一种模拟极震区边坡遭受底入式侧向式耦合的动力响应测试装置及测试方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种模拟极震区边坡遭受底入式侧向式耦合的动力响应测试装置，包括箱体、滑轨机构，所述箱体包括反力框架、试验箱、弹簧，所述箱体包括反力框架、试验箱、弹簧、滑槽、支架；所述试验箱内设置有边坡模型，所述边坡模型包括放置于试验箱底部的路堤及置于路堤上的边坡。本发明专利技术从滑槽下落的小球将势能转化为动能，周期性的撞击试验箱，并通过小球开始下落时的高度、释放小球的不同时间间隔，来模拟地震区水平、竖直地震动耦合作用下边坡地震动力响应试验，再现地震区边坡地震波动力作用响应过程和响应方式，为工程结构设计、地质灾害预测等提供准确可靠的建议，对工程建设进行抗震设防。

【技术实现步骤摘要】
一种模拟极震区边坡遭受底入式侧向式耦合的动力响应测试装置及测试方法
本专利技术属于岩土工程
，尤其是一种模拟极震区边坡遭受底入式侧向式耦合的动力响应测试装置及测试方法。
技术介绍
地震是地壳快速释放能量过程中造成的振动，期间会产生地震波的一种自然现象。地震波按传播方式分为三种类型：纵波、横波和面波。纵波是推进波，地壳中传播速度为5.5～7千米/秒，最先到达震中，又称P波，它使地面发生上下振动，破坏性较弱。横波是剪切波，在地壳中的传播速度为3.2～4.0千米/秒，第二个到达震中，又称S波，它使地面发生前后、左右抖动，破坏性较强。面波又称L波，是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波。其波长大、振幅强，只能沿地表面传播，是造成建筑物强烈破坏的主要因素。震中附近振动最强烈，破坏比也最严重的地区称为极震区，地震发生时，最基本的现象是地面的连续振动，主要是明显的晃动，极震区的人在感到大的晃动之前，有时首先感到上下跳动，即纵波首先到达，然后是横波引起的左右晃动，然后才是面波引起的大的晃动。隧道洞口边坡是指隧道洞口两侧做成的具有一定坡度的坡面。我国西南部地区是高烈度地震的多发区，也是在建或拟建的大型水电工程和岩土工程地下隧道群较多的重点区域。地震诱发的边坡失稳会直接威胁到人民的生命财产安全，因此边坡地震稳定性研究意义重大。然而，地震诱发边坡失稳有很大的不确定性，这种不确定性主要来自边坡自身性状和潜在地震作用两个方面，边坡自身性状属于地震边坡失稳的易发条件，包括边坡岩土体结构和物理力学性质以及边坡几何形状；潜在地震作用属于边坡失稳的诱发因素。对于一个具体的边坡，可以认为边坡的自身性状相对确定，主要的不确定性来自于未来的地震作用，也就是诱发因素。传统工程地震学将地震动力作用归纳为地震动的强度、频率和持续时间，即所谓的“地震动三要素”，但是对地震动力作用方式(即，地震动力作用方向和作用性质)这一要素考虑不够。地震动力作用十分复杂，目前研究中常采用数值方法进行模拟，同时多采用振动台试验以及动力离心模型试验等大型模型试验来模拟地震作用，然而鲜有涉及简易地震动力的模拟测试装置，能再现在不同强度水平和竖直双向地震荷载耦合动力作用下边坡的响应。因此，亟需研制出一种可模拟边坡遭受地震的动力响应测试装置，实现试验设备制作便捷，测试方法简单、经济、可重复。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种试验设备制作便捷，测试方法简单、经济、可重复的模拟隧道遭受地震的动力响应测试装置及测试方法，为地质灾害预测提供依据参考、为岩土工程中的结构设计及优化提供可靠的参数建议。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种模拟极震区边坡遭受底入式侧向式耦合的动力响应测试装置，包括箱体、滑轨机构，所述箱体包括反力框架、试验箱、弹簧；所述试验箱内设置有边坡模型，所述边坡模型包括放置于试验箱底部的路堤及置于路堤上的边坡，所述边坡截面为直角梯形状，试验箱上部与边坡斜面及路堤对应部分为开口设置，所述试验箱前壁上设有观察窗口，所述边坡模型斜面一侧朝向观察窗口；所述试验箱置于反力框架内，所述反力框架的上部、底部、左侧及右侧设有钢板，所述反力框架上部与边坡斜面及路堤对应部分为开口设置，所述反力框架右侧钢板上设有碰撞矩形开口；所述试验箱上部、左侧壁及右侧壁通过弹簧与反力框架的上部、左侧及右侧钢板对应连接，所述试验箱与反力框架底部钢板之间设置有弹簧及可沿左右侧方向水平自由滑动的钢球，所述试验箱底部外侧和反力框架底部钢板内侧沿左右侧方向设置有对应的用于容纳钢球的滑轨，所述滑轨与弹簧间隔设置；所述滑轨机构包括水平滑轨机构和竖直滑轨机构，所述的水平滑轨机构包括滑槽、支架，所述滑槽分为竖直加速段、弧形加速段、水平直线段和水平弧形撞击段，所述水平弧形撞击段的弧形拐点穿过碰撞矩形开口固连于试验箱右侧壁的形心处；所述滑槽底部设有至少一个用以固定滑槽的支架；所述的竖直滑轨机构包括滑槽、支架，所述滑槽分为竖直加速段、弧形加速段、水平直线段和弧形撞击段，所述弧形撞击段的弧形拐点固连于反力框架底部；所述滑槽底部设有至少一个用以固定滑槽的支架。优选的，所述水平滑轨机构和竖直滑轨机构滑槽的竖直加速段高度可调节，所述滑槽上设有可升降平台，所述可升降平台设有可让小球滑动的小槽，所述小槽一端与滑槽的竖直加速段连接。优选的，所述水平滑轨机构滑槽的水平弧形撞击段以试验箱右侧壁的形心处法线为对称轴呈镜像对称。优选的，所述水平滑轨机构滑槽的水平弧形撞击段与试验箱右侧壁的形心处法线的夹角为θ，30°≤θ≤60°。优选的，所述试验箱上部与反力框架的上部钢板之间、试验箱左侧壁与反力框架左侧钢板之间、试验箱右侧壁与反力框架右侧钢板之间、试验箱底部与反力框架的底部钢板之间每个面的弹簧个数N由以下公式得到：其中K为边坡的弹性抗力系数，k0为单个弹簧的弹性系数。一种模拟极震区边坡遭受底入式侧向式耦合的动力响应测试方法，包括以下步骤，(a)提供上述任一项所述的一种模拟极震区边坡遭受底入式侧向式耦合的动力响应测试装置，按照试验方案中的边坡的参数对试验土样进行合理配比，将试验土样及边坡模型安置于试验箱内，使隧道模型的轴线与试验箱轴线重合；(b)将小球在水平滑轨机构上释放，小球在滑槽内依次经过竖直加速段、弧形加速段、水平直线段和水平弧形撞击段，然后穿过反力框架右侧壁的碰撞矩形开口在水平弧形撞击段的弧形拐点撞击试验箱，观察边坡模型的力学响应；(c)将小球在竖直滑轨机构上释放，小球在滑槽内依次经过竖直加速段、弧形加速段、水平直线段和弧形撞击段，然后撞击反力框架底部，观察边坡模型的力学响应；(d)通过周期性的同时在水平滑轨机构和竖直滑轨机构上释放小球撞击试验箱，模拟在地震波作用下边坡的动力响应。优选的，所述步骤(b)或(c)中小球撞击试验箱的平均撞击力由以下公式得到：其中M为小球的质量，单位为kg；为小球撞击试验箱后的速度，为小球撞击试验箱前的速度，单位为m/s；Δt为小球撞击试验箱的时间，单位为s；即为模拟地震横波或纵波作用在隧道围岩的作用力；其中由以下公式得到：h1为小球释放点与撞击点之间的垂直距离，单位为m；g＝9.8m/s2。优选的，当考虑单一地震横波作用时，在水平滑轨机构滑槽竖直加速段的同一位置、经过不同的时间间隔释放小球；当考虑单一地震纵波作用时，在竖直滑轨机构滑槽竖直加速段的同一位置、经过不同的时间间隔释放小球。优选的，当考虑不同强度地震波作用时，在水平滑轨机构和竖直滑轨机构滑槽竖直加速段的不同位置、经过不同的时间间隔同时释放小球。本专利技术的有益效果是：本专利技术的一种模拟极震区边坡遭受底入式侧向式耦合的动力响应测试装置，从滑槽下落的小球将势能转化为动能，周期性的撞击试验箱，并通过小球开始下落时的高度、释放小球的不同时间间隔，来模拟地震区水平、竖直地震动耦合作用下不同地震强度、不同持续时间和不同周期条件下边坡地震动力响应试验，真实地再现地震区边坡地震波动力作用响应过程和响应方式，为工程结构设计、地质灾害预测等提供准确可靠的建议，对工程建设进行抗震设防；滑槽的四段设计既可以将小球势能转化为动能，又可以调整小球方向撞击试验箱来模拟地震波，且小球回收方便，可连续不断回收，从而实现小球的连续不断撞击，真实地模拟地震波的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟极震区边坡遭受底入式侧向式耦合的动力响应测试装置，其特征在于：包括箱体、滑轨机构，所述箱体包括反力框架、试验箱、弹簧；所述试验箱内设置有边坡模型，所述边坡模型包括放置于试验箱底部的路堤及置于路堤上的边坡，所述边坡截面为直角梯形状，试验箱上部与边坡斜面及路堤对应部分为开口设置，所述试验箱前壁上设有观察窗口，所述边坡模型斜面一侧朝向观察窗口；所述试验箱置于反力框架内，所述反力框架的上部、底部、左侧及右侧设有钢板，所述反力框架上部与边坡斜面及路堤对应部分为开口设置，所述反力框架右侧钢板上设有碰撞矩形开口；所述试验箱上部、左侧壁及右侧壁通过弹簧与反力框架的上部、左侧及右侧钢板对应连接，所述试验箱与反力框架底部钢板之间设置有弹簧及可沿左右侧方向水平自由滑动的钢球，所述试验箱底部外侧和反力框架底部钢板内侧沿左右侧方向设置有对应的用于容纳钢球的滑轨，所述滑轨与弹簧间隔设置；所述滑轨机构包括水平滑轨机构和竖直滑轨机构，所述的水平滑轨机构包括滑槽、支架，所述滑槽分为竖直加速段、弧形加速段、水平直线段和水平弧形撞击段，所述水平弧形撞击段的弧形拐点穿过碰撞矩形开口固连于试验箱右侧壁的形心处；所述滑槽底部设有至少一个用以固定滑槽的支架；所述的竖直滑轨机构包括滑槽、支架，所述滑槽分为竖直加速段、弧形加速段、水平直线段和弧形撞击段，所述弧形撞击段的弧形拐点固连于反力框架底部；所述滑槽底部设有至少一个用以固定滑槽的支架。...

【技术特征摘要】
1.一种模拟极震区边坡遭受底入式侧向式耦合的动力响应测试装置，其特征在于：包括箱体、滑轨机构，所述箱体包括反力框架、试验箱、弹簧；所述试验箱内设置有边坡模型，所述边坡模型包括放置于试验箱底部的路堤及置于路堤上的边坡，所述边坡截面为直角梯形状，试验箱上部与边坡斜面及路堤对应部分为开口设置，所述试验箱前壁上设有观察窗口，所述边坡模型斜面一侧朝向观察窗口；所述试验箱置于反力框架内，所述反力框架的上部、底部、左侧及右侧设有钢板，所述反力框架上部与边坡斜面及路堤对应部分为开口设置，所述反力框架右侧钢板上设有碰撞矩形开口；所述试验箱上部、左侧壁及右侧壁通过弹簧与反力框架的上部、左侧及右侧钢板对应连接，所述试验箱与反力框架底部钢板之间设置有弹簧及可沿左右侧方向水平自由滑动的钢球，所述试验箱底部外侧和反力框架底部钢板内侧沿左右侧方向设置有对应的用于容纳钢球的滑轨，所述滑轨与弹簧间隔设置；所述滑轨机构包括水平滑轨机构和竖直滑轨机构，所述的水平滑轨机构包括滑槽、支架，所述滑槽分为竖直加速段、弧形加速段、水平直线段和水平弧形撞击段，所述水平弧形撞击段的弧形拐点穿过碰撞矩形开口固连于试验箱右侧壁的形心处；所述滑槽底部设有至少一个用以固定滑槽的支架；所述的竖直滑轨机构包括滑槽、支架，所述滑槽分为竖直加速段、弧形加速段、水平直线段和弧形撞击段，所述弧形撞击段的弧形拐点固连于反力框架底部；所述滑槽底部设有至少一个用以固定滑槽的支架。2.根据权利要求1所述的一种模拟极震区边坡遭受底入式侧向式耦合的动力响应测试装置，其特征在于：所述水平滑轨机构和竖直滑轨机构滑槽的竖直加速段高度可调节，所述滑槽上设有可升降平台，所述可升降平台设有可让小球滑动的小槽，所述小槽一端与滑槽的竖直加速段连接。3.根据权利要求1所述的一种模拟极震区边坡遭受底入式侧向式耦合的动力响应测试装置，其特征在于：所述水平滑轨机构滑槽的水平弧形撞击段以试验箱右侧壁的形心处法线为对称轴呈镜像对称。4.根据权利要求2-3任一项所述的一种模拟极震区边坡遭受底入式侧向式耦合的动力响应测试装置，其特征在于：所述水平滑轨机构滑槽的水平弧形撞击段与试验箱右侧壁的形心处法线的夹角为θ，30°≤θ≤60°。5.根据权利要求1所述的一种模拟极震区边坡遭受底入式侧向式耦合的动力响应测试装置，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶飞，符文熹，魏玉峰，张勇，刘彬，袁星宇，文联勇，柏永岩，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51