一种断裂带错动桩基承载力的模型试验装置的制作方法

1.本实用新型涉及土木工程技术领域，具体为一种断裂带错动桩基承载力的模型试验装置。


背景技术：

2.我国是全球大陆地震最频繁、地震灾害最严重的国家，桥梁作为交通要塞往往在地震中受灾严重，而桥梁的破坏绝大多数是由于桩基受损导致的。某些桥梁桩基综合考虑各种因素后需建立在断裂带地层处，但是由于断裂带强度低、地震中易发生错动，危机桥梁安全，故在断裂带建设桥梁桩基时需要准确的分析计算才能确保桩基的施工安全。因此，为保证桩基的性能，通常通过桥梁桩基的模型试验反应原型受力变形状况，采用模型试验可准确模拟断层处桥梁桩基在地震作用下的响应。
3.但是，地震波既有横波又有纵波，而现有的技术仅对于地震波中横波振动响应的模拟，忽略了地震坡中纵波效应，桩基及断裂带仅发生竖向震动，水平向并未发生错动，使得模型试验结果在一定程度上并不能精确反应地震下断裂带错动时桥梁桩基响应。实际地震过程中，断裂带两侧岩土体及桩基既发生水平错动又发生竖直错动，准确模拟地震中断裂带两侧的相对错动才能正确反映不同相对位移下桩基础承载特性，现急需一种既能模拟地震过程中断裂带桩基水平错动，又能对竖向错动进行模拟的试验装置。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种断裂带错动桩基承载力的模型试验装置。能够准确反应地震过程中断裂带两侧岩土层竖向及水平错动，模拟震后断裂带两侧岩土体相对位移，正确反应地震过程中断裂带处桩基受力特性，提高桩基承载特性计算的准确性。
5.本实用新型是通过以下技术方案来实现：
6.一种断裂带错动桩基承载力的模型试验装置，包括模型箱、岩土层、断裂结构、桩基、承台、承载体，所述岩土层内设置断裂结构，所述岩土层的顶部端面埋设多个桩基，多个桩基上端面连接承台，所述岩土层的底部设置承载体，所述承载体、岩土层和断裂结构均设置在模型箱内；其中，所述断裂结构包括弹性连接件、升降台和对接台，所述升降台和对接台之间设置弹性连接件，所述升降台和对接台相互平行。
7.进一步的，所述断裂结构包括第一断裂带和水平断裂结构，所述第一断裂带和水平断裂结构之间采用铰接连接，所述第一断裂带和水平断裂结构水平断裂结构之间存在角度，所述水平断裂结构设置在的底部，所述第一断裂带水平断裂结构将岩土层分为第一岩土层和第二岩土层。
8.进一步的，所述第一断裂带内包括第一升降台、第一对接台，所述第一升降台和第一对接台之间设置弹性连接件，第二升降台内设置升降结构；所述水平断裂结构水平断裂结构包括第二升降台、第二对接台，所述第二升降台和第二对接台之间设置弹性连接件，所
述第二升降台内设置升降结构。
9.进一步的，所述升降结构设置有动力结构以及升降架，所述动力结构连接控制端，所述升降架个弹性连接件连接。
10.进一步的，所述弹性连接件设置有多个，所述弹性连接件采用弹簧。
11.进一步的，所述承载体采用混凝土块。
12.进一步的，所述第一断裂带和水平断裂结构之间采用合页铰接。
13.进一步的，所述桩基上设置应变片，所述应变片和接收模块连接。
14.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：
15.本实用新型提供了一种断裂带错动桩基承载力的模型试验装置，通过在模型箱内设置岩土层、断裂带以及顶部的桩基和承台，有效实现了对地震过程中断裂带相对错动时桩基承载力变化及地震后指定相对位移量的桩基承载力变化的模拟。同时，通过在断裂带上加装弹性连接件、升降台和对接台有效的实现对地震带运动的模拟，通过多个弹性件的设置保证了模拟的可靠性，通过桩基上端均与承台连接，承台将所有的桩基联结成一个整体，能够更好的模拟实际工程情况，结构简单、容易操作、造价较低、维修简单、同一模型可进行多次振动试验。
16.进一步的，本装置通过将断裂带分为第一断裂带和水平断裂结构实现多个角度的模拟，铰接的连接方式，一方面保证两者相对位置不会错动，另一方面可以根据断裂带产状调节角度，以准确模拟实际情况。具有一定的普适性。
17.进一步的，在断裂结构内设置升降将结构，通过升降结构的设置可根据实勘地震后断裂带间距调整模型断裂带间距，有效的还原了错动的真实性，保证了模拟实验结果的准确性；同时，装置的断裂带连接通过合页设置有效的保证了调节范围。
18.进一步的，应变片、动力结构的设置以及控制端和接收模块的连接设置，保证了装置的灵活性，从可调节的控制方向保证了装置的适用范围。
19.在本装置，可根据实际现场情况，调整断裂带角度，并通过弹性连接件准确模拟地震过程中两侧岩土体相对错动，地震后通过竖向及倾斜升降台控制断裂带两侧岩土竖向及水平相对位移，更真实的模拟断裂带桩基地震位移，准确计算桥梁桩基的承载特性，对桥梁桩基的可靠性进行分析。
附图说明
20.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，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的附图。
21.图1为本实用新型提供的一种断裂带错动桩基承载力的模型试验装置的外部结构示意图；
22.图2为本实用新型提供的一种断裂带错动桩基承载力的模型试验装置的内部结构示意图；
23.图3为本实用新型提供的一种断裂带错动桩基承载力的模型试验装置的断裂结构示意图；
24.图4为本实用新型提供的一种断裂带错动桩基承载力的模型试验装置的断裂带的振动产生结构示意图；
25.图5为本实用新型提供的一种断裂带错动桩基承载力的模型试验装置的断裂结构整体示意图；
26.图6为本实用新型提供的一种断裂带错动桩基承载力的模型试验装置的断裂带内升降结构的结构示意图；
27.图中：模型箱1，第一岩土层21，第二岩土层22，混凝土块3，第一对接台4-1，第二对接台4-2，第一升降台5-1，第二升降台5-2，弹簧6，第一升降台面7-1，第二升降台面7-2，桩基8，承台9，断裂结构10，合页11，升降架12。
具体实施方式
28.在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
29.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
30.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
31.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
32.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
33.下面结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。
34.实施例1：
35.本实施例提供一种断裂带错动时桩基承载力的模型试验装置，包括模型箱 1，第一岩土层21，第二岩土层22，混凝土块3，第一对接台4-1，第二对接台4-2，第一升降台5-1，
第二升降台5-2，弹簧6，第一升降台面7-1，第二升降台面7-2，桩基8，承台9，断裂结构10，合页11，升降架12。
36.包括第一岩土层21和第二岩土层22之间设置断裂结构10，所述断裂结构10根据现场勘测资料确定断裂结构10的第二升降台7-2及第二对接台4-2 的走向、倾向、倾角及断裂带间距，通过调整第一岩土层21、第二岩土层22 倾斜面的走向、倾向、倾角模拟断裂带的走向、倾向、倾角，并通过调整第二升降台面7-2、第二对接台4-2间距使其于实际断裂带间距相符合，并在第一岩土层21上依次放置，所述第二升降台面7-2、第二对接台4-2之间设置弹性连接件，利用弹性连接件收缩模拟断裂带在地震过程中的运动状态。所述第一岩土层21和第二岩土层22的顶端均埋有桩基8，桩基8埋有多个，并根据实际勘测资料选择埋设深度，所述桩基8通过现场调查，根据模型箱尺寸等比例缩放预制成型。
37.所述第一岩土层21下端设置有承载体；所述第一岩土层21上方设有第二升降台5-2，根据实际勘测资料调整第一岩土层走向、倾向、倾角，使倾斜升降台符合实际勘测资料中断裂带倾向及倾角，以准确模拟实际地震过程中断裂带产状。所述第二升降台5-2内置动力结构带动第二升降台面7-2水平运动，用于模拟地震过程中断裂带水平运动，以弥补现有技术不能模拟水平运动的短板，且升降台面可使用根据实际勘测资料选取材料特性相似的材料模拟，使得升降台面和对接台面不但可保持一个相对平直的形态，传递升降台位移，又不至于刚度过大不能传递变形效应，亦可调节第二升降台面7-2厚度等参数改变其传力特性，以准确模拟断裂带错动时桩基的响应。
38.所述第二升降台面7-2和第二对接台4-2通过多个弹性连接件等距阵列设置连接，所述弹性连接件可根据不同地勘资料选取，所述弹性连接件在本实施例中采用弹簧6，通过改变弹簧6的材料改变弹簧劲度系数，也可改变弹簧6 的直径等参数以调节断裂带在地震过程中振动情况，用于准确模拟地震过程中断裂带相对错动。
39.所述第二对接台4-2的材料亦可根据实际勘测资料选取特性相似的材料，使得升降台和对接台不但可保持一个相对平直的形态，又不至于刚度过大不能传递变形效应。亦可调节对接台厚度等参数改变其传力特性，以准确模拟断裂带错动时桩基的响应。
40.所述第二岩土层22的岩土体下部设有第一升降台5-1，第一升降台5-1内部示意如图6，通过一种自动控制系统，借助电机可以遥控控制内部升降架12 的上升和下降，竖向升降台5-1上安装第一升降台面7-1，通过遥控控制升降架12装置的升降，带动第一升降台面7-1位移，第一升降台面7-1和第一对接台4-1通过多个弹性连接件，弹性连接件的材料及参数亦可调节。
41.所述第一岩土层21上部放置第二升降台5-2，所述第二升降台5-2上安装第二升降台面7-2，通过遥控控制第二升降台5-2带动第二升降台面7-2位移。
42.所述桩基8上端均与承台9固定连接；所述弹性连接件与升降台面及其对接台面固结组成断裂结构10；所述承载体为混凝土块3；所述第一岩土层21、第二岩土层22、第二升降台5-2、第一升降台5-1以及承载体均设置在模型箱中；在使用过程中，首先将承载体放置模型箱1的底部，放置安装好桩基8的第一岩土层21于承载体上，然后放置升降台，将弹性连接件、升降台及其对接台组成的断裂结构10放置在第一岩土层21上及承载体对侧，最后放置第二岩土层22于断裂结构10上。所述弹性连接件采用弹簧；所述第一对接台4-1 及第二对接台4-2通过铰接。
43.本实用新型通过上述的试验装置的断裂带错动时桩基承载力试验方法，包括以下步骤：首先给模型桩基8上粘贴应变片，通过控制终端实时获取应变换算得桩基应力，并将各部组装好放置于模型箱1内，将试验装置置于振动台上进行振动台模型试验，利用弹性连接件的收缩带动竖直及倾斜台面相对错动，模拟地震震动过程中断裂带错动，同时通过电脑读取桩基的应力值；振动完成后，通过控制升降台面的升降，控制断裂结构10的两侧第一岩土层21和第二岩土层22的竖直及水平位移错动，在第一岩土层21和第二岩土层22错动过程中，通过读取应变片应变在控制终端换算直接读取应力；对读取的桩基8的应力值进行处理，得到试验过程中的桩基承载特性。
44.具体的，首先在第一断裂带中的弹簧错动的震动过程监测桩基的应力值，该应力值通过实时读取，第一断裂带振动完成后，通过水平断裂结构的竖直升降调整到实际勘测资料的地震后错动情况，之后对桩基再读取应力值；最终，分析比对这两个情况的应力值，得出承载特性。
45.本实用新型所述的方法，利用上述装置模拟地震过程中断裂带水平及竖向错动过程中桩基的响应，并测量振动时的桩基应力值。地震后通过遥控控制两种升降台面的位移，准确模拟两侧岩层水平及竖向错动，并测量桩基应力值，得到桥梁桩基的承载特性，能够探明指定岩土层位移量对公路桥梁桩基受力以及变形特性的影响，从而对桥梁结构整体可靠性进行分析。
46.实施例2：
47.一种断裂带错动时桩基承载力的模型试验装置，包括模型箱1、第一岩土层21、第二岩土层22、混凝土块3、第一对接台4-1、第二对接台4-2、第一升降台5-1、第二升降台5-2、弹簧6、第一升降台面7-1、第二升降台面7-2、桩基8、承台9、断裂带振动升降装置10、合页11、升降架12。
48.通过将岩土层设置包括第一岩土层21和第二岩土层22，通过在第一岩土层21和第二岩土层22之间设置断裂带振动升降装置10，将断裂带振动升降装置10按照实际的错动断裂带设置，所述断裂带振动升降装置10包括升降台和对接台，所述升降台内部设置有升降机构，所述升降台和对接台对向设置，所述升降台和对接台通过弹性连接件连接，所述升降机构内包括升降架12以及动力机构，所述动力机构选用电机，通过电机连接升降架驱动升降台面，通过升降台面带动装置进行竖直或水平方向的运动，所述断裂带振动升降装置10 包括第一断裂带和水平断裂结构，所述第一断裂带和水平断裂结构之间采用铰接连接，具体通过合页进行铰接连接。
49.利用上述装置进行断裂带错动时桩基承载力的试验方法包括以下步骤：
50.步骤1：组装断裂带振动升降装置10，断裂带振动升降装置10包括弹性连接件、升降台以及对接台。
51.步骤2：将承载体置于模型箱1内部的底部，在本实施例中的承载体选用混凝土块，所述桩基8上粘贴应变片测量桩基8的应力，桩基8根据依托实际工程进行预埋，埋置深度根据实际勘测资料选取，随后将预制好的内埋桩基8 的第一岩土层21置于混凝土块3上；将组装好的断裂结构10安置于模型箱1 内，调整断裂带振动升降装置10的合页11角度使得第二升降台5-2正好在第一岩土层21面上，随后将预制好的内埋桩基8的第二岩层22置于第一对接台 4-1上，并将承台9与各个桩基8焊接，使各桩基联结形成一个桩基，桩基上端均与承台
固定连接。
52.步骤3：将模型箱1置于振动台上进行振动台模型试验，利用弹簧6的伸缩带动对接台面4上方的第二岩土层22振动，所述弹簧连接件可根据实际勘测地层的特性选择合适的阵列。模拟地震过程中断裂带错动，在该过程中通过电脑中的接收模块读取桩基8的应力值。
53.步骤3：振动完成后，根据实勘震后的断裂带错动情况，使用控制内置的动力结构控制断裂带振动升降装置10内部的升降结构，精确控制断裂结构10 的两侧岩层错动的相对位移，使得第二岩土层22与第一岩土层21的相对位置符合实际情况，在两侧岩层错动过程中通过电脑读取桩基8的应力值，如图2 所示，为振动后模型试验装置图，第二岩土层22既发生水平错动，又发生竖向错动。
54.步骤4：读取的桩基8的应力值进行处理得到试验过程中的桩基8的承载特性。
55.在本实施例中，通过弹簧6模拟地震过程中断裂带的相对位移，同时增设水平断裂结构，通过水平断裂结构种的升降结构可以根据断裂结构10的产状调整第二升降台5-2角度更准确模拟断裂结构10产状，另一方面可以通过第一升降台与第二升降台之间的弹簧震动模拟地震过程中断裂带相对错动，更真实反应桩基受力特性。所述弹簧6的材料及参数可根据实际情况选取，通过调节弹簧材料改变其劲度系数改变其力学性能，亦可调节弹簧参数如内径、外径、弹簧直径等参数改变弹簧振动性能。
56.升降台及对接台的材料及参数亦可根据实际勘测资料选取，在实际的使用过程中，升降台的刚度可稍取大一点，保证其升降台的位移传递，对接台的刚度可稍小些，使得升降台和对接台不但可保持一个相对平直的形态，传递升降台位移，又不至于刚度过大不能传递变形效应，亦可调节对接台的厚度等参数改变其传力特性，以准确模拟断裂带错动时桩基的响应。
57.地震后断裂结构10的错动通过断裂带内的两个升降台设置，不但可以模拟地震过程中断裂带的竖向错动，且可以模拟地震过程中水平向震动，更准确模拟地震后断裂带错动情况，模拟桩基响应并进行桩基可靠性评价。
58.本实用新型在具体实施时：通过以下方法实现，该方法包括以下步骤：
59.s1：第一断裂带和水平断裂结构以及岩土层放入模型箱1内的承载体上，在岩土层上端设置桩基8，在桩基8上安装承台9；
60.s2：通过第一断裂带和水平断裂结构进行模拟试验，试验发生水平错动和竖向错动，读取实验结束后桩基8上应变片的应力值；
61.s3：通过应变片的应力值对桩基8的承载特性进行分析。
62.其中，s1中的第一断裂带和水平断裂结构之间的的角度、断裂带的厚度、断裂带的位移、弹性连接件的种类、弹性连接件的数量以及桩基的安装预埋深度均按照对应的模型进行选择。
63.以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点, 对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内
的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
64.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。