一种基于小型振动台模型的岩溶桩基抗震测试试验方法技术领域
本发明涉及一种基于小型振动台模型的岩溶桩基抗震测试试验方法，属于岩溶桩基抗震测试领域。
背景技术
中国是一个地震多发国家，而且是全球大陆地震最频繁、地震灾害最严重的国家。大陆Ⅵ~Ⅸ度地震区占国土面积的80%以上，其中很大一部分为岩溶分布区。随着中国的快速发展，在岩溶地区的工程建设越来越多。岩溶地区工程地质条件复杂，石芽密布的地表以及溶洞的存在都破坏了地基的完整性。特别是当地震来临的时候，溶洞的存在更是加剧了地震的作用。因此，对岩溶地区的地震特点进行研究是非常有必要的。
由于岩溶地区地质条件复杂，分布着大量溶洞，因此在岩溶地区进行公路桥梁桩基施工时，桩基底部难免会出现一个甚至多个溶洞的情况。如果溶洞埋置深度较浅，可以选择让桩基穿过溶洞，如果溶洞埋置深度较深，一般要求将桩基作用在溶洞顶板之上，因此考虑溶洞—桩基共同作用体系的稳定性是工程实践中的一个关键问题。溶洞顶板安全厚度的确定对桩基的稳定性、工程的安全性以及工程造价都有着直接的影响，合理地选取溶洞顶板安全厚度起着至关重要的作用。影响溶洞顶板安全厚度的因素众多，包括地质强度指数、溶洞尺寸、桩径、上覆岩土体物理参数、单桩荷载等，目前针对地震作用下桩基下伏溶洞顶板破坏还没有较好的测试试验装置和方法。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于小型振动台模型的岩溶桩基抗震测试试验方法，该方法采用了设计新颖、结构简单、制作方便、测试容易、测试效率高且测试成本低的测试试验装置。
为了解决上述问题，本发明采用如下技术方案：一种基于小型振动台模型的岩溶桩基抗震测试试验方法，采用基于小型振动台模型的岩溶桩基抗震测试试验装置，该装置包括模型箱和模型桩，所述模型箱底部固定于平台表面的正中间，所述平台上开设有供螺栓穿过以与振动台表面螺栓孔连接的安装孔，所述模型箱内侧与振动方向垂直的两个面分别铺设有一层泡沫板，所述模型箱在两层泡沫板之间填充有进行压实磨平的模型相似材料，所述模型相似材料正中间固定埋设有溶洞模型，所述模型桩下端部固定嵌入模型相似材料中且位于溶洞模型的溶洞顶板中央位置上，所述模型桩上端部固定扣设有用于安放砝码以进行上部荷载施加的桩帽；并按以下步骤进行：
（1）固定装置：通过螺栓穿过平台将基于小型振动台模型的岩溶桩基抗震测试试验装置固定在振动台表面上；
（2）选择地震波：选择E1-Centro波、汶川波或人工地震波，通过振动台自带的控制软件，将输入波的加速度峰值调整为0.05g或0.1g，振动时间按照相似比例Ct=10进行调整，得到各条地震波加速度时程曲线；
（3）加载地震波：振动台只有水平方向的地震动，试验之前先进行一次白噪声激励，根据输出结果得到模型箱的自振频率；试验先进行0.05g的地震波加载，后进行0.1g的地震波加载，每次加载之前都要进行一次白噪声激励，对模型地震响应进行扫描存盘，用来对比模型的地震反应。
优选的，所述模型箱内从下往上依次布置有多个沿溶洞中轴线间隔分布和/或靠近于溶洞中轴线间隔分布的加速度计，所述平台表面上也布置有加速度计。
优选的，所述溶洞模型内布置有位于溶洞周围的应变片。
优选的，所述溶洞模型的溶洞顶板从下往上布置有多个沿溶洞中轴线间隔分布的应变片。
优选的，所述模型桩对应于泡沫板的两侧位置从下往上分别间隔粘贴有多个应变片。
优选的，所述模型桩顶部粘贴有应变片。
优选的，所述模型桩底部布置有土压力盒。
优选的，所述平台、模型箱、模型桩和桩帽的材质均为有机玻璃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：该方法操作简单、易于实现且结果可靠，其采用的基于小型振动台模型的岩溶桩基抗震测试试验装置具有设计新颖、结构简单、制作方便、测试容易、测试效率高且测试成本低的优点，特别适用于影响溶洞顶板安全厚度的地质强度指数、溶洞尺寸、桩径、上覆岩土体物理参数、单桩荷载等因素的测试，为地震作用下桩基下伏溶洞顶板破坏提供了较好的测试试验方法，以便于合理地选取溶洞顶板安全厚度，保证工程安全可靠。
附图说明
图1为基于小型振动台模型的岩溶桩基抗震测试试验装置的主视剖面图。
图2为基于小型振动台模型的岩溶桩基抗震测试试验装置的俯视示意图。
图3为加速度峰值为0.05g的E1-Centro波时程曲线。
图4为加速度峰值为0.05g的汶川波时程曲线。
图中标记：1-模型箱，2-模型桩，3-平台，31-安装孔，4-泡沫板，5-模型相似材料，6-溶洞模型，61-溶洞，62-顶板，7-桩帽，8-加速度计，9-应变片，10-土压力盒。
具体实施方式
为了让本发明的上述特征和优点更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。
如图1~2所示，一种基于小型振动台模型的岩溶桩基抗震测试试验装置，包括模型箱1和模型桩2，所述模型箱1底部固定于平台3表面的正中间，所述平台3上开设有供螺栓穿过以与振动台表面螺栓孔连接的安装孔31，所述模型箱1内侧与振动方向垂直的两个面分别铺设有一层泡沫板4，所述模型箱1在两层泡沫板4之间填充有进行压实磨平的模型相似材料5，所述模型相似材料5正中间固定埋设有溶洞模型6，所述模型桩2下端部固定嵌入模型相似材料5中且位于溶洞模型6的溶洞顶板62中央位置上，所述模型桩2上端部固定扣设有用于安放砝码以进行上部荷载施加的桩帽7。
如图1~4所示，一种基于小型振动台模型的岩溶桩基抗震测试试验方法，采用上述的装置，并按以下步骤进行：
（1）固定装置：通过螺栓穿过平台3将基于小型振动台模型的岩溶桩基抗震测试试验装置固定在振动台表面上；
（2）选择地震波：选择E1-Centro波、汶川波或人工地震波，通过振动台自带的控制软件，将输入波的加速度峰值调整为0.05g或0.1g，振动时间按照相似比例Ct=10进行调整，得到各条地震波加速度时程曲线；
（3）加载地震波：振动台只有水平方向的地震动，试验之前先进行一次白噪声激励，根据输出结果得到模型箱的自振频率；试验先进行0.05g的地震波加载，后进行0.1g的地震波加载，每次加载之前都要进行一次白噪声激励，对模型地震响应进行扫描存盘，用来对比模型的地震反应。
在本发明实施例中，考虑到振动台的承载以及模型的可视性，所述平台3、模型箱1、模型桩2和桩帽7的材质均为有机玻璃，有机玻璃密度为1.2g/cm3，且强度高，耐久性和耐冲击性好。根据缩尺模型的几何相似比，利用两块长26cm×高25cm×厚1cm和两块宽20cm×高25cm×厚1cm的有机玻璃板作为模型箱1的侧板，一块长26cm×宽22cm×厚1cm的有机玻璃板作为模型箱1的底板，组合成一个没有盖子的有机玻璃箱，箱子的内部几何尺寸为20cm宽×长24cm×高25cm；试验时利用提前打好安装孔31的长42cm×宽36cm×厚0.8cm的有机玻璃板作为平台3，配合振动台表面预留的螺栓孔与振动台连接。
在本发明实施例中，对模型箱1进行填充之前，在模型箱1振动方向的两个内侧面（如左右振动，则是左右内侧面）铺设一层厚1cm的泡沫板4，以减少地震波的反射。为了使模型更加均匀，填充时采用分层填充法，每隔5cm为一个阶段，称量相应质量的模型相似材料5进行压实磨平；待到合适位置时将长15cm×宽15cm×高12cm的溶洞模型6固定于模型箱1正中，在其周边继续填充模型相似材料5并压实。将溶洞模型6固定填充之后，将模型桩2固定于溶洞顶板62中央位置，继续填充模型相似材料5，使嵌岩深度为6cm。整体模型干燥之后，加上桩帽7并施加一定荷载即可进行试验。
在本发明实施例中，为了测得不同高程加速度的变化规律，同时观察溶洞61对地震波加速度的影响，所述模型箱1内从下往上依次布置有多个沿溶洞61中轴线间隔分布和/或靠近于溶洞61中轴线间隔分布的加速度计8，所述加速度计8间隔的距离与溶洞61的大小有关，例如在模型相似材料5顶面设置一加速度计，在溶洞模型6顶面设置一加速度计，在溶洞模型6底面设置一加速度计，在模型相似材料5底面设置一加速度计，其中溶洞模型6上方的两个加速度计由于模型桩2的存在只能靠近于溶洞61中轴线间隔分布，溶洞模型6下方的两个加速度计沿溶洞61中轴线间隔分布。为了检测模型的振动加速度与地震波的激励加速度是否相等，所述平台3表面上也布置有加速度计8。上述的加速度计8优先选用自带放大器的ICP加速度传感器，所述ICP加速度传感器为振动台自带的，其型号为WS-ICP-8，它有8个通道，模拟输出信号幅值为±10V，供电电压为200VAC/50Hz。
在本发明实施例中，为了测试岩溶的破坏规律，所述溶洞模型6内布置有位于溶洞61周围的应变片9。由于模型试验的重点在于测试岩溶顶板62的破坏规律，因此应变片9主要布置于岩溶顶板62，即在溶洞模型6的溶洞顶板62从下往上布置有多个沿溶洞61中轴线间隔分布的应变片9，且应该在溶洞模型6预制时进行布置。为了测试模型桩2的变形，所述模型桩2对应于泡沫板4的两侧位置从下往上分别间隔粘贴有多个应变片9。为了测试模型桩2的上部荷载压力，所述模型桩2顶部粘贴有应变片9，该应变片9应在桩帽7固定在模型桩2之前贴在桩顶，试验时上部荷载采用实验室砝码通过桩帽7进行施加。由于应变片9体积较小，粘贴较为不易，在粘贴之前可采用环氧树脂对模型表面进行处理。由于模型较小，应变片9的尺寸和精度是主要考虑的重点，应变片9优先选用高精度电阻式应变片，其型号为BHF350-3AA，该应变片9的敏感栅尺寸为3mm×3mm，基底尺寸为7.5mm×4.5mm，灵敏系数为0.5%。
在本发明实施例中，为了测得上部土体的压力，特别是桩底对岩溶顶板62的作用力，所述模型桩2底部布置有土压力盒10。鉴于模型尺寸较小，土压力盒10的尺寸效应会影响模型的变形与破坏，因此土压力盒10优先选用薄膜式压力传感器，其型号为ArduinoFSR4020.5"，该薄膜式压力传感器是将施加在FSR传感器薄膜区域的压力转换成电阻值的变化，从而获得压力信息。该薄膜式压力传感器重量轻，体积小，感测精度高，可忽略尺寸效应的影响。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可以得出其他各种形式的基于小型振动台模型的岩溶桩基抗震测试试验方法。凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。