CN109738146B - 一种足尺寸夯土墙体地震台试验仿真连接测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种足尺寸夯土遗址地震台试验仿真连接方法，是将刚度较弱研究对象以容器的方式很好的连接，有效仿真了夯土墙体与大地的关系，通过螺栓试验箱体为刚度较弱的夯土墙体与震台之间的刚性连接，试验测取震台和箱体根部加速度保持一致，实现了震台无限制施加荷载的作用机制。本发明突破了刚度较差设备震台试验设计的局限性，使其能够实现不同能量、频率和时程曲线的模拟地震荷载试验，该方法也可应用于在岩土工程研究领域中，发挥一定的作用。
Description
技术领域
本发明涉及土遗址、岩土领域静、动力荷载试验研究和保护加固领域，属于传统夯土遗址层界面应力、内力研究的重要方法，尤其对研究在静力、地震力等作用下夯土结构层界面薄弱区内力分布特征具有重要意义，也可以应用于岩土工程等相关领域。
背景技术
我国西北地区的新疆、甘肃、宁夏和陕西境内遗存许多古代土建筑遗址，蜿蜒北部的长城，西北苍茫戈壁上的关城、烽燧，新疆的交河、高昌、楼兰、尼雅遗址，可谓上下万年，纵横万里，遍布中华。这些土建筑遗址历史悠久，有的已列为世界文化遗产，有很高的考古学和历史价值。受建造工艺影响夯土层界面相对较为脆弱，在长期自然和人为因素影响下，层界面最先出现表面风化、掏蚀、横向裂隙发育等多种病害。
在遗址本体重力作用下局部拉裂或压碎，形成贯通层状裂隙直至坍塌，是威胁遗址本体长期保存的主要因素之一。调查发现，平底夯层、夯窝较浅的夯土遗址更加容易发生分层坠落坍塌破坏。加之丝绸之路沿线活动断层发育，地震活动频繁，地震灾害震荡，加重了遗址本体层状裂隙直至坍塌。丝绸之路沿线中国段新疆交河故城、北庭故城、高昌故城、甘肃锁阳城、境内大部分长城等大多数土遗址为6度烈度区。具有统计以来，6级以上地震共220次，7级以上53次，是造成遗址本体大面积坍塌的主要因素。据此，夯土遗址的地震动力响应是评价夯土遗址结构稳定性的重要指标，目前夯土遗址工程实践和基础研究较少，大型足尺模拟试验研究更少。因此，研究夯土墙体加载作用下应力变化具有重要的工程实践意义。然而，结合理论计算和实际测试实验发现，通过模型箱体与震台刚性连接，且通过模型箱仿真夯土墙体与大地之间的连接关系更为真实有效，且是最直接的方法。本发明通过螺栓连接方式与刚性密封的模型箱刚性连接，模型箱体通过肋条提高箱体刚度并增加与夯土墙体的摩擦力，避免吊装运输过程的变形引起试验墙体的破损，另外通过箱体高度实现试验墙体与大地的连接，且箱体宽度确保周边不少于20cm的夯土层。很好的实现了地震台加载作用下夯土墙体加速度、应力和位移的变化特征，测试结果真实反映夯土不同工况下的特征规律。
发明内容
如何真实模拟足尺夯土遗址地震台试验获取夯土遗址各工况下的内应力变化，震台和夯土遗址墙体的连接成为关键。鉴于此，本发明的目的在于提供一种足尺寸夯土墙体地震台试验仿真连接测试方法。即通过模型箱仿真夯土墙体与大地之间的连接关系，测试夯土遗址层界面应力和内力。欲达此目的，本发明的目的是通过以下技术措施来实现：
一种足尺寸夯土墙体地震台试验仿真连接测试方法，其特征在于：
a 震台试验模型箱体
封模型箱主要由底板、箱壁、箱檐、立柱、吊环、加筋网格、直角肋条和螺栓孔构成上端开口的箱体。直角肋条和立柱焊接在底板与箱檐之间的箱壁上，底板有螺栓孔，用于土遗址模型与震台的刚性连接；箱壁上端装有吊环，便于模型的移动吊装；箱内底部布有加筋网格，保证模型箱的刚度。
b 夯土墙体
夯筑用土基础部分和夯土墙体间采用同一土料，按照15.4±0.5%的含水率制备，制备完成后醒土24小时方可备用；模型分为基础、悬空区、墙体三部分；制作顺序为基础夯筑→支模→悬空区临时支顶→墙体夯筑→拆模→修整→养护→悬空区临时支顶拆除；试验墙体夯筑采用直径为14cm的钢质半球体夯锤，夯层铺土厚度12cm，每层夯击6遍，墙体共夯筑33层，削顶后留31层,模型墙体尺寸均为长2.8m，底宽0.95m，高2.0m，整体收分顶部至0.6m，试验墙试验墙体自重约12t；
ｃ模型箱体与震台刚性连接
中震台及实验箱体间32根螺栓孔位，孔位中灌入螺栓，同时拧紧震台及实验箱体，实现试验墙体与大地的连接，
夯土遗址层界面的测试，基础内共埋置加速度探头M1和加速度探头N1，振动台台面上在距墙体基础长边方向顶端和中部距离1m左右布设加速度探头，在外力作用下台面运移的加速度P和墙体基础运移的加速度Q保持一致。
本发明优点和产生的有益效果是：
（1）本发明通过螺栓将试验箱体和整体紧密连接，有效的仿真了夯土遗址与大地之间的连接关系，两者之间为无间隙连接，完全实现了刚性较差实验对象震台的直接加载的连接方式，试验测取震台和箱体根部加速度一致，实现了震台无限制施加荷载的作用机制；
（2）通过箱体放大脚的方式有效仿真了夯土遗址墙体与大地基础的连接方式，通过箱体肋条有效提高了箱体的刚度，在吊装和运输过程中无形变，另外也增加了基础夯土和箱体摩擦力和咬合力，为夯土墙体的动荷载相应测试提供了可靠的操作手段，实现了大地与试验墙体之间的连接方式。
（3）本发明可以用于岩土领域足尺振动模拟试验仿真连接，尤其针对岩土质、多孔材质较弱、刚度较小不易直接连接在震台的加载试验。
（4）能够实现刚度较小结构体相对稳定岩土墙体测试，测试精确度较高，能够适应多种复杂土体条件下的夯土体在静、动力荷载作用下的响应加速度、速度和位移等变量的测量。
（5）本方法操作简单，应用方便，造价低，在测量荷载作用下夯土体、岩土体的作用机制具有广泛的应用场景。
附图说明
图1为模型箱示意图。
图2 为夯土试验墙体应力片布设平面示意图。
图3 设计加速度与台面加速度对应关系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明再作进一步的说明：
（1）为了实现试验墙吊装和震台之间连接，本实验采用刚性密封模型箱，以此避免试验墙在夯筑、吊装和震动过程中箱体产生较大形变，采用备好的钢材焊接尺寸为3m×1.4m× 0.5m构成上端开口的模型箱，箱体的直角肋条7和立柱4焊接在底板1与箱檐3之间的箱壁2上，底板1有螺栓孔8，用于土遗址模型与震台的刚性连接；模型箱内部布设30×40×10 cm加筋网格6，以保证模型箱的刚度，箱壁外侧设置4处吊装环扣，使用30mm厚钢板，便于模型的移动吊装。
（2）按照传统工艺夯筑夯土试验墙体，基础部分和夯土墙体间采用同一土料，搅拌均匀；夯筑用土按照15.4±0.5%的含水率制备，制备完成后醒土24小时方可备用；模型分为基础、悬空区、墙体三部分，含水率及配置方法，按照设计实验要求通过基础夯筑→支模→悬空区临时支顶→墙体夯筑→拆模→修整→养护→悬空区临时支顶拆除，完成实验墙夯筑。试验墙体夯筑采用直径为14cm的钢质半球体夯锤，夯层铺土厚度12cm，每层夯击6遍，墙体共夯筑33层，削顶后留31层,模型墙体尺寸均为长2.8m，底宽0.95m，高2.0m，整体收分顶部至0.6m，试验墙试验墙体自重约12t。
（3）采用5TM设备观察实验墙体失水过程监测与控制，为了防止实验墙体损伤试验墙，待墙体完全干透后在开展振动实验。
（4）箱体周边基础不少于20cm的夯土层，然后，将完全干透的试验墙体通过试验模型箱体吊装环扣吊装、运移至震台指定位置，运输过程中确保无冲击作用，避免引起试验墙体受损。
（5）调试时，对中震台及实验箱体间32根螺栓孔位，孔位中灌入螺栓，同时栓紧震台及实验箱体，确保震台及实验箱体在外力作用不滑移。通过螺栓连接方式与刚性密封的模型箱刚性连接，实现试验墙体与大地的连接，模型箱体通过肋条提高箱体刚度并增加与夯土墙体的摩擦力，避免吊装运输过程的变形引起试验墙体的破损。
（６）为了准确评价震台台面、基础和墙体根部不同位置加速度、应力变化情况，基础和夯土墙体9内共埋置应力片M2和应力片N2（见图2），振动台台面上在距墙体基础长边方向顶端和中部距离1m左右布设加速度探头M1速度探头N1，测试发现该连接方式台面加速度与设计加载加速度基本保持线性关系，且大部分小于设计加载加速度，能量损耗在5%以内，台面加速和墙体基础加速度频率一致，能量能够有效传递、且损耗在可控范围内，因此，接下来输入2cm/s2加速度值以台面加速度值为准，认为基础与台面连接较好，可视为整体，仿真效果良好。
（７）输入正弦波检测台面与箱体不同位置加速度是否一致，如若不一致请检查螺栓连接，并调试至加速度检测一致。测试发现该连接方式台面加速度与设计加载加速度基本保持线性关系，且大部分小于设计加载加速度，能量损耗在5%以内，在外力作用下台面运移的加速度P和墙体基础运移的加速度Q保持一致（见图2）。能量能够有效传递、且损耗在可控范围内，因此，接下来输入加速度值以台面加速度值P为准，认为基础与台面连接较好，箱体的加速度M1和夯土墙体加速度N1一致，实现了地震台加载作用下夯土墙体加速度、应力和位移的变化特征，可视为整体，仿真效果良好。
（８）按照已经设定好的频率、能量及时程曲线图输入地震荷载，观察分析夯土墙体不同位置位移、应力和加速度的变化。测试结果真实反映夯土不同工况下的特征规律（见图3）。
Claims (1)
1.一种足尺寸夯土墙体地震台试验仿真连接测试方法，其特征在于：
a 震台试验模型箱体
封模型箱主要由底板（1）、箱壁（2）、箱檐（3）、立柱（4）、吊环、加筋网格（6）、直角肋条（7）和螺栓孔（8）构成上端开口的箱体，直角肋条（7）和立柱（4）焊接在底板（1）与箱檐（3）之间的箱壁（2）上，底板（1）有螺栓孔（8），用于土遗址模型与震台的刚性连接；箱壁（2）外侧设置吊环，便于模型的移动吊装；箱内底部布有加筋网格（6），保证模型箱的刚度；
b 夯土墙体
夯筑用土基础部分和夯土墙体（9）间采用同一土料，按照15 .4±0 .5%的含水率制备，制备完成后醒土24小时方可备用；模型分为基础、悬空区、墙体三部分；制作顺序为基础夯筑→支模→悬空区临时支顶→墙体夯筑→拆模→修整→养护→悬空区临时支顶拆除；试验墙体夯筑采用直径为14cm的钢质半球体夯锤，夯层铺土厚度12cm，每层夯击6遍，墙体共夯筑 33层，削顶后留31层 ,模型墙体尺寸均为长2 .8m，底宽0 .95m，高2 .0m，整体收分顶部至0 .6m，试验墙试验墙体自重约12t；
ｃ模型箱体与震台刚性连接
中震台及实验箱体间32根螺栓孔位，孔位中灌入螺栓，同时拧紧震台及实验箱体，实现试验墙体与大地的连接，
夯土遗址层界面的测试，夯土墙体（9）内共埋置应力片M2和应力片N2，振动台台面上在距墙体基础长边方向顶端和中部距离1m左右布设加速度探头，在外力作用下，箱体的加速度M1和夯土墙体加速度N1一致，则使台面运移的加速度P和墙体基础运移的加速度Q保持一致。
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