基于多功能模型箱的排土场相似模拟实验设计

提出一种自主设计的多功能模型箱,基于该模型箱可设计多种排土场相似模拟实验,以在降雨作用和不同位置抗滑槽作用下排土场相似模拟实验为例。分别探究了在3 d降雨及7 d降雨作用下(降雨强度分别为217.1 mm和279.6 mm)排土场浸润线的变化规律和在坡脚、坡面下方、坡顶下方处留设抗滑槽对排土场破坏模式的影响。为验证实验结果是否准确,分别使用有限元软件COMSOL和有限差分软件FLAC^(3d)运用强度折减法对降雨条件和不同位置抗滑槽下的排土台阶进行数值模拟分析,将相似模拟实验结果和数值模拟结果进行对比论证,结果基本一致,验证了两种实验方案的合理性和可靠性,说明了基于该模型箱设计的相似模拟实验可靠。

模型箱约束对大变形破坏离心模型试验影响初探

离心模型试验需要模型箱盛放模型,模型箱壁边界的摩擦和法向限位约束必然影响到模型的位移变形性状特别是大变形破坏性状。采用大型平面应变模型箱开展了离心模型试验,尝试再现某散货码头堆场地基的大变形推移破坏现象,先后两次模拟了试堆载过程,与第一次试验不同的是,第二次试验部分解除了模型箱端壁法向限位约束。两次试验测得的堆场地基极限承载力值很相近,但第一次试验中淤泥质黏土层最大位移是1 m量级,第二次试验中达5.5m量级,仍不及原型的20 m量级。前后两次试验位移量级的差异表明模型箱端部法向限位约束严重影响模型推移破坏程度,部分解除端部法向限位约束在一定程度上有助于模型产生大变形推移破坏。而大变形三维破坏问题被简化成二维平面问题模拟,宽度方向模拟范围有限隐藏着土体变形破坏过程中土料侧向补充严重不足,这进一步造成土体破坏整体推进的距离和严重程度不及原型,因此,进行大变形破坏离心模型试验和解读试验结果时,必须充分考虑模型箱箱壁摩擦和箱体长度与宽度有限三方面的约束影响。

振动台试验双向层状剪切型连续体模型箱设计及测试

为研究非一致地震激励下土箱边界对埋地油气管道振动台试验的影响,该文章在国内外研制振动台用模型箱的基础上,设计了适用于该试验用的双向层状剪切型连续体模型箱,该模型箱是由层叠式框架箱体、滚动滑移机构、限位滑移机构以及伸缩机构等组成的三维结构体系。运用有限元分析软件ABAQUS对设计的模型箱进行振型分析,并利用振动台试验结果与数值模拟结果对照,探究在一致、非一致地震激励下模型箱的适用性及稳定性。分析结果表明:设计模型箱的自振频率与箱-土的自振频率相差较大,即模型箱对模型箱内土体的自振特性影响较小;同一深度处不同测点的土体加速度时程曲线吻合程度较高,即模型箱的边界效应较小;不同高度处的土体位移时程曲线波动幅度较大,即模型箱的层间剪切变形能力效果较好;同一高度处箱体两端的位移时程曲线表现出明显差异性,即箱体两端的错动变形效果理想。故该文所设计的双向层状剪切型连续体模型箱能够实现剪切变形效果和降低模型箱边界效应的影响,该模型箱的研制为今后研究埋地管道的地震响应问题提供坚实保障。

离心机振动台试验叠环式模型箱边界效应

针对离心机振动台试验中常用的叠环式模型箱,进行了单一均匀土和成层土场地在地震作用下的振动模拟计算,对离心机振动台试验中存在的模型箱效应进行了数值模拟,并结合试验结果对叠环式模型箱边界效应的影响进行了分析.数值模拟与试验结果表明,叠环式模型箱较好地模拟了自由场在地震作用下的真实反应,土层的加速度反应峰值、波形以及Fourier幅值谱与精确解误差较小,较好地消除了边界效应对土体地震动反应的影响.

穿越不良地质段山岭隧道动力模型箱设计及其试验验证

在地震模拟隧道振动台模型试验研究中,模型箱设计合理与否,将直接关系到隧道结构动力响应数据的可靠性。以高烈度地震区穿越不良地质地段山岭隧道工程为依托,主要设计了穿越基覆交界面隧道整体式刚性模型箱和穿越活动断层隧道错动式刚性模型箱,通过模态分析,分析了土-箱共振和箱体承载力问题,提出了模型箱加固技术方案,避免模型土-模型箱结构的共振和承载力不足的问题。采用8 m×10 m大型振动台开展两种不同条件下山岭隧道结构动力响应研究,试验及分析结果表明两种不同地质条件下振动台模型箱具有良好的边界性能,提高了不良地质段隧道结构动力响应的试验结果的可靠性,为同类地震动模型试验模型箱研究奠定了基础。

悬挂式层状多向剪切模型箱的设计分析及试验验证

根据试验目的,运用悬挂隔振和滚珠隔振的理论,设计了悬挂式层状多向剪切模型箱装置。该装置是由钢索吊起的多层圆形框架、悬挂支架和底板组成的空间结构体系。通过对这种新的模型箱结构形式的理论分析,论证了所采用的模型箱结构形式和隔振措施能有效的减少模型箱对模型土振动特性的影响,大大削弱了模型箱自身质量引起的惯性作用对模型土动力响应的影响。通过数值模拟和对试验中模型土加速度时程的对比分析以及模型土的振型分析,论证了在水平地震激励作用下,模型土产生层状剪切变形,且各部分模型土的地震响应一致,能有效模拟土体的侧向变形边界条件。该模型箱既消除了现有柔性模型箱在水平地震激励作用下产生的土体拱效应现象,也克服了现有层状剪切模型箱仅能单向输入水平地震激励的不足。

地铁车站结构振动台试验中模型箱设计的研究

介绍笔者在对软土地铁车站结构进行振动台模型试验的过程中,在模型箱设计方面遇到的技术难题及其解决途径。主要包括在确定几何相似比时,通过论证分析提出了对量值极大的车站结构长度可行的简化方法,及对原型半无限体场地土的模拟范围;在选定模型箱结构的外形与构造时,借助有限元分析论证了可不与模型土发生共振的箱体构造;对箱体边界,通过对刚性侧壁内衬塑料板使模型土可较好模拟原型土的变形等。上述措施对试验获得成功起到了保障作用,对同类试验也有参考价值。

大型叠层剪切变形模型箱的研制

振动台模型试验是研究工程结构抗震的重要手段之一。在碎石桩复合地基抗液化特性振动台试验研究中,基于半无限自由场原型土层的地震反应分析,在比较了目前国内外研究岩土结构地震问题振动台试验常用的3种模型箱(刚性模型箱、圆筒型柔性模型箱和叠层剪切变形模型箱)各自优缺点的基础上,设计一个可以用于振动台试验的大型叠层剪切变形模型箱。该模型箱由方钢管焊接的矩形框架和层间滚珠轴承构成,可以很好地模拟原型土层在天然地震剪切波作用下的变形特性。试验结果表明,所设计的叠层剪切变形模型箱不仅为本次试验获得成功打下了坚实的基础,还可以应用于其他岩土地震问题的试验研究。

层状双向剪切模型箱的设计及振动台试验验证

层状剪切模型箱是土-结动力相互作用振动台试验中的重要设备。针对地下结构非一致地震作用振动台阵试验,设计了能够在相互垂直的两个方向上均满足层间剪切变形的模型箱,并利用自由场振动台试验结果对模型箱性能进行了检验,提出采用2-范数偏差方法对模型箱边界效应进行了定量分析和对比。结果表明,所研制的模型箱性能良好,能够正确模拟原型场地的水平地震动特性,采用2-范数偏差方法能够较好地描述模型箱的边界效应。

振动台试验三维层状剪切模型箱的设计及性能测试

在研究地震荷载作用下土-结构动力相互作用的问题和验证方法时,振动台试验被认为是一种有效的工具。试验时应使用合适的模型土箱,试验模型箱的边界效应成为直接影响模型试验结果准确性的重要因素。设计制作了一个由19层圆形环组成的三维层状剪切模型箱,高度为1 800 mm,内径为4 500 mm,层间铝合金框架采用三向运动支撑件连接。开展了模型箱振动台试验,通过埋设在土体中不同深度和位置的加速度计获取的地震反应来研究箱体的边界效应。试验时振动台面输入用于核电工程设计AP1000谱三维地震动。比较了不同深度各测点的加速度时程和反应谱值,计算得到从箱体中心到边缘测点的土体反应的峰值加速度的相对误差值,采用谱比法计算得到加速度反应谱相对误差值。试验及分析结果表明,设计的三维层状剪切模型箱在3个方向上都具有良好的真实场地无限边界条件的模拟效果,解决了现有层状剪切模型箱仅能单向或双向输入水平地震激励的不足。

土工振动台试验连续体模型箱的适用性研究

为更加合理地模拟地下结构多台阵振动台试验中场地的连续性,作者所在课题组研制了用于长线性地下结构振动台试验的连续体模型箱装置,该装置是由端部刚性箱、软连接箱及中间刚性箱组成的空间结构体系。运用有限元软件ABAQUS对其进行三维数值模拟,模态分析论证了可不与模型土发生共振的连续箱体构造的合理性,三维数值试验分析了该连续体模型箱在一致、非一致地震激励作用下的"边界效应"及工作中的稳定性。数值试验结果表明,所设计的连续体模型箱性能良好,为本次试验获得成功打下了坚实的基础。

真空预压法加固吹填土的模型箱试验

大连大窑湾三期工程所处理的土体为含水率>120%的超软土。为研究超软土的处理方法,采用袋装沙井、滤膜等效孔径80～100μm和孔径<75μm的3种排水体,0.4 m及0.8 m的2种排水间距,共计6个试验箱进行真空预压法试验研究。通过对表面沉降形态进行沉降优化计算,采用3种模型进行沉降预测,结合监测与计算结果,认为排水体间距为0.4 m、等效孔径≤75μm的国产B型排水板效果最佳。

一种静力触探模型箱试验装置的研制及其试验研究

设计了一套静力触探模型箱试验装置,该装置可以在模型箱水平面内任意位置进行贯入试验,贯入速率在一定范围可控,贯入倾角可调节。将该装置用于TJ-1模拟月壤静力触探力学特性的研究,试验结果表明:地基表层模拟月壤发生刺入剪切破坏;贯入阻力随贯入深度的增加而增加;探杆周围同一深度处土体的水平土压力表现出轴对称特征,其值在探头靠近土压力盒过程中逐渐增大至最大值,后随探头远离土压力盒又逐渐减小至0,且不同深度土体水平土压力峰值随贯入深度增加而增大;贯入点正下方土体的垂直土压力随贯入深度的增加而增加,主要影响范围约为距探头200 mm处。基于以上试验研究,表明该模型箱的设计是合理的,且TJ-1模拟月壤力学特性的研究成果能够为将来涉及到TJ-1模拟月壤的航天试验提供必要的技术参考。

堆叠式剪切模型箱的改进

对现有叠层剪切模型箱进行技术改进,其整体改进思路是用轴承和端部弹性约束系统分别取代常见的滚珠和侧向刚性约束系统。改进措施是把原叠层方钢框架模型箱改成H型钢和方钢交替堆叠式模型箱;层间轴承外径由16mm调整为72mm;模型箱受力形式由"抽屉式"改为"堆叠式";非主振方向上铆接弹性薄钢板取代侧向刚性约束系统。并用ANSYS软件对铆接弹性薄钢板情况进行模拟,结果显示,其对模型箱和土体的动力特性影响很小。改进后的模型箱自重减小,层间间隙缩小并且可根据需要调整,模型箱受力机制更接近于实际土体。设备的可循环操作性和使用性能增强,可最大程度地利用现有的试验设备实现土体在动荷载作用下的自由剪切变形模拟。

离心机振动台多功能层状剪切模型箱结构设计与分析

剪切模型箱是离心机振动台的关键部件,它既要承受较大的离心载荷,又要为试验模型的移动提供条件,其结构形式直接影响离心机振动台模拟试验的成败。为满足某离心机振动台的试验要求,设计了一种可用于高g值离心场的大体积层状剪切模型箱,主要由若干单层框、辊子排、滚动轴承、约束框架、给排水装置和联动片等组成。最后,对剪切模型箱的力学性能进行了分析。结果表明:设计的剪切模型箱可以满足试验工况和技术要求。

不同贯入倾角下TJ-1模拟月壤静力触探模型箱试验研究

为了研究月壤的工程力学特性,采用静力触探模型箱进行了0°,15°和30°三种不同贯入倾角下的TJ-1模拟月壤静力触探试验。试验结果表明:静力触探试验终止探头退出土体后,地表产生不同的变形模式,贯入倾角愈大地表变形范围愈大,垂直贯入表层模拟月壤形成以贯入点为对称中心的圆柱形孔洞,倾斜贯入情况下表层模拟月壤形成一个椭圆形的陷落坑;不同贯入倾角下贯入阻力都随贯入深度的增加而增大,同一垂直贯入深度处贯入阻力随贯入倾角的增大而线性增加,可用公式c 1 1q A b表示;垂直静力触探试验贯入阻力随深度的变化趋势可以采用公式c h0q exp[0.16(9)]估算;不同贯入倾角下探头周围的水平土压力均随贯入深度的增加先增大再减小,同一深度处贯入方向前侧土体水平土压力峰值随贯入倾角的增大而线性增加,后侧土体水平土压力随贯入倾角增大而线性减小,二者的变化规律均可用公式h,max 2 2p A b表示;600 mm深度处的垂直土压力终值随贯入倾角的增大而线性减小,可用公式p v,end 0.3179 26.448表示。

地下结构振动台试验模型箱应用现状

模型箱是地下结构振动台试验中的辅助装置,对模型地层与结构在模拟地震输入下的动力响应测试研究至关重要。调查了现有地下结构振动台模型试验所用模型箱的形式,给出了设计模型箱应满足的三个等效准则,依此分析各类模型箱的结构形式及其优缺点。着重讨论了刚性模型箱设计应关注的若干要点,为长隧道振动台试验模型箱设计提供理论准备。

大型堆叠式剪切模型箱的研制

通过比较分析目前国内外振动台试验常用模型箱的优缺点,研制了用于高速铁路液化土地基加固振动台试验的大型堆叠式剪切模型土箱。通过模型箱的验证性试验验数据可知,研制的堆叠式剪切模型箱是有效的,能够较好地模拟岩土边界条件和地震作用下岩土的剪切变形。

剪切模型箱在离心振动复合环境下的动力学响应分析

目的研究剪切模型箱在复合环境下的动力学响应规律。方法针对叠层式剪切模型箱的结构特点,建立考虑层间滑动的动力学模型。通过对离心机在工作状态下的动力学特性进行模拟,结合设计指标,对剪切模型箱进行离心振动复合环境下的响应分析。结果得到了剪切模型箱的激励力谱,以及模型箱在不同过载及振动环境状态下的固有特性。结论离心工作环境下,模型箱固有频率变低。离心载荷是影响模型箱强度设计的主要因素。

模型箱设计中的边界变形研究

模型试验作为在试验室中研究结构地震反应和破坏机理的最直接方法,其中一个重要方面是模型箱形式的选择及制作。理想的模型箱要求减少模型箱的边界效应,使模型土在模型箱中能再现自由场的地震反应。本文简单介绍了模型箱的分类及应用现状,着重讨论了模型箱的边界要求及自由场土体地震作用下的剪切变形特征,并对不同形式模型箱的边界变形进行了比较,希望可以给模型试验中模型箱的选型及设计提供参考。