于城市交通领域，以地铁工程为骨干的大运量快速公共交通系统在解决城市交通运输问题上发挥着不可或缺的作用。虽然地下工程的发展日益蓬勃，但是地下工程也面临着挑战——地震的作用。特别是1995年7.2级日本阪神地震中，神户市内地下结构发生了有史以来最严重的破坏，地铁、地下停车场、地下隧道和地下商业街等大量地下工程均发生严重破坏。最引人注意的是地铁车站的破坏，地震中共有5个地铁车站和约3km的地铁区间隧道发生破坏，其中大开地铁车站的破坏最为严重，一半以上的中柱完全坍塌，导致顶板坍塌破坏和上覆土层的沉降，最大沉降量达2.5m之多。相关研究表明竖向地震动有可能是引起地下结构破坏的关键因素，特别是，对于浅埋地下结构情况，上覆土体可能在地震作用初始阶段发生剪切破坏，此时，它与地下结构周围的其它土体已不是一个连续的整体，在后续的地震反应中，它的作用仅是堆积到地下结构顶板上与周围土体发生弱连接的堆积土(类似于回填土体情况)效应，对地下结构的约束作用和地震反应影响也完全不同于连续土体对应的情况。上覆土体竖向惯性力作用对地下结构的关键支撑构件的竖向受力评价会产生极大影响，实际上是改变了支撑柱的轴压比，从而改变了支撑柱的抗剪切强度和变形性能。对地下结构地震反应受力而言，支撑柱的抗剪切强度提高而极限变形能力降低是不利的，这意味着支撑柱将分担更多的由于土层变形而作用在地下结构上的水平向剪力，同时，其极限变形能力的降低使得它可能先于侧墙遭到破坏，进而导致顶板以及地下结构体系的整体毁坏。

由于地震记录的数量有限且具有随机性，通过地震记录来进行研究就受到很大的限制，因此模拟地震激励的振动台模型试验就成为研究地下结构地震反应与抗震性能的重要途径。振动台模型试验根据相似关系将结构缩小数倍后进行试验，有较好的经济性，可根据研究的需要进行试验设计，能够得到完整丰富的试验数据，为研究地下结构抗震机理问题提供了有效的手段。振动台模型试验包括普通振动台模型试验和离心机振动台模型试验两类。普通振动台模型试验是在1g的重力加速度环境下进行的，由于模型与原型相比几何尺寸缩小到几分之一，因此在正常重力条件下，模型的应力水平尤其是自重应力水平与原型有一定差距，这也导致普通振动台试验结果与实际情况相比可能会有一定差距。离心机振动台模型试验是在ng的重力加速度环境下进行的，目前我国离心机振动台试验设备较少，这直接制约了离心机振动台试验的开展，另外，地下结构断面尺寸普遍较大，而土工离心机振动台尺寸相对较小，在有些情况下，几何尺寸相似关系并不能满足原型与模型应力水平相同的要求。

总体来说，目前国内外既有的地下结构抗震模型试验装置不能准确地反映地下结构真实的地震反应情况，另外受试验尺寸的限制，试验前的模型制作加工和试验后的数据处理工作均有较大难度。为克服上述地下结构抗震模型试验中存在的问题，研制一种大型的能真实反映地下结构真实地震反应情况，并揭示水平、竖向双向地震荷载作用下地下结构破坏机理的试验装置已为急需。

技术实现要素：

针对现有地下结构抗震模型试验技术的不足，本发明公开了一种土-地下结构大型拟静力试验装置及方法，该试验装置能满足地下结构大缩尺比试验要求，同时易于观察试验现象，并且该试验方法能准确揭示地下结构在水平、竖向双向地震荷载作用下的破坏机理。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：

一种土-地下结构大型拟静力试验装置，包括底板、矩形层状剪切箱体、侧向限位框架、水平加载系统及竖向加载系统；所述矩形层状剪切箱体由矩形钢框架和层间滚轴组成，各个矩形钢框架沿竖直方向平行放置，相邻的矩形钢框架之间设置有层间滚轴，使得相邻矩形钢框架之间能够产生相对的水平滑动。

侧向限位框架由钢立柱、侧边万向滚轴和系杆组成，钢立柱沿矩形钢框架长边方向固定于底板上，各个侧边万向滚轴沿钢立柱高度方向等间距分布，该间距与相邻矩形钢框架中心线间距一致，同一高度的侧边万向滚轴与对应高度的矩形钢框架接触并产生相对水平滑动，系杆安装于相邻钢立柱以增强侧向限位立柱整体稳定性。

水平加载系统由水平作动器组成，所述水平作动器沿所述矩形层状剪切箱体高度方向等间距分布，并与所述矩形钢框架短边相连，运动方向与所述矩形钢框架长边方向一致。

竖向加载系统由竖向作动器、加载板、顶部万向滚轴和顶部承压钢板组成，加载板的顶部与竖向作动器相连，加载板的底部设置有顶部万向滚轴，顶部万向滚轴与所述顶部承压钢板接触并产生相对水平滑动，顶部承压钢板覆盖于所述矩形层状剪切箱体内土体上表面。

进一步地，所述矩形钢框架由宽翼缘h型钢制成，所述层间滚轴安装于下层矩形钢框架h型钢腹板的上表面，与上层矩形钢框架h型钢腹板下表面接触并产生相对水平滑动。

进一步地，所述钢立柱由宽翼缘h型钢制成，沿所述钢立柱高度方向在一侧翼缘中部等间距设置所述侧边万向滚轴，同一钢立柱上相邻侧边滚轴间距与相邻矩形钢框架间距一致。

进一步地，所述底板固定于地面，最底层矩形钢框架和所述钢立柱固定于所述底板上部，所述钢立柱设置在所述矩形钢框架的长边外侧，同侧钢立柱之间设置所述系杆，保证所述侧向限位钢框架的整体性。

进一步地，所述侧边万向滚轴与所述矩形钢框架的两长边接触并提供法向约束，并且所述矩形钢框架通过所述侧边万向滚轴与所述钢立柱产生相对水平滑动。

进一步地，所述水平作动器沿所述矩形层状剪切箱体高度方向等间距分布，并与所述矩形钢框架短边连接，运动方向与所述矩形钢框架长边方向一致。所述水平作动器同步控制，并组合不同的侧向位移分布形式。

进一步地，所述顶部承压钢板覆盖于所述矩形层状剪切箱体内土体上表面，所述竖向作动器通过所述加载板、所述顶部万向滚轴和所述顶部承压钢板将竖向荷载均匀传至所述矩形层状剪切箱体内土体，并且所述加载板通过所述顶部万向滚轴与所述顶部承压钢板产生相对水平滑动。

利用大型拟静力试验装置进行的一种土-地下结构大型拟静力试验方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤一：安装好矩形层状剪切箱体、侧向限位框架；

步骤二：在模型箱底部铺设模型土，并进行反复压实至试验预定厚度，安装地下结构缩尺模型及传感器，并进一步填筑模型土且反复压实，最后对模型土体进行找平；

步骤三：安装水平加载系统和竖向加载系统，安装摄像装置；

步骤四：启动竖向加载装置，对土-地下结构体系上表面逐级施加竖向压力至试验设计值；

步骤五：待竖向压力恒定，启动竖向加载系统，按试验设计水平位移分布形式同步协调各水平作动器，逐级施加水平位移直至结构破坏。

本发明具有以下有益效果：

1.与其他地下结构抗震模型试验相比，本发明可开展大缩尺比例的地下结构模型试验，易于观察宏观试验现象，试验结果更加可靠。

2.在拟静力试验中，通过竖向作动器施加荷载，并最后通过顶部承压钢板将压力均匀传递至土体。通过控制竖向荷载值模拟不同埋深、不同竖向地震动强度的试验工况。

3.水平加载系统由多套水平作动器组成，拟静力试验中通过协调控制各水平作动器可组合不同的水平位移分布形式，更为真实地地震作用下土体的变形特征。

4.在拟静力试验过程中，可在各层矩形钢框架上安装激光位移传感器，可全程监测土体的剪切变形。

5.本装置安装、拆卸方便，且试验过程安全，具有较强的实用性。

附图说明

图1为土-地下结构大型拟静力试验装置示意图。

图2为矩形钢框架俯视图。

图3为两层矩形钢框架与层间滚轴剖面图。

图4为钢立柱与侧边万向滚轴剖面图。

图5为加载板与顶部万向滚轴正视图。

图6为加载板与顶部万向滚轴俯视图。

图中：1、底板，2、矩形钢框架，3、层间滚轴，4、钢立柱，5、侧边万向滚轴，6、系杆，7、水平作动器，8、竖向作动器，9、加载板，10、顶部万向滚轴，11、顶部承压钢板。

具体实施方式

一种土-地下结构大型拟静力试验装置，其包括底板、矩形层状剪切箱体，侧向限位框架，水平加载系统及竖向加载系统。

本实例中，所述矩形层状剪切箱体由多层矩形钢框架和层间滚轴组成，矩形钢框架的层数依据试验规模大小确定；所述矩形钢框架由宽翼缘h型钢制成，所述矩形钢框架沿竖直方向平行放置，所述层间滚轴安装于下层矩形钢框架h型钢腹板的上表面，与上层矩形钢框架h型钢腹板下表面接触并产生相对水平滑动；其中最底层矩形钢框架固定于所述底板上部。

本实例中，所述侧向限位框架由钢立柱、侧边万向滚轴和系杆组成，所述钢立柱由宽翼缘h型钢制成，沿所述钢立柱高度方向在一侧翼缘中部等间距设置所述侧边万向滚轴，同一钢立柱上相邻侧边滚轴间距与相邻矩形钢框架间距一致；所述钢立柱沿所述矩形钢框架长边方向固定于所述底板上部，所述侧边万向滚轴与所述矩形钢框架的两长边接触并提供法向约束，并且所述矩形钢框架通过所述侧边万向滚轴与所述钢立柱产生相对水平滑动；同侧钢立柱之间设置所述系杆，保证所述侧向限位钢框架的整体性。

本实例中，所述水平加载系统由水平作动器组成，所述水平作动器沿所述矩形层状剪切箱体高度方向等间距分布，并与所述矩形钢框架短边相连，运动方向与所述矩形钢框架长边方向一致；所述水平作动器同步控制，并组合不同的侧向位移分布形式，如倒三角分布、余弦函数分布等。

本实例中，所述竖向加载系统由竖向作动器、加载板、顶部万向滚轴和顶部承压钢板组成，所述加载板顶部与所述竖向作动器相连，所述加载板底部设置所述顶部万向滚轴；所述顶部承压钢板覆盖于所述矩形层状剪切箱体内土体上表面，所述竖向作动器通过所述加载板、所述顶部万向滚轴和所述顶部承压钢板将竖向荷载均匀传至所述矩形层状剪切箱体内土体，并且所述加载板通过所述顶部万向滚轴与所述顶部承压钢板产生相对水平滑动。

针对土-地下结构大型拟静力试验操作步骤为：安装好矩形层状剪切箱体、侧向限位框架；在模型箱底部铺设模型土，并进行反复压实至试验预定厚度，安装地下结构缩尺模型及传感器，并进一步填筑模型土且反复压实，最后对模型土体进行找平；安装水平加载系统和竖向加载系统，安装摄像装置；启动竖向加载装置，对土-地下结构体系上表面逐级施加竖向压力至试验设计值；待竖向压力恒定，启动竖向加载系统，按试验设计水平位移分布形式同步协调各水平作动器，逐级施加水平位移直至结构破坏。