CN110849722B - 一种加卸载对轨道交通影响的可视化试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种加卸载对轨道交通影响的可视化试验装置及方法。试验装置包括：模型箱、模型土、轨道交通模型、加载系统和CT测量系统。模型土填充在模型箱中，轨道交通模型置于模型箱中，并由模型土包围覆盖；轨道交通模型下方的模型土内设置多个铁球；加载系统用于向模型土施加由上而下的荷载；CT机对模型箱进行扫描，识别出模型箱中的模型土内的小铁球的位置变化。本发明可较准确的模拟加卸载对临近轨道交通安全运营的影响，且可对土体内部进行高精度测量，同时也可研究堆卸载对地铁隧道安全运营的影响；试验操作方便、费用低。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程技术领域，特别涉及一种加卸载对轨道交通影响的可视化试验装置及方法。
背景技术
随着我国经济的高速发展，城市建设水平得到了快速提高，城市人口也在不断增加，为解决市民出行、旅游等需求，地下空间的开发已经成为一种势不可挡的趋势。近些年，国内许多城市修建了众多地铁线路以缓解交通压力，政府和开发商对地铁沿线进行了商业开发，沿线建筑物的新建和车站轨道交通的运营会引起地层移动和地表下沉，如果不加保护会使地铁隧道发生水平位移，甚至会使管片产生裂缝，影响地铁安全运营使用。
目前多采用现场试验、数值模拟和室内模型进行相关研究分析。因现场试验费用高、难度大、周期长等特性，实际工程中难以普及现场试验；由于土质的复杂性，很难通过数值模拟准确分析，现今数值模拟分析多作为试验结果的支撑；室内模型试验因具有费用低、试验周期短、试验数据较准确的优点，被大量学者广泛使用。
国内很多学者对模型球试验进行了研究，多采用玻璃球或钢球进行三轴试验模拟堆石料的力学特性。透明土的基本原理是利用透明颗粒材料和具有相同折射率的孔隙液体混合，通过某种方法排除空气得到透明的饱和土，该土体与天然土体具有相似的岩土工程性质。利用激光器可以在透明土中形成散斑场，可以用工业相机拍出高精度的图片。通常透明土技术主要用来模拟边坡滑动、打桩施工过程和岩土性质试验。CT技术因具有无损、动态、定量检测等优点而备受国内外学者的重视，多运用于研究土体细观的结构及受力的演变情况，因X射线在土中穿透性有限，很难运用于工程模型试验中。
发明内容
针对现有轨道交通线路安全运营的室内模型试验装置的不足，本发明提供一种加卸载对轨道交通影响的可视化试验装置及方法，其可以准确模拟工况，且可以得到土体内部位移场变化和轨道交通沉降变化。
为实现上述目的，本发明采用采用如下技术方案：
一种加卸载对轨道交通影响的可视化试验装置，包括模型箱、模型土、轨道交通模型、加载系统、CT机；
模型土填充在模型箱中，轨道交通模型置于模型箱中，并由模型土包围覆盖；
轨道交通模型下方的模型土内设置多个铁球；
加载系统用于向模型土施加由上而下的荷载；
CT机对模型箱进行扫描，识别出在加载系统作用下模型箱中的模型土内的铁球的位置变化。
进一步地，所述模型箱为透明有机玻璃制作。
进一步地，所述模型土为透明土、模型球或原土。
进一步地，模型球包括玻璃球、橡胶球和钢珠球。
进一步地，所述轨道交通模型包括列车模型和承台板路基模型，所述列车模型和承台板路基模型为按实物的一定质量比和体积比利用3D技术打印而成。
进一步地，所述加载系统包括反力架、加载仪和加压板；加载仪由反力架支撑，加载仪通过加压板向模型土施加荷载。
进一步地，所述CT机包括X射线发射系统、X射线接收系统和图像重建处理系统；X射线发射系统和X射线接收系统相互配合，X射线发射系统发射的X射线穿过模型箱被X射线接收系统接收，接收的X射线发送给图像重建处理系统。
进一步地，所述模型箱至少一个侧壁上标有作为沉降位移参考的位置标记。
进一步地，所述透明土采用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，经真空环境中除气、加压固结制备而成。
进一步地，所述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混合制备而成。使用该配比制备的透明土，射线能较好的穿透，物理性能更接近原土性能，模拟试验效果更好。
一种加卸载对轨道交通影响的可视化试验方法，包括以下步骤：
（1）将模型土填入模型箱中，并夯实，其中，在模型土内的设定位置放入多个铁球用于土体位移场变化的识别，在铁球上方放入轨道交通模型；
（2）由加载系统向模型土施加由上而下的荷载；
（3）CT机对模型箱进行CT扫描，同时进行应力数据采集；
（4）对CT扫描图像处理，识别出模型箱中的铁球在模型土内的位置变化，分析土体内部位移场变化和轨道交通模型的沉降变化。
本发明所达到的有益效果：
本发明提供一种加卸载对轨道交通影响的可视化试验装置及方法，采用透明土和模型球替换原土进行模型试验，并利用CT机进行扫描，能从宏观和细观相结合来分析加卸载或轨道交通运行对既有邻近轨道交通安全运营的影响，同时可深入认识土体内部的变化过程，可以准确模拟工况，得到土体内部位移场变化和轨道交通沉降变化。
附图说明
图1是本发明试验装置的结构横断面示意图；
图2是本发明试验装置的结构纵断面示意图；
图3是本发明试验装置的横断面示意图（地下-透明土）；
图4是本发明试验装置的横断面示意图（地上-透明土）；
图5是本发明试验装置的横断面示意图（地上-模型球-摩擦桩）；
图6是本发明试验装置的横断面示意图（地上-模型球-端承桩）；
图7是本发明试验装置的CT机系统示意图。
图中标号说明：1—模型箱，1.1—有机玻璃，1.2—螺栓，1.3—位置标记，2—模型土，2.1—透明土，2.2.1—玻璃球，2.2.2—橡胶球，2.2.3—钢珠球，3—轨道交通模型，3.1—列车模型，3.2—承台板路基模型，3.3—地铁隧道模型，4—加载系统，4.1.1—顶板，4.1.2—拉杆，4.1.3—底座，4.2—加载仪，4.3—拉压力传感器，4.4—传力杆，4.5—加压板，5—CT机，5.1—X射线发射系统，5.2—X射线接收系统，5.3—图像重建处理系统，5.4—密闭外壳，5.5—紧急开关，5.6—平开门，5.7—报警器，5.8—控制面板，5.9—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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
参见图1～图7，本实施例公开了一种轨道交通线路运营对临近地铁线路影响的可视化试验装置，该试验装置包括：模型箱1、模型土2、轨道交通模型3、加载系统4、CT机5。模型土2填充在模型箱1中，轨道交通模型3置于模型箱1中，并由模型土2包围覆盖。轨道交通模型3下方设置小铁球5.9。加载系统4用于向模型土2施加由上而下的荷载。CT机5对模型箱1进行扫描，识别出在加载系统4作用下模型箱1中模型土2内的小铁球5.9的位置变化，从而分析土体内部位移场变化和轨道交通模型3的沉降变化。
所述模型箱1为透明有机玻璃1.1制作无盖的模型箱1，所述的模型箱左面、右面、背面、底面有机玻璃1.1通过玻璃胶连接而成，所述模型箱正对面有机玻璃1.1与其他立面有机玻璃1.1通过螺栓1.2固定，方便试验后的拆卸清理；所述模型土2包括采用透明土2.1、模型球或原土模拟试验；所述轨道交通模型3包括列车模型3.1和承台板路基模型3.2，所述列车模3.1和承台板路基模型3.2为按一定质量比和体积比利用3D技术打印而成；
所述加载系统4包括反力架、加载仪4.2、拉压力传感器4.3、传力杆4.4和加压板4.5；加载仪4.2由反力架支撑，加载仪4.2通过传力杆4.4和加压板4.5向模型土施加荷载。拉压力传感器4.3用于测量加载仪4.2施加的拉压力。
所述CT机5包括X射线发射系统5.1、X射线接收系统5.2和图像重建处理系统5.3。X射线发射系统和X射线接收系统相互配合，X射线发射系统发射的X射线穿过模型箱被X射线接收系统接收，接收的X射线发送给图像重建处理系统。
所述模型箱1为4～6cm厚的有机玻璃1.1构成，正对面有机玻璃1.1上标有四个位置标记1.3，分别位于四角处距边缘5cm，作为沉降位移的参考。
模型箱1内尺寸为长60～80cm，宽40～60cm，高50～70cm，所述螺栓1.2为六角高性能螺栓，有机材料制成，X射线可穿透。
所述透明土2.1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，所述模型球的直径为2-4mm。
所述反力架包括顶板4.1.1、拉杆4.1.2和底座4.1.3三个部分，所述顶板4.1.1和底板4.1.3为长90cm、宽70cm的长方形板，板厚4cm，所述拉杆4.1.2为特种铝合金材料制作，X射线可穿透，顶板4.1.1和底板4.1.3通过4个拉杆4.1.2连接固定，分别位于四角处，距板边缘3～5cm。
所述小铁球5.9直径为1～2mm，用于透明土的位移场变化的识别，所述CT测量系统5还包括密闭外壳5.4、紧急开关5.5、平开门5.6、报警器5.7和控制面板5.8。
一种加卸载对轨道交通影响的可视化试验方法，包括以下步骤：
（1）透明土制作：15#白矿油和正十二烷按体积比2.5:1混合，无定形硅石粉与混合液按质量比1:5混合，配置过程主要包括材料混合、真空除气和加压固结三个过程；
（2）清洗模型箱，并用干毛巾擦净；
（3）往模型箱内立面有机玻璃均匀涂抹凡士林，并用螺栓将正立面有机玻璃与其他立面固定；
（4）将透明土分层填入模型箱中，并夯实，在设计位置，放入承台板路基模型和列车模型，若研究对象是地铁隧道，则在设计位置放入隧道模型和列车模型，接着继续填入模型土；
（5）透明土填筑完毕整平，将模型箱放入已安装好的加载系统中，然后一起放入CT机中；
（6）参数设置：本实施例中设置的拉压力数据采集为1次/s，CT机扫描3次/h；
（7）加载系统对透明土施加荷载，并由CT机对透明土进行CT扫描，同时做好加载系统所装的拉压力传感器的应力数据采集工作；
（8）对拉压力传感器的数据、CT扫描的X射线图像进行处理，最终分析出土体内部位移场变化和轨道交通沉降变化。
本发明可较准确的模拟加卸载对临近轨道交通安全运营的影响，且可对土体内部进行高精度测量，同时也可研究堆卸载对地铁隧道安全运营的影响；试验操作方便、费用低。
实施例2：
一种加卸载对轨道交通影响的可视化试验装置，结构如图1-3，研究加载对地铁隧道的影响，包括模型箱1、模型土2、轨道交通模型3、加载系统4和CT测量系统5。
模型箱1为有机玻璃1.1制作，厚4～6cm，正对面有机玻璃1.1上设有四个“L”型位置标记1.3，分别位于四角处距边缘5cm，以作为沉降位移的参考，模型箱1内尺寸为长60～80cm、宽40～60cm、高50～70cm；透明土制作：15#白矿油和正十二烷按体积比2.5:1混合，无定形硅石粉与混合液按质量比1:5混合，接着将混合料在压力为-0.1MPa的真空环境中除气3～4h后置于正常气压环境下直至土样透明无气泡，当每小时竖向应变≤0.00025mm时土样固结完成，即透明土2.1制作完成，透明土2.1压缩模量为1.345MPa，内摩擦角为19.44°～28.63°；加载仪4.2为等速加载仪，加载速度为1mm/min，加载点距地铁隧道3.3上方4～10cm；CT扫描时间设为3次/min。
上述的一种加卸载对轨道交通影响的可视化试验装置的使用方法，包括以下步骤：
（1）透明土制作：15#白矿油和正十二烷按体积比2.5:1混合，无定形硅石粉与混合液按质量比1:5混合，接着将混合料在压力为-0.1MPa的真空环境中除气3～4h后置于正常气压环境下直至土样透明无气泡，当每小时竖向应变≤0.00025mm时土样固结完成，即透明土制作完成；
（2）清洗模型箱，用干毛巾擦净，并往模型箱内立面均匀涂抹凡士林；
（3）将模型箱正对面有机玻璃与其他立面有机玻璃接触处使用放置密封条，并通过螺栓连接；
（4）将制作好的透明土分层放入模型箱中，并夯实，在设计位置放入小铁球用于土体位移场变化的识别，放入地铁隧道模型和列车模型，接着继续往模型箱里填入透明土；
（5）透明土填筑完毕整平，将模型箱放入已安装好的加载系统中，然后一起放入CT机中；
（6）施加荷载，并进行CT扫描，同时做好应力数据采集工作；
（7）数据、图像处理，结果分析。
实施例3：
一种加卸载对轨道交通影响的可视化试验装置，结构如图4，研究加载对地面轨道交通的影响，包括模型箱1、模型土2、轨道交通模型3、加载系统4和CT测量系统5。
在实施例1的基础上，承台板路基模型3.2为采用聚碳酸酯或其他有机材料以1:100比例尺制作的模型，模型桩是粗糙的，桩与路基承台板通过固结方式连接。余同实施例1。
一种加卸载对轨道交通影响的可视化试验装置的使用方法，在实施例1的基础上，步骤（4）中将透明土2.1分层放入模型箱1至设计位置，将承台板路基模型3.2插入透明土2.1中，接着将列车模型3.1放在承台板路基模型3.2上，并通过AB胶固定。余同实施例1。
实施例3：
在实施例1的基础上，使用模型球替换透明土2.1来研究加载对地面轨道交通的影响，当采用模型球时，模型箱内立面有机玻璃则不需要涂抹凡士林，如图5和图6所示，分别为摩擦型桩和端承桩的复合地基，余同实施例1。
模型球包括玻璃球2.2.1、橡胶球2.2.2和钢珠球2.2.3。采用玻璃球2.2.1模拟路基，橡胶球2.2.2模拟原土，钢珠球2.2.3模拟持力层。
实施例4：
在实施例1的基础上，使用原土替换模型土进行试验，其余同实施例1，所得数据结果用以验证前面结论。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，如：加载位置、施加动静荷载、开挖等对临近轨道交通的影响，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种加卸载对轨道交通影响的可视化试验装置，其特征在于：包括模型箱、模型土、轨道交通模型、加载系统、CT机；
模型土填充在模型箱中，轨道交通模型置于模型箱中，并由模型土包围覆盖；
所述轨道交通模型包括列车模型和承台板路基模型，所述列车模型和承台板路基模型为按实物的一定质量比和体积比利用3D技术打印而成；
轨道交通模型下方的模型土内设置多个铁球；
加载系统用于向模型土施加由上而下的荷载；
由CT机对模型箱进行扫描，识别出在加载系统作用下模型箱中的模型土内的铁球的位置变化。
2.根据权利要求1所述的一种加卸载对轨道交通影响的可视化试验装置，其特征在于：所述模型箱为透明有机玻璃制作。
3.根据权利要求1所述的一种加卸载对轨道交通影响的可视化试验装置，其特征在于：所述模型土为透明土、模型球或原土。
4.根据权利要求3所述的一种加卸载对轨道交通影响的可视化试验装置，其特征在于：模型球包括玻璃球、橡胶球和钢珠球。
5.根据权利要求1所述的一种加卸载对轨道交通影响的可视化试验装置，其特征在于：所述加载系统包括反力架、加载仪和加压板；加载仪由反力架支撑，加载仪通过加压板向模型土施加荷载。
6.根据权利要求1所述的一种加卸载对轨道交通影响的可视化试验装置，其特征在于：所述CT机包括X射线发射系统、X射线接收系统和图像重建处理系统；X射线发射系统和X射线接收系统相互配合，X射线发射系统发射的X射线穿过模型箱被X射线接收系统接收，接收的X射线发送给图像重建处理系统。
7.根据权利要求1所述的一种加卸载对轨道交通影响的可视化试验装置，其特征在于：所述模型箱至少一个侧壁上标有作为沉降位移参考的位置标记。
8. 根据权利要求3所述的一种加卸载对轨道交通影响的可视化试验装置，其特征在于：所述透明土采用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，经真空环境中除气、加压固结制备而成。
9.一种基于权利要求1所述的加卸载对轨道交通影响的可视化试验装置的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将模型土填入模型箱中，并夯实，其中，在模型土内的设定位置放入多个铁球用于土体位移场变化的识别，在铁球上方放入轨道交通模型；
（2）由加载系统向模型土施加由上而下的荷载；
（3）CT机对模型箱进行CT扫描，同时进行应力数据采集；
（4）对CT扫描图像处理，识别出模型箱中的铁球在模型土内的位置变化，分析土体内部位移场变化和轨道交通模型的沉降变化。
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