[发明专利]一种土-地下结构大型拟静力试验装置及方法

说明书

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，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。矩形层状剪切箱体由矩形钢框架和层间滚轴组成，侧向限位框架由钢立柱、侧边万向滚轴和系杆组成，水平加载系统由水平作动器组成，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。竖向作动器通过加载板、顶部万向滚轴和顶部承压钢板将竖向荷载均匀施加在土体表面，通过同步协调控制水平加载系统，使矩形层状剪切箱体逐级产生具有一定分布形式的水平位移直至地下结构发生破坏。本发明克服了传统地下结构抗震模型试验缩尺比例小的限制，同时研究对应不同竖向地震动强度下地下结构的抗震性能。

技术领域

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。