CN110847250A - 考虑渗流的加载对轨道交通影响的可视化试验模型及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑渗流的加载对轨道交通影响的可视化试验模型及方法,土质模拟系统填充在模型箱内;轨道交通模型置于模型箱中,并由土质模拟系统包围覆盖;轨道交通模型下方设置多个铁球;荷载模拟系统用于向模型箱中的土质模拟系统施加由上而下的荷载;渗流场系统用于向模型箱中加注液体模拟渗流场;CT测量系统对模型箱进行扫描,识别出模型箱在荷载模拟系统及渗流场系统作用下土质模拟系统内的铁球的位置变化,分析渗流场动静加载下对轨道交通模型的影响和土体位移场的变化。本发明实现了渗流场下加载对临近轨道交通安全运营的影响的可视化试验模型及方法,装置简单,操作方便,经济可行性高。

Description

考虑渗流的加载对轨道交通影响的可视化试验模型及方法
技术领域
本发明设计土木工程可视化领域,具体涉及一种考虑渗流场的加载对临近轨道交通影响的可视化试验模型及方法。
背景技术
随着城市轨道交通的迅速发展和地下空间开发技术的完善,城市地铁建设带动了沿线房地产开发的热潮,基坑的开挖和高层或超高层商品房的建设对隧道结构和地铁列车正常运营产生了巨大威胁。现有的技术中多运用有限元软件进行数值模拟和实际工程监测,由于土体内部的复杂性,有限元软件很难进行准确的模拟,实际工程监测耗费较高、时间较长,且是一个不可逆过程,即若基坑开挖导致地铁隧道隆起变形或高层建筑使周围土体下沉,严重影响了地铁的安全运营,甚至会造成不可估算的损失。因此,提出一种既经济又技术可行的技术方案是十分必要的。
现有技术中,中国发明专利“一种沉桩过程中土体位移场可视化试验装置及使用方法”(授权号CN103967057B),公开了一种利用透明土替代原土,沉桩试验过程中使用CCD相机连续拍摄,结合图像处理技术获得土体内部的连续变形特征。中国申请发明专利“一种渗流行车动荷载下路基土体位移场与渗流场可视化的试验装置和试验方法”(公开号108333328A),公开了一种利用透明土替代原土,在模型箱底部添加进水孔模拟渗流场,并在反力架上安装液压油泵装置、伺服作动臂和滚轮等模拟动荷载,试验时利用CCD相机进行连续拍照,实现路基土体位移场和渗流场场可视化观测。
综合分析上述专利的模型试验系统,还存在以下不足之处:
1、未考虑渗流场水方向对试验的影响;
2、用CCD拍照,后期图像数据提取有较大误差;
3、所获得的图像均为二维,难以形象描述土体内部位移场变化;
4、未考虑建筑物开挖、新建或轨道线路对临近轨道交通隧道安全运营的影响。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足和缺陷,解决了建筑物开挖、新建或轨道线路对临近轨道交通隧道和土体场位移变化不可见的难题,提出一种考虑渗流场的加载对临近轨道交通影响的可视化试验模型及方法,以达到模型试验可视化的目的。
为实现上述目的,本发明采用采用如下技术方案:
一种考虑渗流的加载对轨道交通影响的可视化试验模型,包括模型箱、土质模拟系统、轨道交通模型、荷载模拟系统、渗流场系统和CT测量系统;
土质模拟系统填充在模型箱内;
轨道交通模型置于模型箱中,并由土质模拟系统包围覆盖;
轨道交通模型下方设置多个铁球;
荷载模拟系统用于向模型箱中的土质模拟系统施加由上而下的荷载;
渗流场系统用于向模型箱中加注液体模拟渗流场;
CT测量系统对模型箱进行扫描,识别出模型箱在荷载模拟系统及渗流场系统作用下土质模拟系统内的铁球的位置变化,分析渗流场动静加载下对轨道交通模型的影响和土体位移场的变化。
进一步地,所述的模型箱为有机玻璃组合而成的无盖箱体;所述模型箱上设置多个出水孔和多个与渗流场系统连通加注液体的进水孔。
进一步地,所述的土质模拟系统包括铺设在模型箱下部的透水石和填充在透水石上部的透明土。
进一步地,所述的轨道交通模型包括地铁隧道模型和位于地铁隧道模型内的地铁列车模型。
进一步地,所述的荷载模拟系统包括反力架、由反力架支撑的朝向模型箱中土质模拟系统的动静加载仪和用于测量动静加载仪施加荷载的拉压力传感器。
进一步地,所述的渗流场系统包括水箱、连接水箱与模型箱的导水管和设置在导水管上的流量计。
进一步地,所述的CT测量系统包括X射线发射装置、X射线接受装置和图像重建分析系统;X射线发射装置和X射线接收装置相互配合,X射线发射装置发射的X射线穿过模型箱被X射线接收装置接收,接收的X射线发送给图像重建分析系统。
进一步地,所述的透明土采用15#白矿油和正十二烷混合液与无定形硅石粉末按设定的质量比混合,经真空除气和加压固结制备而成。
进一步地,所述的动静加载仪还包括拉压力调节器,用于调整加载类型和荷载大小。
一种考虑渗流的加载对轨道交通影响的可视化试验方法,包括以下步骤:
(1)往模型箱底部分层放入透水石至指定位置,在透水石上分层填入透明土,当至设计位置时布设多个铁球用以识别土体位移场变化,在铁球上放入轨道交通模型,继续往模型箱里填充透明土;
(2)由CT测量系统对模型箱进行CT扫描、三维图像重建;
(3)荷载模拟系统向模型箱中的土质模拟系统施加由上而下的荷载;渗流场系统向模型箱中加注液体模拟渗流场;
(4)CT测量系统对模型箱进行扫描,识别出模型箱在荷载模拟系统及渗流场系统作用下土质模拟系统内的铁球的位置变化,建立三维图像,分析得到渗流场动静加载下对轨道交通模型的影响和土体位移场的变化。
进一步地,所述的透明土采用体积比为2.5:1的15#白矿油和正十二烷混合液与无定形硅石粉末按质量比5:1混合。
进一步地,所述的渗流场系统还包括水位控制阀,用以确保渗流场水头的恒定。
进一步地,所述的CT测量系统还包括密闭外壳体、警报器、控制面板、紧急开关和平开门。
本发明具有以下有益效果:
(1)本发明试验装置简单、易操作,所需费用低,可重复使用;
(2)本发明技术可根据需求调整渗流场方向和渗流场水头,也可根据工程实际状况,调整动静荷载;
(3)本发明技术创新性地将透明土技术和CT扫描技术相结合,解决了传统模型试验中土体内部和位移场不可测的缺陷,实现了模型试验过程中地铁隧道结构和土体位移场变化的无损可视化检测;
(4)本发明技术采用CT机图像采集控制系统进行三维图像重建,可简易、方便的观察到地铁隧道的沉降变化,以及路基内部变化;
(5)本发明拆装方便、改造简单,可广发应用于其他岩土工程类似领域。
附图说明
图1为本发明横断面示意图;
图2为本发明纵断面示意图;
图3为本发明俯视示意图(不包含荷载模拟系统);
图4为CT测量系统示意图。
图中标注:1.1—有机玻璃;1.2—螺栓;1.3—进水孔;1.4—进水孔开关;1.5—出水孔;1.6—出水孔开关;2.1—透水石;2.2—透明土;3.1—地铁隧道模型;3.2—列车模型;4.1—顶板;4.2—拉杆;4.3—底板;4.4—底板洞口;4.5—动静加载仪;4.6—拉压力传感器;4.7—压力板;5.1—水箱;5.2—导水管;5.3—流量计;5.4—水位控制阀;6.1—X射线发射装置;6.2—X射线接受装置;6.3—密闭外壳体;6.4—警报器;6.5—控制面板;6.6—紧急开关;6.7—平开门;6.8—图像重建分析系统;6.9—小铁球。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
参见图1-4,本实施例中,考虑渗流的加载对轨道交通影响的可视化试验模型,包括模型箱、土质模拟系统、轨道交通模型、荷载模拟系统、渗流场系统和CT测量系统。土质模拟系统填充在模型箱内。轨道交通模型置于模型箱中,并由土质模拟系统包围覆盖。轨道交通模型下方设置小铁球6.9。荷载模拟系统用于向模型箱中的土质模拟系统施加由上而下的荷载。渗流场系统用于向模型箱中加注液体模拟渗流场。CT测量系统对模型箱进行扫描,识别出模型箱在荷载模拟系统及渗流场系统作用下土质模拟系统内的小铁球的位置变化,分析渗流场动静加载下对轨道交通模型的影响和土体位移场的变化。
所述的模型箱由有机玻璃1.1组合的无盖箱体,所述的有机玻璃1.1通过螺栓1.2连接,所述模型箱周围四面有进水孔1.3,所述模型箱底面有出水孔1.5。
所述的土质模拟系统由箱底铺设的透水石2.1和上面填入的透明土2.2组成。
所述的轨道交通模型包括地铁隧道模型3.1和地铁列车模型3.2。
所述的荷载模拟系统由反力架、动静加载仪4.5、拉压力传感器4.6和压力板4.7组成。
所述的渗流场系统由水箱5.1、导水管5.2、流量计5.3和水位控制阀5.4组成。
所述的CT测量系统主要由X射线发射装置6.1、X射线接受装置6.2、图像重建分析系统6.8组成;X射线发射装置和X射线接收装置相互配合,X射线发射装置发射的X射线穿过模型箱被X射线接收装置接收,接收的X射线发送给图像重建分析系统。
所述有机玻璃1.1夹角使用橡胶密封条密封,左右立面有机玻璃1.1各有三个进水孔1.3,前后立面有机玻璃各有两个进水孔1.3,模型箱底面有三个出水孔1.5。
所述的透明土2.2采用体积比为2.5:1的15#白矿油和正十二烷混合液与无定形硅石粉末按质量比5:1混合制备而成,主要包括材料混合、真空除气和加压固结三个步骤。
所述的动静加载仪4.5还包括拉压力调节器,用于调整加载类型和荷载大小,反力架由顶板4.1、拉杆4.2和底板4.3组成,其中拉杆4.2为特种铝合金制成,X射线可穿透,底板4.3上有三个正方形洞口,正对模型箱底面出水孔1.5。反力架用于支撑动静加载仪4.5。
所述的渗流场系统还包括水位控制阀5.4,用以确保渗流场水头的恒定,所述的水箱5.1底部设有导水管5.2,另一端与模型箱进水孔1.3相连,导水管5.2上设有流量计5.3和进水孔开关1.4。
所述的CT测量系统还包括密闭外壳体6.3、警报器6.4、控制面板6.5、紧急开关6.6和平开门6.7,所述小铁球的直径为1~2mm。
一种考虑渗流场的加载对临近轨道交通影响的可视化试验方法,包括以下技术步骤:
试验材料的准备:包括透明土制作、地铁及隧道模型制作和其他材料;
动静加载仪的组装:顶板和底板通过拉杆连接,动静加载仪固定于顶板上;
渗流场系统的安装:首先将水箱固定于设计位置,使用导水管连接水箱底部与模型箱的进水孔,导水管上安装有流量计,在模型箱进水孔处装有止水夹;
往模型箱底部分层放入透水石至指定位置,接着往透水石上分层填入透明土,当至设计位置时布设小铁球以便识别土体位移场变化,放入地铁隧道及列车模型,继续往模型箱里填透明土;
将填完透明土的模型箱放入反力架上,并一起放入CT机里;
打开CT机开关,进行CT扫描,并利用图像采集控制系统进行三维图像重建;
关闭止水夹和出水孔,往水箱里添加水至设计位置;
打开止水夹和动静加载仪,进行试验,并利用CT机进行扫描;
试验结束后,通过图像采集控制系统建立的三维图像,得到渗流场动静加载下对临近轨道交通的影响和土体位移场的变化过程。
按照上述步骤可以实现不同渗流场水头和渗流场水方向,以及不同动静荷载的模型试验,可以获得相关试验数据和图形。同时也可研究考虑渗流场的加载对临近建筑物或轨道交通的影响,并不局限于地铁隧道。本发明的保护范围不限于上述具体实施方式。
以上实施例得说明只是用于帮助理解本发明得方法及其核心思想;同时,对于本领域得一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种考虑渗流的加载对轨道交通影响的可视化试验模型,其特征在于:包括模型箱、土质模拟系统、轨道交通模型、荷载模拟系统、渗流场系统和CT测量系统;
土质模拟系统填充在模型箱内;
轨道交通模型置于模型箱中,并由土质模拟系统包围覆盖;
轨道交通模型下方设置多个铁球;
荷载模拟系统用于向模型箱中的土质模拟系统施加由上而下的荷载;
渗流场系统用于向模型箱中加注液体模拟渗流场;
CT测量系统对模型箱进行扫描,识别出模型箱在荷载模拟系统及渗流场系统作用下土质模拟系统内的铁球的位置变化,分析渗流场动静加载下对轨道交通模型的影响和土体位移场的变化。
2.根据权利要求1所述的一种考虑渗流的加载对轨道交通影响的可视化试验模型,其特征在于:所述的模型箱为有机玻璃组合而成的无盖箱体;所述模型箱上设置多个出水孔和多个与渗流场系统连通加注液体的进水孔。
3.根据权利要求1所述的一种考虑渗流的加载对轨道交通影响的可视化试验模型,其特征在于:所述的土质模拟系统包括铺设在模型箱下部的透水石和填充在透水石上部的透明土。
4.根据权利要求1所述的一种考虑渗流的加载对轨道交通影响的可视化试验模型,其特征在于:所述的轨道交通模型包括地铁隧道模型和位于地铁隧道模型内的地铁列车模型。
5.根据权利要求1所述的一种考虑渗流的加载对轨道交通影响的可视化试验模型,其特征在于:所述的荷载模拟系统包括反力架、由反力架支撑的朝向模型箱中土质模拟系统的动静加载仪和用于测量动静加载仪施加荷载的拉压力传感器。
6.根据权利要求1所述的一种考虑渗流的加载对轨道交通影响的可视化试验模型,其特征在于:所述的渗流场系统包括水箱、连接水箱与模型箱的导水管和设置在导水管上的流量计。
7.根据权利要求1所述的一种考虑渗流的加载对轨道交通影响的可视化试验模型,其特征在于:所述的CT测量系统包括X射线发射装置、X射线接受装置和图像重建分析系统;X射线发射装置和X射线接收装置相互配合,X射线发射装置发射的X射线穿过模型箱被X射线接收装置接收,接收的X射线发送给图像重建分析系统。
8.根据权利要求3所述的一种考虑渗流的加载对轨道交通影响的可视化试验模型,其特征在于:所述的透明土采用15#白矿油和正十二烷混合液与无定形硅石粉末按设定的质量比混合,经真空除气和加压固结制备而成。
9.根据权利要求5所述的一种考虑渗流的加载对轨道交通影响的可视化试验模型,其特征在于:所述的动静加载仪还包括拉压力调节器,用于调整加载类型和荷载大小。
10.一种考虑渗流的加载对轨道交通影响的可视化试验方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)往模型箱底部分层放入透水石至指定位置,在透水石上分层填入透明土,当至设计位置时布设多个铁球用以识别土体位移场变化,在铁球上放入轨道交通模型,继续往模型箱里填充透明土;
(2)由CT测量系统对模型箱进行CT扫描、三维图像重建;
(3)荷载模拟系统向模型箱中的土质模拟系统施加由上而下的荷载;渗流场系统向模型箱中加注液体模拟渗流场;
(4)CT测量系统对模型箱进行扫描,识别出模型箱在荷载模拟系统及渗流场系统作用下土质模拟系统内的铁球的位置变化,建立三维图像,分析得到渗流场动静加载下对轨道交通模型的影响和土体位移场的变化。
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