一种测试隔振屏障场地隔振效应的三维模型土箱、系统及方法

摘要

本发明公开一种测试隔振屏障场地隔振效应的三维模型土箱、系统，及方法，三维模型土箱包括外模型箱(10)、内剪切箱(20)及钢弹簧支座(30)；内剪切箱(20)包括层叠的多个围护框架(21)及多个箱底条形托条(23)，各围护框架之间由多个摩擦摆串联钢弹簧三维限位支座(22)连接，箱底条形托条(23)作为内剪切箱(20)的底部且不与围护框架(21)连接，钢弹簧支座(30)连接在外模型箱(10)与箱底条形托条(23)之间以及在外模型箱(10)与最底层的围护框架之间。所述系统包括振动台(40)及三维模型土箱，振动台通过刚性连接的锤头(42)及加载板(43)与三维模型土箱接触，并为三维模型土箱施加振动。

说明书

技术领域

本发明涉及振动控制技术领域，更具体涉及一种测试隔振屏障场地隔振效应的三维模型土箱、系统及方法。

背景技术

轨道交通(如地铁或轻轨)及铁路通过引起的周围岩土体振动往往会引起周围建筑物的振动甚至破坏，从而影响居住在周围的居民身体健康。如何评价以线状振源为主的铁路列车通过引起的周围岩土体振动是多年以来环境振动评价及治理的重要技术问题。一般可以通过在列车振源和被保护建筑物之间的岩土体中设置空沟、填充沟等隔振屏障起到降低列车运行对周围建筑物振动的影响。但是，如何准确高效的评价隔振屏障的隔振机理及隔振效果，是隔振屏障设计并实施落地的重要条件。

现有技术中，设计实施过程中开展必要的物理实验和数值模拟是较为常见的选择。物理实验分为现场原位试验、空地试验场模拟试验、实验室缩尺模型土箱试验。现场原位试验是最可靠的实验手段，但受制于试验造价和施工条件，往往较难实施；空地试验场模拟试验常常采用敲击落锤等手段模拟列车通过振源，试验中由于很难模拟列车通过的实际振源振动，往往不利于测试实际列车通过时振动的效果。能否发展一种结合″现场原位试验中的实测振源″与″空地试验场模拟试验中成本可控和可实施性强″优点的测试系统是亟待突破的隔振屏障场地隔振效应试验的技术瓶颈。

模型土箱试验手段的原理和不足如下：实际的地基土是连续的，土体小变形范围内可以将地基土模型简化为水平方向无限延伸的弹性半空间，但是除非原位试验，实验室均只能截取有限地基土开展实验(即实验室中均是用有限体积的土箱里所装模型土来替代实际无限域的地基)，从无限延伸的弹性半空间截取有限地基土装入普通模型箱开展实验势必会引入边界效应。这是因为模型箱内土体在外荷载激励下，土体中的波动能量到达模型箱侧边界或底边界后容易导致波动反射和折射，从而对无限空间土体模拟产生较大误差。但是已有研究表明，通过水平多层剪切箱可以近似模拟水平方向无穷远辐射条件。剪切模型箱能够近似模拟水平方向波动能量无穷远辐射条件的原理是地基土可以水平成层发生相对运动，从而消耗振动能量，尽量减少边界处波动反射效应。为了消除竖向振动下的底板反射效应，现有技术也采用了支座悬吊等方式，以模拟其竖向波动能量无穷远辐射条件。但是现有剪切箱试验装置有如下不足：

(1)现有剪切箱围护组件连接机构要么是单向运动导轨或导槽、要么是两个正交的导轨和导槽，对运动方向有较强的限制作用，而且如果多层剪切箱围护组件运动方向不一致或者垂直，则很难协调导轨或导槽连接机构的运动。

(2)现有常见技术中剪切箱围护组件连接机构的竖向振动释放机构较少与水平运动释放机构完全解耦，水平运动和竖向运动常常有连带效应，实际振动过程中水平运动和竖向运动会发生干涉。

(3)提供竖向变形的钢弹簧支座无法保证在有水平振动时不发生水平变形，这主要是因为竖向钢弹簧支座无水平限位装置、且没有为其消化水平运动分量的机构。

因此，需要新的技术和设备，以至少部分消除现有技术中存在的问题。

发明内容

根据本发明的一方面，提供一种测试隔振屏障场地隔振效应的三维模型土箱，包括：外模型箱(10)、内剪切箱(20)以及钢弹簧支座(30)；

其中，内剪切箱(20)包括层叠的多个围护框架(21)以及多个箱底条形托条(23)，各围护框架之间由多个摩擦摆串联钢弹簧三维限位支座(22)连接，箱底条形托条(23)作为内剪切箱(20)的底部但并不与围护框架(21)连接，钢弹簧支座(30)连接在外模型箱(10)与箱底条形托条(23)之间、以及在外模型箱(10)与最底层的围护框架之间；条形托条多少、宽窄、疏密可按照试验实际需求进行设计，条形托条下钢弹簧支座可以按照托条尺寸进行选用；

其中，所述摩擦摆串联钢弹簧三维限位支座(22)包括摩擦板上顶板(221)、摩擦板下底板(222)、钢弹簧下底板(223)、多个钢弹簧体(224)以及多个限位套筒(225)；摩擦板上顶板(221)与钢弹簧下底板(223)分别连接相邻的两层围护框架(21)或者分别连接最底层的围护框架和箱底条形托条(22)；

摩擦板上顶板(221)与摩擦板下底板(222)之间滑动连接，使得摩擦板上顶板(221)能够沿着摩擦板下底板(222)的上表面沿任意水平方向滑动；

限位套筒(225)的上套筒固定在摩擦板下底板(222)的下表面上，限位套筒(225)的下套筒固定在钢弹簧下底板(223)的上表面上，钢弹簧体(224)设置在上套筒与下套筒二者嵌套所形成空间中。

根据本发明的实施方案，所述测试隔振屏障场地隔振效应的三维模型土箱还包括设置在外模型箱(10)与内剪切箱(20)之间的粘弹性液体或阻尼器。

根据本发明的实施方案，所述测试隔振屏障场地隔振效应的三维模型土箱还包括涂覆在限位套筒(225)的内表面上的特氟龙涂层(226)。

根据本发明的实施方案，随着各层围护框架(21)由上而下，各层摩擦摆串联钢弹簧三维限位支座(22)的钢弹簧体(224)的刚度逐渐增大。

根据本发明的实施方案，摩擦板下底板(222)的上表面为平面或者凹曲面，并且在周边形成有突起。

根据本发明的实施方案，所述测试隔振屏障场地隔振效应的三维模型土箱，还包括设置在内剪切箱(20)内表面上柔性膜(24)。

根据本发明的另一方面，提供一种测试隔振屏障场地隔振效应的系统，其特征在于，包括根据本发明所述的三维模型土箱。

根据本发明的实施方案，所述系统还包括振动台(40)，振动台与三维模型土箱接触，为三维模型土箱内的土体施加振动。

根据本发明的实施方案，所述振动台包括与振动台台面(41)刚性连接的锤头(42)以及加载板(43)。

根据本发明的实施方案，所述振动台还包括用于维持锤头(42)与加载板(43)二者接触的软链接或者硬连接(48)。

根据本发明的又一方面，提供一种测试隔振屏障场地隔振效应的方法，包括利用振动台(40)的刚性连接的锤头(42)以及与锤头(42)接触的加载板(43)，对根据本发明所述的测试隔振屏障场地隔振效应的三维模型土箱中的土体施加振动。

根据本发明的实施方案，所述测试隔振屏障场地隔振效应的方法还包括利用竖向隔振屏障(50)将三维模型土箱中的土体进行分隔。

本发明发展了一种新式的三维模型土箱，采用摩擦摆串联钢弹簧三维限位支座，支撑分层三维剪切箱围护组件，并在模型箱底板布设带竖向钢弹簧支座的条形托条，能够实现有益的技术效果：

(1)其中用于支撑分层剪切箱围护组件的摩擦摆串联钢弹簧三维限位支座可以最大限度的允许分层三维剪切箱围护框架带动箱内土体发生任意水平方向滑动，克服了现有滑轨式支座或带滑槽弹珠轨道对滑动方向的限制。

(2)其中与摩擦摆串联的钢弹簧支座，可以最大限度的允许分层剪切箱围护框架带动箱内土体发生竖直方向运动，并通过钢弹簧外的双层可滑移套筒以限制钢弹簧的水平变形，以实现水平和竖向运动的解耦，即摩擦摆支座贡献任意方向水平运动分量和钢弹簧支座贡献竖向运动分量。

(3)其中模型箱底板布设带竖向钢弹簧支座的条形托条，可进一步对箱内土体竖向振动的约束进行解除。

(4)其中剪切箱围护框架间串联的分层分散布置的竖向钢弹簧能较好的分担和消化竖向振动分量，尤其在剪切箱底部再布设竖向切片式的承重的条形托条和钢弹簧支座。

另外，振动台可以作为一种先进的可控人工振源，将原位试验中采集到的钢轨或轨道板振动施加给与振动台刚性连接的振动锤头，使其可控的驱动地基土体振动将是一种特别不错的振源，结合本发明的三维试验土箱，能够较好的模拟列车通过所致隔振屏障场地土隔振效应。

附图说明

参照以下描述的附图和权利要求，可以更好地理解本申请的特征。附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在说明本文所述的原理上。在附图中，贯穿各个视图，相似的数字用于指示相似的部分。

图1是根据本申请的一个实施方案的测试隔振屏障场地隔振效应的三维模型土箱的剖面结构示意图。

图2示出了根据本申请的一个实施方案的内剪切箱的平面结构示意图；

图3示出了根据本申请的另一个实施方案的内剪切箱的平面结构示意图；

图4是根据本申请的一个实施方案的摩擦摆串联钢弹簧三维限位支座的剖面结构示意图；

图5是图4所示摩擦摆串联钢弹簧三维限位支座的使用状态下的剖面结构示意图；

图6是根据本申请的一个实施方案的摩擦摆串联钢弹簧三维限位支座的平面结构示意图。

图7是根据本申请的一个实施方案的测试隔振屏障场地隔振效应的系统的结构示意图(地表源)；

图8是根据本申请的一个实施方案的测试隔振屏障场地隔振效应的系统的结构示意图(地下源)；

图9是根据本申请的一个实施方案的与振动台刚性连接的刚性锤头剖面结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施实例对本发明做进一步的说明，所提及内容并不用于限制本发明。

图1是根据本申请的一个实施方案的测试隔振屏障场地隔振效应的三维模型土箱的剖面结构示意图。参考图1，本发明实施方案的测试隔振屏障场地隔振效应的三维模型土箱可以包括外模型箱10、内剪切箱20以及钢弹簧支座30。

外模型箱10可以采用钢板焊接而成，例如为无盖空心圆柱或无盖空心棱柱。当然也可以采用其他合适的材料例如铝合金等。箱体厚度可以取5-10mm，或者其他合适的厚度。底板可以留有部分螺栓连接孔，用于和内剪切箱20箱底条形托条下的钢弹簧支座30的底连接板连接。

内剪切箱20可以包括层叠的多个围护框架21以及多个箱底条形托条23。按照需要可以设置6-10层的围护框架21。如果水平运动为主，则可以设置层数多且每层尺寸较小，如果竖向运动为主，则可以设置层数少且每层尺寸较大。各层围护框架之间由多个摩擦摆串联钢弹簧三维限位支座22连接，并且最底层的围护框架与外模型箱10之间由钢弹簧支座30连接支撑。另外，钢弹簧支座30还连接在外模型箱10与内剪切箱20的箱底条形托条23之间，对内剪切箱20中的土体进行支撑。

另外，内剪切箱20还可以包括设置在内剪切箱20内表面上柔性膜24。例如在内剪切箱内部采用柔软但具有一定强度的帆布打底，以防止土体泄露出箱体外。

内剪切箱20可采用方框形截面、也可采用圆框形截面，或者其他合适的形式。例如图2示出了根据本申请的一个实施方案的内剪切箱的平面结构示意图。图3示出了根据本申请的另一个实施方案的内剪切箱的平面结构示意图。

参考图2和图3，内剪切箱的各围护框架21上平均设置有8个摩擦摆串联钢弹簧三维限位支座22，通过摩擦摆串联钢弹簧三维限位支座22与其他围护框架21相连。当然，也可以根据需要设置其他合适数量的摩擦摆串联钢弹簧三维限位支座22。

内剪切箱箱体和箱底条形托条23分离，并且采用条形托条支撑土体而非采用整块钢底板支撑土体的优势是可将土体分成竖向切片状，以消减竖向振动时底边界处的模型箱边界效应。方框形剪切箱箱体中条形托条采用相同尺寸、圆框形剪切箱箱体中条形托条尺寸依照箱体发生规则变化(中间长边缘短)。另外，条形托条多少、宽窄、疏密可按照试验实际需求进行设计。

如图所示，内剪切箱底部的每个条形托条23下可以安装一对钢弹簧支座30(或者其他合适的个数)，钢弹簧支座上下底板上可以各留4个螺栓孔，以用于与条形托条23和外模型箱10底板固定。另外，在最底层的围护框架下方也设置有多个钢弹簧支座30，通过钢弹簧支座30与外模型箱10底板固定。图中示出了最底层的围护框架下设置了8个钢弹簧支座30，应该理解的是，钢弹簧支座30的个数以及位置也根据具体需要适当的设置。钢弹簧支座的刚度取决于土箱内土体重量，所有钢弹簧极限变形对应的荷载可近似取0.3-0.7倍模型静止竖向荷载(即自重)，也可按照试验方案中实际施加的竖向加速度进行取值，取值原则例如可以是外荷载竖向加速度叠加自重引起的变形不应超过钢弹簧极限变形的90％。

图4是根据本申请的一个实施方案的摩擦摆串联钢弹簧三维限位支座的剖面结构示意图；图5是图4所示摩擦摆串联钢弹簧三维限位支座的使用状态下的剖面结构示意图；图6是根据本申请的一个实施方案的摩擦摆串联钢弹簧三维限位支座的平面结构示意图。

参考图4-6，本实施方案的摩擦摆串联钢弹簧三维限位支座22可以包括摩擦板上顶板221、摩擦板下底板222、钢弹簧下底板223、多个钢弹簧体224以及多个限位套筒225。

摩擦板上顶板221与摩擦板下底板222之间滑动连接，使得摩擦板上顶板221能够沿着摩擦板下底板222的上表面沿任意水平方向滑动。例如，摩擦板上顶板221与摩擦板下底板222之间通过连接件连接，该连接件包括上固定连接件2211以及下活动连接件2212，上固定连接件2211固定在摩擦板上顶板221的下表面的中央，并且固定连接件2211下表面上形成球面凹陷，下活动连接件2212的上部形成有与球面凹陷相配合的球面凸起，下活动连接件2212的下部底面放置在摩擦板下底板222的作为凹曲面的上表面上。下活动连接件2212受力时能够沿着凹曲面而随受力方向滑动，并带动摩擦板上顶板221移动。另外，可以在摩擦板上顶板221的下表面的周边形成有突起，以防止摩擦板上顶板221与摩擦板下底板222在水平方向脱离。并且，可以将摩擦板下底板222的上表面形成为平坦面，使得摩擦板上顶板221在水平滑动过程中能够保持初始高程。

限位套筒225的上套筒固定在摩擦板下底板222的下表面上，限位套筒225的下套筒固定在钢弹簧下底板223的上表面上，钢弹簧体224设置在上套筒与下套筒二者嵌套所形成空间中。参考图6，可以在摩擦板下底板222于钢弹簧下底板223之间设置5个限位套筒225以及5个相应的钢弹簧体224。如图所示，限制钢弹簧体水平运动的水平限位套筒可以为空心圆柱，其内表面可以覆盖特氟龙涂层以降低摩擦力。

在摩擦摆串联钢弹簧三维限位支座22中，摩擦板上顶板221与钢弹簧下底板223分别连接相邻的两层围护框架21或者分别连接最底层的围护框架和箱底条形托条22。由此可以在摩擦板上顶板221以及钢弹簧下底板223上形成安装孔，相应地，在围护框架和箱底条形托条的相应部位也形成安装孔，通过安装孔将这些部件连接起来。

摩擦摆串联钢弹簧三维限位支座的尺寸应与内剪切箱各围护组件尺寸相协调，每层支座提供水平运动能力的摩擦摆部分设计参数可以相同，但其提供竖向变形的钢弹簧体224参数可以从上到下依次增大刚度，刚度增加幅度取决于每层围护组件对应的土体重量，每层摩擦摆串联钢弹簧三维限位支座22的极限变形对应的荷载可近似取0.3-0.7倍模型中上部各层围护框架对应的土体重量。

另外，根据本发明的实施方案，测试隔振屏障场地隔振效应的三维模型土箱还可以包括设置在外模型箱10与内剪切箱20之间的粘弹性液体或阻尼器，以用于吸收能量，或者用于振动时的消能。

现有振动台上土体剪切箱试验常常是模拟远场地震源强产生的平面波到达研究区域范围内的地基土，从而产生地基土的振动，因此模型剪切土箱(有时是地基土和地基土上的结构)是需要搬上振动台开展实验的，因为这样可以很好的模拟地基土在惯性力的作用下的振动形态。但是振动台上土箱的尺寸及模型重量受制于振动台的尺寸和驱动力大小，如果振动台尺寸小载重低则模型尺寸就会受到较大限制。

研究发现，对于以近场地表(或近地表)例如地铁或列车运行引起的地表或近地表土体(包括近地表地基土中的结构)振动时，振动传递路径是从列车激发土地振动向远处辐射的过程。往往可以简化为地基土体被地表人工源强激发振动，因此可以不用将模型土箱搬到振动台上开展实验。

振动台却可以作为先进的可控人工振源，将原位试验中采集到的钢轨或轨道板振动施加给与振动台刚性连接的振动锤头，使其可控的驱动地基土体振动将是一种优秀的振源，结合本发明的三维试验土箱，将能够良好的模拟列车通过所致隔振屏障场地土隔振效应。

因此，本发明还提供了一种新式的用测试隔振屏障场地隔振效应的系统。该试验系统利用振动台重现实测振动，并结合本发明的三维模型土箱可实现″利用小规模场地土模型模拟实际大尺度场地土″的技术方案。

图7是根据本申请的一个实施方案的测试隔振屏障场地隔振效应的系统的结构示意图(地表源)；图8是根据本申请的一个实施方案的测试隔振屏障场地隔振效应的系统的结构示意图(地下源)；图9是根据本申请的一个实施方案的与振动台刚性连接的刚性锤头剖面结构示意图。

参考图7-9，所述系统可以包括振动台40以及本发明的三维模型土箱。所述振动台40可以包括振动台台面41、与振动台台面41刚性连接的锤头42、加载板43、振动台作动器44、以及振动台基础45。刚性连接的锤头42可以通过带螺栓孔连接端板46以及刚性连接杆47连接至振动台台面41。

以列车通过时轨道的振动为例，来进一步说明本发明的测试隔振屏障场地隔振效应的方法。为了模拟地表列车通过产生的振动，将实际列车通过时在实际轨道或道床采集到的钢轨或轨道板振动施加给与振动台刚性连接的振动锤头，锤头42接触设置在三维模型土箱上的加载板43，以模拟实际列车通过时对地面的振动激励。并且在三维模型土箱中设置竖向隔振屏障50，将三维模型土箱中的土体进行分隔，振动台40在隔振屏障50的一侧加载振动。然后可以检测隔振屏障50两侧的振动，由此测试隔振屏障的隔振效果。

为了防止刚性锤头往上提时和加载板43脱离从而无法达到一直均为受迫振动的工况，可以考虑试验开始前刚性锤头和加载板之间施加预压力，预压力大小可以通过预压位移控制，预压位移指锤头和加载板刚刚接触为零点后继续往下施加的位移，预压位移可以通过施加给振动台加速度信号二次积分获取的最大位移并增加20％为限。

另一种防止刚性锤头往上提时和加载板脱离的方法是将加载板埋入地基土模型一定深度，并将刚性锤头用软链接48与加载板43固定(软链接可承受拉力但无法承受压力)，实验开始时刚性锤头与加载板接触，当锤头向下运动时，软链不起作用，当锤头向上运动欲脱离加载板时，软链会将锤头产生的荷载施加给加载板。进一步的，可以将锤头与埋入地基土模型的加载板进行硬连接，这样有意识的不让锤头与加载板脱离。如果是模拟地表列车通过对地基土施加的振动，埋入地基土模型的加载板以模型表面往下30％总深度为宜。

也可以将加载板埋入指定的深度(图8)，并将锤头与埋入地基土模型的加载板进行硬连接，从而可以模拟不同埋深隧道下地下线列车通过时施加给轨道板的振动。

另外，可以沿着加载板方向安装两个以上的锤头，以模拟列车轮对的影响。

应当理解，以上公开的以及其他特征和功能的变型或其替代可以组合到许多其他不同的系统或应用中。本领域技术人员可以随后进行其中各种目前无法预料或无法预料的替代，修改，变化或改进，这些替代，修改，变化或改进也意在由所附权利要求书所涵盖。