CN108179767A - 一种可视化地铁车站及区间液化上浮的试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可视化地铁车站及区间液化上浮的试验装置及方法，它解决了现有技术中地铁车站模型造价较高、土层的饱和性不够的问题，具有能够有效研究地震液化对地铁结构上浮响应的影响、实时监测试验数据的效果；其技术方案为：包括模型箱、工业相机和数据采集系统，模型箱的内部具有非液化土层和液化土层，液化土层中设置地铁车站；模型箱的底部连接加载系统，通过加载系统模拟地铁车站的震动过程，工业相机将拍摄到的实时震动信息传输至数据采集系统。
Description
技术领域
本发明涉及地下工程抗震领域，尤其涉及一种可视化地铁车站及区间液化上浮的试验装置及方法。
背景技术
随着城市的快速发展，全国范围内掀起了地铁工程及地下工程建设的浪潮，而地下土层的种类和特性呈多样性和复杂性。经历过多次灾难性地震后，国家相关部门及民众越来越重视抗震和防震措施的研究，多次在规范中提高抗震设防的等级，上海市制定了《地下铁道交通结构抗震设计规范》DG/TJ 08，住建部颁布了《城市轨道交通结构抗震设计规范》GB50909，对地铁抗震设计提出了严格要求。由地震荷载造成的饱和砂土地基液化是典型的地震灾害之一，对处于液化场地上的地铁车站及区间结构会造成液化上浮的灾害。
如在日本的阪神地震(1995年)、中国的汶川地震(2008年)和3.11大地震(2011年)等均发现了地基液化造成的地震灾害，神户市地铁车站和区间发现多处地震液化造成的结构损坏，同时也发现很多浅埋的地下结构由于地震液化而浮出地面的现象。目前采用1-G振动台试验和离心机振动台试验对地震液化进行研究。
但由于试验系统复杂，仍存在以下问题：
(1)模型的制作比较昂贵；
(2)砂土的饱和技术不完善；
(3)难以定量分析。
综上所述，现有技术中对于如何有效模拟地铁车站液化上浮的问题，尚缺乏有效的解决方案。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种可视化地铁车站及区间液化上浮的试验装置及方法，采用地铁车站和区间一体模型，其具有能够有效研究地震液化对地铁结构上浮响应的影响、实时监测试验数据的效果。
本发明采用下述技术方案：
一种可视化地铁车站及区间液化上浮的试验装置，包括模型箱、工业相机和数据采集系统，模型箱的内部具有非液化土层和液化土层，在液化土层中设置地铁车站；模型箱的底部连接加载系统，通过加载系统模拟地铁车站的震动过程，工业相机将拍摄到的实时震动信息传输至数据采集系统。
进一步的，非液化土层和液化土层中设有加速度传感器和多个孔压传感器，孔压传感器设置在不同深度；地铁车站上安装位移传感器和加速度传感器。
进一步的，所述加速度传感器、孔压传感器和位移传感器通过数据线连接数据采集系统。
进一步的，所述模型箱的底部通过底座与振动台固定连接，所述振动台与加载系统相连。
进一步的，所述模型箱与工业相机相对一侧设置有机玻璃面，有机玻璃面上设有网格线；工业相机的拍摄方向垂直于有机玻璃面。
进一步的，所述模型箱的顶部具有吊环。
进一步的，所述地铁车站采用有机玻璃制成，地铁车站的外侧为有机玻璃制成的地铁区间；所述地铁车站为顶板、中板和底板形成的双层结构，所述顶板、中板和底板之间通过中柱和侧墙相连；顶板、中板、底板、中柱和侧墙上分别设有贴附应变片。
进一步的，所述模型箱的顶部设有入水口，入水口连接具有阀门的水管；模型箱的底部设有出水口。
可视化地铁车站及区间液化上浮的试验装置的试验方法，包括以下步骤：
步骤(1)清洗模型箱、地铁车站和地铁区间，在地铁车站和地铁区间上涂覆易于工业相机识别的颜色；
步骤(2)将模型箱固定在振动台上，并将应变片贴在地铁车站和地铁区间相应位置；
步骤(3)制备非液化土层和液化土层；
步骤(4)将加速度传感器、孔压传感器、位移传感器的数据线与数据采集系统连接，并调试待用；
步骤(5)静置24小时；
步骤(6)架设工业相机，调整拍摄角度；将工业相机与数据采集系统连接并调试；
步骤(7)打开工业相机，启用数据采集系统，启动加载系统，输入地震波时程，进行地震动试验；
步骤(8)试验结束，关闭加载系统及数据采集系统，保存数据；
步骤(9)通过模型箱底部出水口放水，清理试验现场；
步骤(10)对数据进行处理。
进一步的，所述步骤(3)中，首先向模型箱内加水，让水面达到设定高度，然后向模型箱撒入不可液化黏性土制备非液化土层；继续用砂雨法制备液化土层，达到设定高度时，将地铁车站模型和地铁区间模型放入模型箱，继续撒入砂土达到预定的高度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用地铁车站和区间一体模型，能够实现地震振动作用下地铁车站和地铁区间的动力响应试验，为地铁抗震提供试验依据；且本发明试验装置操作简单、方便，提高试验效率；
(2)本发明设置工业相机和数据采集系统，工业相机将拍摄到的试验情况实时传输至数据数据采集系统，能够实现全过程数据实时采集及收集；并且可输入不同的地震波数据，获得不同地震强度下的地铁结构响应；
(3)本发明通过孔压传感器记录试验过程中土层超孔压的发展过程，测试土层的液化情况；通过加速度传感器记录地铁结构的加速度响应及土层的加速度响应；并且在地铁车站及地铁区间贴附应变片，能够获得地铁车站及地铁区间的内力分布，通过分析得出地震过程中较薄弱的部位；
(4)本发明采集到的试验数据采用数字图像处理技术获得连续的试验结果，使得结果更直观。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明的主体部分结构示意图；
图2为本发明的俯视图；
图3为本发明的地铁车站主视图；
其中，1-加载系统，2-振动台，3-底座，4-非液化土层，5-液化土层，6-孔压传感器，7-位移传感器，8-加速度传感器，9-地铁车站，10-地铁区间，11-模型箱，12-工业相机，13-数据采集系统，14-数据线，15-吊环，16-有机玻璃，17-顶板，18-侧墙，19-中板，20-中柱，21-底板。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在地铁车站模型造价较高、土层的饱和性不够的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种可视化地铁车站及区间液化上浮的试验装置及方法。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1-图3所示，提供了一种可视化地铁车站及区间液化上浮的试验装置，包括模型箱11、振动台2、加载系统1、地铁车站9、地铁区间10、工业相机12和数据采集系统13，工业相机12与数据采集系统13通过数据线14相连，用于实时监测试验数据。
所述振动台2固定连接于加载系统1的上部，所述加载系统1为现有振动加载系统，此处不再赘述。
振动台2的上部设有底座3，所述底座3采用钢板制成；底座3与振动台2之间为螺栓连接；底座3的上部固定模型箱11，所述底座3的尺寸大于模型箱11的底部尺寸。
所述模型箱11呈矩形，其框架由三角钢架搭建，并配有肋梁保证结构的刚度；模型箱11的内部从下至上依次设置非液化土层4、液化土层5和地铁车站9，地铁车站9的两侧对称设置地铁区间10。
模型制备过程中保证土层为饱和的，采用砂雨法进行土层饱和。
所述模型箱11的顶部四个角均设置吊环15，方便吊装。
所述地铁车站9的截面呈矩形，采用有机玻璃制成。
如图3所示，所述地铁车站9为双层车站，包括顶板、中板和底板，所述顶板、中板和底板的中部通过中柱相连，顶板、中板和底板的两端分别通过侧墙相连；在顶板、中板、底板和立柱上贴附应变片，用于测试车站不同部位的内力及弯矩值。
所述地铁区间10采用有机玻璃制成，地铁区间10为环形隧道，模拟盾构隧道，在地铁区间10的顶部、中部和底部分别贴应变片，测试地铁区间10顶部、中部、底部的内力及弯矩值。
在液化土层5和非液化土层4中的不同深度埋设孔压传感器6，通过孔压传感器6记录试验过程中土层超孔压的发展过程，测试土层的液化情况；液化土层5和非液化土层4中还设置加速度传感器8；地铁车站10上设置位移传感器7，地铁区间10上设置加速度传感器8；通过加速度传感器8记录地铁结构的加速度响应及土层的加速度响应。
所述孔压传感器6、加速度传感器8、位移传感器7通过数据线14与数据采集系统13相连。
所述模型箱11的一侧设置工业相机12，工业相机12拍摄到的模型箱11的一侧由有机玻璃制成，便于试验过程中观察和记录箱内土层及地铁车站和区间的运动情况；有机玻璃上设有网格线；工业相机12拍摄方向为有机玻璃的法线方向；所述工业相机12为高速相机，其与数据采集系统13连接用于实时记录。
所述模型箱11的顶部设有入水口，在饱和土层制作时可向模型箱11内注入无气水；模型箱11的底部设有出水口，在试验结束时将模型箱11内的水放出。
本申请可进行不同地震强度、不同地铁埋深、不同液化土层厚度、不同加固措施下的地铁车站及区间地震液化时的动力响应试验。
可视化地铁车站及区间液化上浮的试验装置的试验方法，包括以下步骤：
步骤(1)将模型箱11、地铁车站9和地铁区间10清洗干净，并将地铁车站9和地铁区间10涂成黑色，方便工业相机12识别；将模型箱11通过螺栓固定在振动台2的上部。
步骤(2)准备好试验所需材料及仪器：
液化砂土、非液化黏土、无气水、应变片、加速度传感器8、孔压传感器6、位移传感器7、数据采集装置等。
准备好所输入的地震加速度时程数据。
步骤(3)将应变片贴在地铁车站9和地铁区间10上，粘贴方法参照应变片的使用说明书。
步骤(4)制备不可液化土层：首先向模型箱11内部加水，让水面达到一定的高度，然后向模型箱11撒入非液化黏性土。
步骤(5)制备可液化土层：参照步骤(4)，采用砂雨法继续制备液化砂土层，达到一定高度时，将地铁车站9和地铁区间10放入模型箱11中，继续撒入砂土达到预定的高度。
步骤(6)将加速度传感器8、孔压传感器6、位移传感器7与数据采集系统13连接，并调试待用。
步骤(7)进行静置24小时，以获得饱和土层。
步骤(8)架设好工业相机12，调整拍摄角度；将工业相机12与数据采集系统13通过数据线连接，并调试好。
步骤(9)打开工业相机12，启用数据采集系统13，启动振动台2的加载系统1，输入地震波时程，进行地震振动试验。
步骤(10)试验结束，关闭加载系统1及数据采集系统13，保存试验数据。
步骤(11)打开出水管上的阀门，通过模型箱11底部的出水口将水放出，并清理模型箱11内的土体及采集设备。
步骤(12)对数据进行处理，采用PIV数字图像技术对工业相机拍摄的照片进行处理，可得出试验介质的位移场、加速度场、应变场等数据。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可视化地铁车站及区间液化上浮的试验装置，其特征在于，包括模型箱、工业相机和数据采集系统，模型箱的内部具有非液化土层和液化土层，液化土层的上部设置地铁车站；模型箱的底部连接加载系统，通过加载系统模拟地铁车站的震动过程，工业相机将拍摄到的实时震动信息传输至数据采集系统。
2.根据权利要求1所述的一种可视化地铁车站及区间液化上浮的试验装置，其特征在于，非液化土层和液化土层中设有加速度传感器和多个孔压传感器，地铁车站上安装位移传感器和加速度传感器。
3.根据权利要求2所述的一种可视化地铁车站及区间液化上浮的试验装置，其特征在于，所述加速度传感器、孔压传感器和位移传感器通过数据线连接数据采集系统。
4.根据权利要求1所述的一种可视化地铁车站及区间液化上浮的试验装置，其特征在于，所述模型箱的底部通过底座与振动台固定连接，所述振动台与加载系统相连。
5.根据权利要求1所述的一种可视化地铁车站及区间液化上浮的试验装置，其特征在于，所述模型箱与工业相机相对一侧设置有机玻璃面，有机玻璃面上设有网格线；工业相机的拍摄方向垂直于有机玻璃面。
6.根据权利要求1所述的一种可视化地铁车站及区间液化上浮的试验装置，其特征在于，所述模型箱的顶部具有吊环。
7.根据权利要求1所述的一种可视化地铁车站及区间液化上浮的试验装置，其特征在于，所述地铁车站采用有机玻璃制成，地铁车站的外侧为有机玻璃制成的地铁区间，所述地铁车站上设有多个贴附应变片。
8.根据权利要求1所述的一种可视化地铁车站及区间液化上浮的试验装置，其特征在于，所述模型箱的顶部设有入水口，模型箱的底部设有出水口。
9.根据权利要求1-8任一所述的可视化地铁车站及区间液化上浮的试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)清洗模型箱、地铁车站和地铁区间，在地铁车站和地铁区间上涂覆易于工业相机识别的颜色；
步骤(2)将模型箱固定在振动台上，并将应变片贴在地铁车站和地铁区间相应位置；
步骤(3)制备非液化土层和液化土层；
步骤(4)将加速度传感器、孔压传感器、位移传感器与数据采集系统连接，并调试待用；
步骤(5)静置24小时；
步骤(6)架设工业相机，调整拍摄角度；将工业相机与数据采集系统连接并调试；
步骤(7)打开工业相机，启用数据采集系统，启动加载系统，输入地震波时程，进行地震动试验；
步骤(8)试验结束，关闭加载系统及数据采集系统，保存数据；
步骤(9)通过模型箱底部出水口放水，清理试验现场；
步骤(10)对数据进行处理。
10.根据权利要求9所述的可视化地铁车站及区间液化上浮的试验装置的试验方法，其特征在于，所述步骤(3)中，首先向模型箱内加水，让水面达到设定高度，然后向模型箱撒入不可液化黏性土制备非液化土层；继续用砂雨法制备液化土层，达到设定高度时，将地铁车站模型和地铁区间模型放入模型箱，继续撒入砂土达到预定的高度。
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