[发明专利]一种可实现双向高频振动的土-结构接触面剪切试验装置

说明书

本发明涉及一种可实现双向高频振动的土‑结构接触面剪切试验装置，包括试验单元、加载单元及测控单元，试验单元包括试验台、设置在试验台上的上剪切盒固定机构、设置在上剪切盒固定机构上的上剪切盒、设置在试验台上的双滑轨运动平台、设置在双滑轨运动平台上的托盘以及设置在托盘上并位于上剪切盒下方的结构面板，加载单元包括分别与托盘相适配的X向音圈电机加载机构、Y向音圈电机加载机构以及与上剪切盒相适配的Z向加载机构。与现有技术相比，本发明实现了接触面双向高频振动与静力剪切联合加载、多响应量同步采集，避免了剪切过程中上剪切盒与结构面板产生摩擦，实现了高频振动过程中垂向压力的稳定施加。

技术领域

本发明属于土工试验技术领域，涉及一种可实现双向高频振动的土-结构接触面剪切试验装置，适用于研究振动环境下散体材料(砂、砾石等)与连续体材料(混凝土、钢材等)之间的接触面力学特性，尤其可用于研究单/双向高频振动联合静力剪切条件下的散体材料-连续体材料接触面力学特性。

背景技术

轨道交通系统引发的振动包含大量高频成分。当前，时速300km的既有高速铁路系统中，高架桥桥墩顶振动优势频率达到250-350Hz^[1]，沿线地基中也存在大量高达60Hz的高频振动成分^[2][3]。地铁运行诱发的隧道壁振动频率集中在50Hz以上，更高频成分甚至达到1000Hz^[4][5]。如此高频的振动传递至土-结构接触面时，会导致接触面产生流化^[6]，从而导致承载力降低、结构沉降增大等危害，直接威胁轨道交通结构的服役安全。土-结构接触面在轨道交通系统中，尤其在其基础结构中大量存在，如高铁桩基的桩-土体接触面、隧道结构的隧道壁-土体接触面。因此，研究高频振动下的土-结构接触面的力学特性具有十分重要的学术和工程意义。

目前，用于研究土-结构接触面力学特性的试验设备主要为直剪、单剪形式的接触面剪切仪。公开号为CN102607966A的中国发明专利公开了一种循环荷载作用大型接触面特性直剪仪，其在直剪仪框架中引入了伺服电机和自动升降机装置，代替原有的垂向荷载施加装置，实现了界面在法向循环荷载作用下的剪切特性试验研究。公开号为CN110174317A的中国发明专利公开了一种接触面双向剪切试验装置，其在传统接触面剪切仪基础上，增设X/Y向剪切传动装置、X/Y向推动装置和X/Y向移动装置，实现了接触面不同方向受力变形特性的试验研究。公开号为CN210376010U的中国实用新型专利公开了一种用于模拟动力接触问题的界面振动单剪试验装置，其采用了电磁式振动台，实现了对接触面施加高频振动的效果。

综上所述，当前的接触面剪切仪已经可以分别单独实现法向低频循环加载、双向静态剪切、切向单向高频振动加载的单一效果，还无法实现切向双向高频振动联合静力剪切的加载方式，难以模拟轨道交通系统中土-结构接触面的真实受力情况。此外，切向高频振动引发法向惯性力导致的接触面法向力波动的问题，是本类型试验仪器亟需解决的另一个技术难题。

参考文献：

[1]Feng SJ,Zhang XL,Wang L,et al.In situ experimental study on highspeed train induced ground vibrations with the ballast-less track[J].SoilDynamics and Earthquake Engineering,2017,102:195–214.

[2]Zhai W,Wei K,Song X,et al.Experimental investigation into groundvibrations induced by very high speed trains on a non-ballasted track[J].SoilDynamics and Earthquake Engineering,2015,72:24-36.

[3]李小珍,陈桂媛,朱艳,等.高速铁路轨道-桥梁-土体系统的振动传递特性试验研究[J].振动与冲击,2019,38(17):58-64.