技术领域
[0001] 本
发明涉及桥梁技术以及地质灾害控制技术领域，尤其涉及一种模拟桥梁沉井基础地震动力特性试验系统及方法。
背景技术
[0002] 桥梁沉井基础是一个井筒状的结构物，它是从井内挖土、依靠自身重力克服井壁摩阻力后下沉到设计标高，然后采用
混凝土封底并填塞井孔，使其成为桥梁墩台或其他结构物的基础。地震作为工程建设中常见的地质灾害，其产生的动力效应会对桥梁沉井基础及其周边岩土体产生不良影响，从而影响桥梁整体的
稳定性。其中，沉井基础主要作用是将桥墩传递过来的重力荷载传递到相邻岩土层中去，通过产生的侧摩擦阻力和基础底部岩土体产生的反作用力来保证沉井基础及桥梁结构稳定，因此决定锚碇结构安全与稳定性的关键因素是相邻岩土层能否提供足够的抗力以限制结构位移。地震产生的
地震波在基础周围的岩土体和浇筑的基础中传播时，其振动作用会使介质产生动力响应，使基础周围的岩土体发生不同程度的破裂
变形和
应力变化，使桥梁沉井基础发生位移变形和失稳，从而破坏桥梁体系的静力平衡，对桥梁主体的安全性产生威胁。
[0003] 目前关于沉井施工技术的研究较多，但对于桥梁沉井基础稳定性研究多采用数值模拟技术。数值模拟技术虽然可以更直观地获得锚碇和周围岩土体的动力响应特征，但其计算结果的正确性、可靠性难以保证。因此找到模拟地震荷载下沉井基础稳定性的模型试验方法及系统不仅能为数值模拟的研究成果提供科学的参考及验证，所获得的数据又可用于指导实际施工中振动危害的控制，实现研究结果的定性与定量相结合的分析，因而具有重要的理论和实践意义。
发明内容
[0004] 有鉴于此，本发明的
实施例提供了一种模拟桥梁沉井基础地震动力特性试验系统，其试验过程便于操作，既可实现控制单一变量原则，解决模拟地震振动
波动力荷载加载操作性难的问题，又能够客观直接的反映出地震荷载作用下锚碇及其周围岩土体的稳定性变化规律，为锚碇式桥梁运营阶段的安全稳定性评价提供依据。
[0005] 本发明的实施例提供一种模拟桥梁沉井基础地震动力特性试验系统，包括沉井基础系统、荷载系统以及量测系统；
[0006] 所述沉井基础系统包括试验箱、相似岩土层、沉井箱室以及沉井基础，所述试验箱至少一侧的材质为玻璃，且具有开口向上的内腔，所述相似岩土体填充于所述内腔内，用于模拟周围岩土层，所述沉井箱室具有开口向上的内腔，且固定于所述相似岩土体上，所述沉井基础填充于所述沉井箱室的内腔内，用于模拟实际桥梁沉井基础；
[0007] 所述荷载系统包括静力荷载系统和动力荷载系统；所述静力荷载系统设于所述沉井基础上，用于模拟所述沉井基础受到的上部压力；所述动力荷载系统包括伺服
电机、摆锤以及
泡沫，所述摆锤上端安装于所述
伺服电机的旋
转轴上，所述摆锤下端与所述试验箱相对，所述伺服电机驱动所述摆锤下端来回摆动并锤击所述试验箱，用于模拟不同等级的地震荷载，所述泡沫固定于所述试验箱内
侧壁，用以吸收边界反射的地震波。
[0008] 所述量测系统包括全站仪、高速摄像机、微型
加速度计、爆破振动测速仪
传感器以及微型
压力传感器；所述全站仪设于所述试验箱一侧，用于监测所述相似岩土体的位移量，所述高速摄像机设于所述试验箱为玻璃的一侧，用于监测所述相似岩土体的图像，所述微型加速度计设于所述沉井箱室及沉井基础之间，用于测定所述沉井基础的加速度，所述爆破振动测速仪传感器设于所述相似岩土体中，用于测量地震震动速度，所述微型压力传感器设于所述相似岩土体中，用于测定加载过程中岩土体受到的压力。
[0009] 进一步地，所述试验箱内侧壁与所述沉井基础之间在长度方向的距离大于或等于所述试验箱宽度的1.5倍；和/或，
[0010] 所述沉井基础系统还包括等距离测线，所述等距离测线设于所述试验箱为玻璃的一侧，所述等距离测线的间距为4-6cm。
[0011] 进一步地，所述静力荷载系统包括加载架和砝码，所述加载架设于所述沉井基础上，所述砝码设于所述加载架上，用于提供不同大小的上部压力。
[0012] 进一步地，所述动力荷载系统还包括伺服
控制器，所述
伺服控制器与所述伺服电机电连接，用以控制所述伺服电机的输出功率。
[0013] 进一步地，所述动力荷载系统还包括
支架、主动
齿轮、从动齿轮、转动轴以及
支撑杆；
[0014] 所述支架呈“Π”形设置以具有两个支脚，所述伺服电机固定于其中一所述支脚上，所述主动齿轮固定于所述
旋转轴上，所述从动齿轮具有与所述主动齿轮
外齿相啮和的内齿，所述转动轴一端固定于所述从动齿轮上，另一端固定于所述摆锤上端，所述支撑杆一端固定于另一所述支脚上，另一端与所述摆锤上端可相对转动连接，所述伺服电机驱动所述转动轴转动，带动所述主动齿轮转动，从而带动所述从动齿轮和所述转动轴转动，进而带动所述摆锤转动。
[0015] 进一步地，所述动力荷载系统还包括第一固定
块和第二固定块；
[0016] 所述第一固定块具有开口朝所述转动轴的第一凹槽，所述转动轴远离所述伺服电机的一端固定于所述第一凹槽内，所述第一固定块背离所述第一凹槽的一端与所述摆锤上端固定连接；所述第二固定块具有开口朝所述支撑杆的第二凹槽，所述支撑杆靠近所述伺服电机的一端设于所述第二凹槽内，所述第二固定块背离所述第二凹槽的一端与所述摆锤上端固定连接。
[0017] 进一步地，所述量测系统还包括低频型振动监测仪，所述低频型振动监测仪与所述爆破振动测速仪传感器电连接，用以收集所述爆破振动测速仪传感器的测量数据；和/或，
[0018] 所述量测系统还包括动静态应变测试仪，所述动静态应变测试仪与所述微型压力传感器电连接，用以收集所述微型压力传感器的测量数据。
[0019] 本发明的实施例还提供一种模拟桥梁沉井基础地震动力特性试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0020] S1制作试验模型、布置监测系统：合理概括沉井基础与周围岩土体的相对空间关系，并考虑模型试验相似理论及其模型试验的实际可操作性，得出基本物理量的相似比尺，选取典型研究模型，并制作与沉井基础区域地质条件相似的小比例尺沉井基础试验模型，考虑现有试验条件的局限以及试验研究的目的，将试验模型简化为二维模型，并最终以相似材料模拟周围岩土体，以
钢筋混凝土浇筑试块的形式模拟沉井基础、以加载砝码模拟沉井基础上部压力进行研究；
[0021] S2校核动力荷载系统：在相同条件下制作用于摆锤校核的试验模型，调整伺服电机的功率来改变摆锤的锤击速度，通过爆破振动测速仪传感器来监测，通过振动
频率以及振动加速度及
波形来确定不同功率模拟的相应地震烈度；
[0022] S3模型试验测试与数据记录：通过控制加载架上的砝码个数以及伺服电机功率大小进行加载测试，获取沉井基础在不同压力作用下、不同地震荷载作用下的稳定性变化规律，包括沉井基础位移、沉井基础内部加速度、相似岩土体的应力和加速度变化。
[0023] 进一步地，步骤S1中制作试验模型具体包括以下步骤：
[0024] S11确定相似比：根据“相似三定理”，采用弹塑性方程式和量纲分析方法，确定相似比如下：几何相似比CL＝50，
弹性模量相似比CE＝50，容重相似比Cγ＝1，泊松比、摩擦
角相似比Cμ＝Cφ＝1；
[0025] 确定静力和动力响应相似比根据量纲关系：ξ＝γ×L，ψ＝γ×L3，则压力相似比Cξ3
＝Cγ×CL＝50，集中力相似比ψ＝Cγ×CL ＝125000，应力相似比Cσ＝50，时间相似比Ct＝Cs0.5/Ca0.5＝30，速度相似比Cv＝CL/Ct＝1.7，位移相似比Cs＝CL＝50，加速度相似比Ca＝1；
[0026] S12制作试验箱：试验箱尺寸为(长×宽×高)：200cm×50cm×50cm，所述试验箱内侧壁与所述沉井基础之间在长度方向的距离大于所述试验箱宽度的1.5倍，在相似岩土层前方布置间距为5cm的等距离测线，试验箱前侧采用0.5厘米高强度玻璃，在试验箱内侧采用
砂浆抹面打光处理，并在试验箱内测粘贴泡沫；
[0027] S13制作岩土材料：根据沉井基础
原型，选取黏土、漂石土、红
砂岩以及混凝土四种模型相似材料分别来模拟，材料的配比试验方案选用
正交试验法排布，通过不同配比下试块的抗压强度和弹性模量来确定最合适的配合比，分别以试验得到的配合比混合各组分得到岩土相似材料，分层放入制备好的试验箱中进行锤击夯实，锤击次数与现场密实度相关，并按试验要求埋设微型压力传感器和爆破振动测速仪传感器并留出
连接线与记录测试仪器的接头；
[0028] S14制作沉井基础：模型稳定后，根据沉井基础原型相似所确定的沉井基础几何尺寸、
位置，在上述试验箱的岩土材料中放入
铝合金做的沉井基础模具；根据沉井基础原型，按照确定的相似比例值求得的沉井基础中的
钢筋相似材料，模拟现场对钢筋进行绑扎，浇筑混凝土材料，并通过人工加压和人工开挖的方式使沉井刃脚到达预计位置；待沉井箱室养护稳定后，根据已确定的材料相似比值，按试验得到的配合比混合各组分并充分搅拌后得到的混凝土材料沿井壁倒入沉井箱室中，并人工振捣，在浇筑过程中按试验要求埋设加速度计并留出连接线与记录测试仪器的接头，浇筑完成后按规范要求对沉井基础进行养护。
[0029] 进一步地，步骤S3中模型试验测试具体包括以下步骤：
[0030] S31调节测试系统：控制静力荷载大小为P0＝12N，调节加载系统达到静力平衡，打开加速度测试、压力测试、位移测试、调节测试仪器初始状态，准备测试记录；
[0031] S32加载测试：采用控制单一变量的方式，控制静力荷载为一级P0＝12N，利用动力荷载系统逐级施加I～VIII级地震荷载，共8级，其中根据时间相似比加载时间控制在10秒，加载过程到结束后进行
数据采集读取相应测试仪器的示数；
[0032] S33重复试验：改变静力荷载的大小0.5P0、1.5P0、2P0、2.5P0，分别逐级施加地震荷载，并按照上述流程进行测试与数据采集步骤。
[0033] 本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
[0034] 1、可以实现通过确定合理相似比例尺从而建立相应的物理试验模型，对不同试验原型进行简化分析，实现了对不同工程实际的适应性。通过模拟岩土体的开挖、沉井基础的浇筑、混凝土的养护等过程，有效的仿真模拟了桥梁沉井基础的施工过程，更加贴近工程实际。
[0035] 2、采用静力荷载系统和动力荷载系统的结合，通过摆锤来模拟地震效应，通过改变加载架上砝码的数量来模拟实际工程中沉井基础受到的压力，试验装置简便且具有一定的可靠性，具有能同时控制静力荷载、动荷载大小的功能，能基本实现试验控制单一变量的原则。其中泡沫的加入，实现了沉井基础周围半无限岩体条件的模拟，减少边界对地震波反射的影响，有效保证得到的地震荷载作用下沉井基础的动响应变化规律的可靠性。
[0036] 3、通过量测系统，可实现在模拟地震荷载的加载过程中对沉井基础以及其周边岩土体的内力、位移以及振动速度等动力响应数据的动态量测，为进一步揭示地震荷载作用下沉井基础的动力响应提供试验依据和研究方法。
附图说明
[0037] 图1是本发明提供的模拟桥梁沉井基础地震动力特性试验系统一实施例的主视图；
[0038] 图2是图1中试验系统的俯视图；
[0039] 图3是图1中试验系统的剖面图；
[0040] 图4是图1中动力荷载系统的结构示意图；
[0041] 图5是图4的局部剖面图。
[0042] 图中：1-试验箱、2-相似岩土层、3-沉井箱室、4-等距离测线、5-沉井基础、6-加载架、7-伺服电机、71-旋转轴、8-摆锤、9-伺服控制器、10-泡沫、11-支架、12-主动齿轮、13-从动齿轮、14-转动轴、15-支撑杆、16-第一固定块、161-第一凹槽、17-第二固定块、171-第二凹槽、18-全站仪、19-高速摄像机、20-微型加速度计、21-爆破振动测速仪传感器、22-微型压力传感器。
具体实施方式
[0043] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
[0044] 请参见图1至图5，本发明的实施例提供一种模拟桥梁沉井基础地震动力特性试验系统，包括沉井基础系统、荷载系统以及量测系统。
[0045] 请参见图1至图3，所述沉井基础系统包括试验箱1、相似岩土层2、沉井箱室3、等距离测线4以及沉井基础5，所述试验箱1至少一侧的材质为玻璃，且具有开口向上的内腔，所述试验箱1内侧采用砂浆抹面打光处理，所述相似岩土体填充于所述内腔内，用于模拟周围岩土层，所述沉井箱室3具有开口向上的内腔，且固定于所述相似岩土体上，所述沉井基础5填充于所述沉井箱室3的内腔内，用于模拟实际桥梁沉井基础。所述等距离测线4设于所述试验箱1为玻璃的一侧，所述等距离测线4的间距为4-6cm，本实施例中，间距为5cm。
[0046] 具体的，以实际沉井基础5原型为参考，将试验箱1尺寸(长×宽×高)设为：200cm×50cm×50cm，由于沉井基础5所处的
地层为半无限体，为了尽可能减少模型试验边界效应对模拟真实性的影响，所述试验箱1内侧壁与所述沉井基础5之间在长度方向的距离大于或等于所述试验箱1宽度的1.5倍。
[0047] 请参见图3，所述荷载系统包括静力荷载系统和动力荷载系统。所述静力荷载系统设于所述沉井基础5上，用于模拟所述沉井基础5受到的上部压力；所述静力荷载系统包括加载架6和砝码(图中未示出)，所述加载架6设于所述沉井基础5上，所述砝码设于所述加载架6上，用于提供不同大小的上部压力。
[0048] 请参见图2至图4，所述动力荷载系统包括伺服电机7、摆锤8、伺服控制器9以及泡沫10，所述摆锤8上端安装于所述伺服电机7的旋转轴71上，所述摆锤8下端与所述试验箱1相对，所述伺服电机7驱动所述摆锤8下端来回摆动并锤击所述试验箱1，用于模拟不同等级的地震荷载，所述伺服控制器9与所述伺服电机7电连接，用以控制所述伺服电机7的输出功率。所述泡沫10固定于所述试验箱1内侧壁，用以吸收边界反射的地震波，本实施例中，泡沫10的厚度为5cm。
[0049] 请参见图4和图5，所述动力荷载系统还包括支架11、主动齿轮12、从动齿轮13、转动轴14、支撑杆15、第一固定块16以及第二固定块17。
[0050] 所述支架11呈“Π”形设置以具有两个支脚，所述伺服电机7固定于其中一所述支脚上，所述主动齿轮12固定于所述旋转轴71上，所述从动齿轮13具有与所述主动齿轮12外齿相啮和的内齿，所述转动轴14一端固定于所述从动齿轮13上，另一端固定于所述摆锤8上端，所述支撑杆15一端固定于另一所述支脚上，另一端与所述摆锤8上端可相对转动连接，所述伺服电机7驱动所述转动轴14转动，带动所述主动齿轮12转动，从而带动所述从动齿轮13和所述转动轴14转动，进而带动所述摆锤8转动。
[0051] 进一步地，所述第一固定块16具有开口朝所述转动轴14的第一凹槽161，所述转动轴14远离所述伺服电机7的一端固定于所述第一凹槽161内，所述第一固定块16背离所述第一凹槽161的一端与所述摆锤8上端固定连接；所述第二固定块17具有开口朝所述支撑杆15的第二凹槽171，所述支撑杆15靠近所述伺服电机7的一端设于所述第二凹槽171内，所述第二固定块17背离所述第二凹槽171的一端与所述摆锤8上端固定连接，可增强摆锤8摆动的稳定性。
[0052] 请参见图2和图3，所述量测系统包括全站仪18、高速摄像机19、微型加速度计20、爆破振动测速仪传感器21、微型压力传感器22、低频型振动监测仪(图中未示出)以及动静态应变测试仪(图中未示出)；所述全站仪18设于所述试验箱1一侧，用于监测所述相似岩土体的位移量，所述高速摄像机19设于所述试验箱1为玻璃的一侧，用于监测所述相似岩土体的图像，所述微型加速度计20设于所述沉井箱室3及沉井基础5之间，用于测定所述沉井基础5的加速度，所述爆破振动测速仪传感器21设于所述相似岩土体中，本实施例中，设于所述相似岩土体的下角落处，用于测量地震震动速度，所述微型压力传感器22设于所述相似岩土体中，且均匀分布于所述沉井箱室3外围，用于测定加载过程中岩土体受到的压力。
[0053] 所述低频型振动监测仪与所述爆破振动测速仪传感器21电连接，用以收集所述爆破振动测速仪传感器21的测量数据。所述动静态应变测试仪与所述微型压力传感器22电连接，用以收集所述微型压力传感器22的测量数据。
[0054] 本发明实施例还提供一种模拟桥梁沉井基础地震动力特性试验方法，包括以下步骤：
[0055] S1制作试验模型、布置监测系统：合理概括沉井基础5与周围岩土体的相对空间关系，并考虑模型试验相似理论及其模型试验的实际可操作性，得出基本物理量的相似比尺，选取典型研究模型，并制作与沉井基础5区域地质条件相似的小比例尺沉井基础5试验模型，考虑现有试验条件的局限以及试验研究的目的，将试验模型简化为二维模型，并最终以相似材料模拟周围岩土体，以
钢筋混凝土浇筑试块的形式模拟沉井基础5、以加载砝码模拟沉井基础5上部压力进行研究；
[0056] S2校核动力荷载系统：在相同条件下制作用于摆锤8校核的试验模型，调整伺服电机7的功率来改变摆锤8的锤击速度，通过爆破振动测速仪传感器21来监测，通过振动频率以及振动加速度及波形来确定不同功率模拟的相应地震烈度；
[0057] S3模型试验测试与数据记录：通过控制加载架6上的砝码个数以及伺服电机7功率大小进行加载测试，获取沉井基础5在不同压力作用下、不同地震荷载作用下的稳定性变化规律，包括沉井基础5位移、沉井基础5内部加速度、相似岩土体2的应力和加速度变化。
[0058] 进一步地，步骤S1中制作试验模型具体包括以下步骤：
[0059] S11确定相似比：模型试验不仅要求满足原型及模型的相似性，满足模型几何相似、相似材料物理性质相似、初始状态及边界条件相似，而且要求原型和模型的的弹塑性状态和破坏状态均应符合相似定理，各相似指标需满足一定相似判据，相似判据可根据“相似三定理”，采用弹塑性方程式和量纲分析方法，确定相似比如下：几何相似比CL＝50，弹性模量相似比CE＝50，容重相似比Cγ＝1，泊松比、摩擦角相似比Cμ＝Cφ＝1；
[0060] 确定静力和动力响应相似比根据量纲关系：ξ＝γ×L，ψ＝γ×L3，则压力相似比Cξ＝Cγ×CL＝50，集中力相似比ψ＝Cγ×CL3＝125000，应力相似比Cσ＝50，时间相似比Ct＝Cs0.5/Ca0.5＝30，速度相似比Cv＝CL/Ct＝1.7，位移相似比Cs＝CL＝50，加速度相似比Ca＝1；
[0061] S12制作试验箱1：根据所设定的几何相似比CL＝50，以实际沉井基础5原型为参考，将试验箱1尺寸(长×宽×高)设为：200cm×50cm×50cm，由于沉井基础5所处的地层为半无限体，为了尽可能减少模型试验边界效应对模拟真实性的影响，所述试验箱1内侧壁与所述沉井基础5之间在长度方向的距离大于或等于所述试验箱1宽度的1.5倍，在相似岩土层2前方布置间距为4-6cm的等距离测线4，本实施例中，间距为5cm；在试验箱1内侧采用砂浆抹面打光处理，并在试验箱1内测粘贴泡沫10，本实施例中，泡沫10的厚度为5cm；
[0062] S13制作岩土材料：根据沉井基础5原型，选取黏土、漂石土、红砂岩以及混凝土四种模型相似材料分别来模拟，材料的配比试验方案选用正交试验法排布，通过不同配比下试块的抗压强度和弹性模量来确定最合适的配合比，分别以试验得到的配合比混合各组分得到岩土相似材料，分层放入制备好的试验箱1中进行锤击夯实，锤击次数与现场密实度相关，并按试验要求埋设微型压力传感器22和爆破振动测速仪传感器21并留出连接线与记录测试仪器的接头；
[0063] S14制作沉井基础5：模型稳定后，根据沉井基础5原型相似所确定的沉井基础5几何尺寸、位置，在上述试验箱1的岩土材料中放入
铝合金做的沉井基础5模具；根据沉井基础5原型，按照确定的相似比例值求得的沉井基础5中的钢筋相似材料，模拟现场对钢筋进行绑扎，浇筑混凝土材料，并通过人工加压和人工开挖的方式使沉井刃脚到达预计位置；待沉井箱室3养护稳定后，根据已确定的材料相似比值，按试验得到的配合比混合各组分并充分搅拌后得到的混凝土材料沿井壁倒入沉井箱室3中，并人工振捣，在浇筑过程中按试验要求埋设加速度计并留出连接线与记录测试仪器的接头，浇筑完成后按规范要求对沉井基础5进行养护。
[0064] 进一步地，步骤S3中模型试验测试具体包括以下步骤：
[0065] S31调节测试系统：测试之前，首先控制静力荷载大小为P0＝12N，调节加载系统达到静力平衡，打开加速度测试、压力测试、位移测试、调节测试仪器初始状态，准备测试记录；
[0066] S32加载测试：采用控制单一变量的方式，首先控制静力荷载为一级P0＝12N，利用动力荷载系统逐级施加I～VIII级地震荷载，共8级，其中根据时间相似比加载时间控制在10秒，加载过程到结束后进行数据采集读取相应测试仪器的示数；
[0067] S33重复试验：改变静力荷载的大小0.5P0、1.5P0、2P0、2.5P0，分别逐级施加地震荷载，并按照上述流程进行测试与数据采集步骤。
[0068] 本发明实施例提供的技术方案，可以实现通过确定合理相似比例尺从而建立相应的物理试验模型，对不同试验原型进行简化分析，实现了对不同工程实际的适应性。通过模拟岩土体的开挖、沉井基础5的浇筑、混凝土的养护等过程，有效的仿真模拟了桥梁沉井基础5的施工过程，更加贴近工程实际。
[0069] 采用静力荷载系统和动力荷载系统的结合，通过摆锤8来模拟地震效应，通过改变加载架6上砝码的数量来模拟实际工程中沉井基础5受到的压力，试验装置简便且具有一定的可靠性，具有能同时控制静力荷载、动荷载大小的功能，能基本实现试验控制单一变量的原则。其中泡沫10的加入，实现了沉井基础5周围半无限岩体条件的模拟，减少边界对地震波反射的影响，有效保证得到的地震荷载作用下沉井基础5的动响应变化规律的可靠性。
[0070] 通过量测系统，可实现在模拟地震荷载的加载过程中对沉井基础5以及其周边岩土体的内力、位移以及振动速度等动力响应数据的动态量测，为进一步揭示地震荷载作用下沉井基础5的动力响应提供试验依据和研究方法。
[0071] 在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本
申请请求保护的范围。
[0072] 在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
[0073] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
