CN111982720A - 一种模拟饱和地层地铁循环振动影响的试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟饱和地层地铁循环振动影响的试验装置及方法,所述试验装置包括模型箱、隧道模型、载荷加载系统、加水系统、数据测量系统,模型箱内填充土体,隧道模型埋设于模型箱内的土层中,载荷加载系统用于模拟列车振动荷载,加水系统用于补充土体饱和所需水分,数据测量系统用于对试验数据进行监测采集。本发明采用真空抽气法进行试验土体的饱和,可实现室内土工模型试验土体的快速饱和,并在此基础上较为真实的模拟饱和地层中列车循环振动引发地铁隧道的沉降变化规律,为研究饱和地层地铁列车循环振动引发的隧道沉降问题研究提供可靠实用的试验平台。

Description

一种模拟饱和地层地铁循环振动影响的试验装置及方法
技术领域
本发明涉及隧道与地下空间工程领域的模型试验技术领域,尤其涉及一种模拟饱和地层地铁循环振动影响的试验装置及方法。
背景技术
随着我国社会经济的快速发展,国内城市化进程不断加快,城市人口激增,为缓解城区交通压力,城市轨道交通建设得到大力发展,其中地铁轨道交通作为其中的重要组成部分,在最大限度地利用城市空间地同时,亦极大缓解了城区人口出行压力,推动了城市经济发展,然而在享受地铁轨道交通带来地便利的同时,亦不能忽视由地铁列车运营引发的沿线环境振动的影响,同时地铁长期循环振动作用下易引发隧道结构的不均匀沉降,引起隧道衬砌结构因局部应力集中而导致开裂破坏,加剧不均匀沉降区的轨道高低不平顺,从而对地铁列车的运行构成潜在的安全隐患。由于不同地区地铁隧道所处地层环境不同,在饱和地层地区由地铁长期循环振动引发的隧道基底土层累积变形更大,隧道不均匀沉降更加明显,因此开展地铁长期循环振动对隧道结构及周边地层的影响研究对于探究地铁隧道不均匀沉降的发生机理及影响范围具有重要的指导意义。
当前国内外开展地铁循环振动影响的研究多基于理论分析、现场测试、数值模拟及模型试验,其中前三种方法均存在一定的局限性,室内物理模型试验具有试验成本低、试验周期短及试验数据准确等优点,已成为当前科学研究的重要手段之一,在此基础上已有众多学者开展了地铁循环振动影响的模型试验研究,但均较少考虑地层饱和状态下的地铁循环振动影响,并不满足相关地层条件下的地铁循环振动影响研究。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷,本发明的目的在于提供一种模拟饱和地层地铁循环振动影响的试验装置及方法,可较为真实的模拟饱和地层中地铁循环振动引起的隧道结构沉降变化及对周边地层的影响,并可提供较为精确的测试结果。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
根据本发明实施例提供的一种模拟饱和地层地铁循环振动影响的试验装置,包括模型箱、隧道模型、载荷加载系统、加水系统和数据测量系统;
所述模型箱内填充土体,隧道模型埋设于模型箱内的土体中,隧道模型中设置载荷加载系统,所述载荷加载系统包括立柱、刚性横梁和位于刚性横梁下的激振器;土体中布置有传感器组,数据测量系统连接传感器组,加水系统设置于模型箱内土体上下端;
通过加水系统补充土体饱和所需水分,通过各激振器对模拟地铁列车的隧道模型衬砌结构循环加载,数据测量系统实时监测并采集激振器循环加载作用下隧道模型的沉降变化,得到激振器荷载加载幅值、激振器荷载循环加载次数、隧道埋深及土体饱和度对隧道沉降变化的影响。
对于上述技术方案,本发明还有进一步优选的方案:
进一步,所述模型箱为由有机玻璃板围成的矩形透明空腔结构,有机玻璃顶板设置有压力表,模型箱前后设置有机玻璃板,中部设有圆形活动玻璃板。
进一步,所述隧道模型为一刚性圆筒结构,圆筒结构横向埋设于模型箱内部的土体中。
进一步,所述载荷加载系统包括刚性横梁、立柱和激振器,刚性横梁通过立柱支撑贯穿于隧道模型,激振器悬挂固定于刚性横梁上,激振器上端与刚性横梁固定,下端与隧道模型道床结构顶面相接触。
进一步,所述加水系统包括水箱、洒水支架、透水石、带孔通水板、反滤土工织物和真空泵,洒水支架和透水石分别设于模型箱土体上下方,并连通水箱,透水石上方依次设有带孔通水板和反滤土工织物;模型箱连通真空泵。
进一步,所述透水石为由轻骨料、水泥、增强剂和水配制而成的多孔轻质混凝土板。
进一步,所述带孔通水板为一表面布设有圆孔的钢板,圆孔布设范围覆盖钢板表面。
进一步,所述模型箱上盖有机玻璃板,有机玻璃板侧边与底部分别设置有上下排气孔和进出水孔,上下排气孔与真空泵通过硅橡胶管相连,进出水孔通过导水管分别与与顶部和底部水箱相连接。
本发明进而提供了一种模拟地铁隧道列车循环振动影响的试验方法,包括以下步骤:
S1,在模型箱中内部填充砂土或粘土,模拟地铁隧道列车循环振动地层环境;
S2,抽出模型箱顶部及底部自由空间和土体孔隙中的气体,待气压稳定不变后,依靠模型箱内外的大气压差将水注入模型箱内的土体中,使得模型箱土体中的孔隙渗出过饱和水;
S3,将隧道模型埋置于模型箱内部的过饱和水土体中,通过激振器对隧道模型道床结构施加列车循环振动载荷,传感器组将载荷监测信号同步传递至数据测量系统,并由数据测量系统中电脑对该载荷监测信号进行交互式显示。
本发明由于采取以上技术方案,其具有以下有益效果:
1)本发明采用真空抽气饱和与土工模型试验相结合的方法,解决了传统土工模型试验中制备饱和土体效率较慢的缺陷,提高了相关土工模型试验的准备效率。
2)本发明采用孔隙水压力计对试验土体饱和过程中土体内部孔压变化进行实时监测的方案,减小了土体最终的饱和误差,使得土体饱和度达到试验所需要求,为饱和土地层动力响应问题提供了实用的试验平台。
3)本发明具有装置结构简单、操作简便、成本较低、易于实现及可重复性强等优点,可模拟不同隧道埋深、不同地层饱和度、不同列车载荷幅值及荷载加载次数或时长对地铁循环振动引发隧道沉降及周边地层的影响,试验结果具有较高的可信度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本申请的一部分,并不构成对本发明的不当限定,在附图中:
图1为本发明试验装置正向剖面图(土体饱和前);
图2为本发明试验装置侧向剖面图(土体饱和前);
图3为本发明试验装置正向剖面图(土体饱和后);
图4为本发明试验装置侧向剖面图(土体饱和后);
图5为本发明试验装置载荷加载系统中支撑结构示意图;
图6为本发明试验装置加水系统中洒水支架平面示意图;
图7为本发明试验装置加水系统中带孔通水板示意图;
附图标记说明:1、模型箱;1-1、有机玻璃顶板;1-2、螺栓;1-3、有机玻璃侧板;1-4、进水孔;1-5、出水孔;1-6、有机玻璃底板;1-7、上排气孔;1-8、下排气孔;1-9、圆形活动玻璃板;1-10、压力表;1-11、土体;2、隧道模型;3、载荷加载系统;3-1、支撑结构;3-1a、刚性横梁;3-1b、刚性支架;3-2、激振器;4、加水系统;4-1a、顶部水箱;4-1b、底部水箱;4-2、洒水支架;4-3、透水石;4-4、带孔通水板;4-5、反滤土工织物;4-6、真空泵;4-7、进水开关;4-8、出水开关;4-9、上排气开关;4-10、下排气开关;5、数据测量系统;5-1、加速度传感器;5-2、位移传感器;5-3、土压力计;5-4、孔隙水压力计。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明,在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明,但并不作为对本发明的限定。
参考附图1-4所示,一种模拟饱和地层地铁循环振动影响的试验装置,包括模型箱1、隧道模型2、载荷加载系统3、加水系统4和数据测量系统5。
模型箱1内填充土体1-11,隧道模型2埋设于模型箱内的土体中,隧道模型2中设置载荷加载系统3,载荷加载系统包括刚性横梁3-1a和位于刚性横梁下的激振器3-2;载荷加载系统用于模拟列车振动荷载。土体1-11中布置有传感器组,包括加速度传感器5-1、位移传感器5-2、土压力盒5-3,数据测量系统5连接传感器组,加水系统4设置于模型箱1内土体1-11上下端,加水系统用于补充土体饱和所需水分;通过加水系统补充土体饱和所需水分,数据测量系统对补充数据测量系统的试验数据进行监测采集。
实施例中,模型箱1由6块高强度有机玻璃板拼装成尺寸长2m,宽0.3m,高1.5m的矩形空腔结构,该模型箱尺寸范围满足模型试验的要求,受边界效应影响较小。除有机玻璃顶板1-1外其余各有机玻璃板接缝之间均采用强力胶进行固定,而有机玻璃顶板1-1则采用螺栓1-2与周边有机玻璃板侧板1-3进行固定连接,在保证模型箱1刚度稳定性外更兼顾良好的气密性,模型箱1各有机玻璃板按试验需求设置进出水孔及上下排气孔,其中进水孔1-4位于模型箱1有机玻璃顶板1-1中心,出水孔1-5位于模型箱1有机玻璃底板1-6中心,上排气孔1-7与下排气孔1-8则分别位于模型箱1有机玻璃顶板1-1与有机玻璃底板1-6的侧边,模型箱1前后有机玻璃板中部设有圆形活动玻璃板1-9,圆形活动玻璃板1-9通过螺栓固定于主有机玻璃板上,并可自由开启,有机玻璃顶板1-1设置有压力表1-10,用以监测密闭模型箱1内的气压大小,模型箱1内部可依据试验要求填充砂土、黏土等土体1-11,用以模拟实际地层。
地铁盾构隧道通常采用钢筋混凝土管片通过螺栓拼接而成,在设计本发明时,考虑研究目的在于探究地铁循环振动对隧道沉降及周边土体的影响,隧道模型2可采用刚性材料制成圆筒结构作为隧道模型,采用钢材制作而成,并在纵向取0.3m,厚1.5cm,纵向尺寸0.3m,假设为平面应变问题,隧道沉降变形受隧道结构纵向弯曲刚度影响较小。
以常见直径6m的地铁盾构隧道为原型,即对应模型试验相似比为1/20,隧道模型2按与模型箱1前后有机玻璃板垂直方向埋设于模型箱1内部的土层中,隧道模型2前后开口位置对应于模型箱1前后圆形活动玻璃板1-9的形心。
载荷加载系统3,包括支撑结构3-1与激振器3-2,支撑结构3-1由一根刚性横梁3-1a与两根刚性支架3-1b组成的超静定简支梁结构,如图5所示,用以模拟列车循环加载。其中刚性横梁3-1a为工字钢,而刚性支架3-1b为槽钢,三者通过螺栓进行固定连接组成超静定简支梁结构,刚性横梁3-1a穿过隧道模型2,一个激振器3-2固定于隧道模型2内部的刚性横梁3-1a上,用以对隧道模型2仰拱处施加循环振动荷载,前后两根刚性支架3-1b对刚性横梁3-1a提供支撑。
加水系统4,包括顶部水箱4-1a、底部水箱4-1b、洒水支架4-2、透水石4-3、带孔通水板4-4、反滤土工织物4-5及真空泵4-6,用以提供土体饱和所需水分,其中水箱4-1包括2个分别位于模型箱顶部及底部的水箱,顶部水箱4-1a通过导水硅橡胶管与模型箱1相连接,并同时联通洒水支架4-2,底部水箱4-1b用以收集土体1-11饱和后渗出的多余水分。
如图6所示,洒水支架4-2为一由高强度PP硬管通过接头连接组成格栅结构,洒水支架4-2底部布设有小孔,洒水支架4-2通过硅橡胶导水管与顶部水箱4-1a相连接,并通过该硅橡胶导水管悬挂于模型箱1顶部自由空间内,用以提供土体1-11饱和所需水分,硅橡胶导水管位于模型箱外侧部位设有进水开关4-7与出水开关4-8。透水石4-3材料为由轻骨料、水泥、增强剂及水配置而成的多孔轻质混凝土,具有较高的强度及透水性,透水石4-3设置在模型箱1底部,透水石4-3顶部设置带孔通水板4-4,带孔通水板4-4结构见图7所示;透水石4-3与带孔通水板4-4顶面尺寸与模型箱1内部尺寸一致,透水石厚度为10cm,带孔通水板4-4上表面粘贴反滤土工织物4-5,用以保证水分经带孔通水板4-4渗出后,模型箱1底部土体1-11不发生土颗粒的渗出而造成的渗流破坏,带孔通水板为一表面布设有直径1cm的圆孔的钢板。圆孔布设范围覆盖钢板表面,带孔通水板设置于透水石顶面,带孔通水板内侧壁表明粘贴反滤土工织物,用以保证水经带孔通水板渗出后,底部地层土体不发生渗流破坏。
真空泵4-6通过硅橡胶管联通模型箱1上排气孔1-7与下排气孔1-8,并同时在硅橡胶排气管上设有上排气开关4-9与下排气开关4-10,通过真空泵4-6排出模型箱1内部自由空间及土体1-11孔隙内的气体,加快水分在试验土体1-11孔隙中的渗流速度,提高饱和土体的制备效率,缩短土体1-11饱和时间。
数据测量系统5,包括加速度传感器5-1、位移传感器5-2、土压力计5-3及孔隙水压力计5-4,其中加速度传感器5-1、位移传感器5-2及土压力计5-3均埋设于模型箱1内部的土体1-11中,分别用以测量试验过程中土体1-11加速度响应、隧道2与土体1-11的沉降变形及土体1-11的压力变化,
其中孔隙水压力计5-4埋设于土体1-11中,用以监测水分于土体1-11中渗透时,土体1-11各深度处孔隙水压力的变化,确保模型箱1内土体1-11饱和度达到试验要求,通过数据测量系统5中各传感器的协同监测为试验研究提供良好的数据支撑。
这种模拟地铁隧道列车循环振动影响的试验装置的试验方法,包括以下步骤:
1)试验准备阶段于模型箱1底部设置透水石4-3,随后安置带孔通水板4-4,并于带孔通水板4-4顶面粘贴反滤土工织物4-5,待上述工作准备完毕后于模型箱1内部填充砂土或粘土作为试验土体1-11,模拟地铁隧道列车循环振动地层环境;土体1-11填充过程中依据试验要求埋设各传感器及隧道模型2,其中隧道模型2横截面中心与模型箱1前后圆形活动玻璃面板1-9形心位置保持一致。
2)待试验步骤1准备完毕后,将洒水之架4-2通过硅橡胶管固定于模型箱1有机玻璃顶板1-1底部中心处,随后封闭有机玻璃顶板1-1并通过螺栓1-2加以固定,使模型箱1达到固定封闭状态,模型箱1有机玻璃顶板1-1保留顶部上排气孔1-7及进水孔1-4,有机玻璃底板保留底部下排气孔1-8及出水孔1-5,同时在模型箱1外侧分别设置顶部水箱4-1a与底部水箱4-1b。
3)待试验步骤2完毕后,进行加水系统4的各仪器管线连接,首先将洒水支架4-2顶部导水管(PP硬管)与硅橡胶管在有机玻璃顶板1-1中心开口处相连,由硅橡胶管向外延伸至顶部水箱4-1a,其次将底部水箱4-1b通过硅橡胶管与模型箱1有机玻璃底板1-6中心处的出水孔1-5相连,最后将模型箱1的上排气孔1-7与下排气孔1-8通过硅橡胶管与外部真空泵4-6相连。
4)待试验步骤3完毕后,打开上排气开关4-9与下排气开关4-10,随后开启真空泵4-6,将模型箱1顶部及底部自由空间及土体1-11孔隙中的气体徐徐抽出,同时通过有机玻璃顶板1-1上的压力表1-10实时监测模型箱1内的气压大小,待气压稳定不变后,关闭排气开关与真空泵4-6,打开进水开关4-7,依靠模型箱1内外的大气压差将顶部水箱4-1a内的水通过硅橡胶管压入洒水之架4-2,随后注入模型箱1内的土体1-11中,在土体1-11饱和过程中通过孔隙水压力计5-4实时监测土体1-11中的孔隙水压力变化,并同步观察模型箱1底部水分的渗出量,待监测到模型箱1内孔隙水压力保持不变后,打开出水开关4-8,渗出过饱和水,待进出水流量稳定后,关闭上部进水孔4-7与下部出水孔4-8。
5)待试验步骤4完毕后,移除模型箱1有机玻璃顶板1-1、洒水支架4-2,打开模型箱1前后圆形活动玻璃板1-9,安装支撑结构3-1,使支撑结构3-1中的刚性横梁3-1a贯穿隧道模型,并在位于隧道模型2内部的刚性横梁3-1a中心处安装激振器3-2,待上述过程完毕后,启动激振器3-2施加列车循环振动荷载,通过激振器对隧道模型道床结构施加列车循环振动载荷,同时由各传感器对试验过程中隧道模型2的沉降及周边土体1-11的振动响应进行实时监测;传感器组将载荷监测信号同步传递至数据测量系统,并由数据测量系统中电脑对该载荷监测信号进行交互式显示。通过加水系统补充土体饱和所需水分,通过各激振器对模拟地铁列车的隧道模型衬砌结构循环加载,数据测量系统实时监测并采集激振器循环加载作用下隧道模型的沉降变化,得到激振器荷载加载幅值、激振器荷载循环加载次数、隧道埋深及土体饱和度对隧道沉降变化的影响。
本发明并不局限于上述实施例,在本发明公开的技术方案的基础上,本领域的技术人员根据所公开的技术内容,不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形,这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种模拟饱和地层地铁循环振动影响的试验装置,其特征在于,包括模型箱、隧道模型、载荷加载系统、加水系统和数据测量系统;
所述模型箱内填充土体,隧道模型埋设于模型箱内的土体中,隧道模型中设置载荷加载系统,所述载荷加载系统包括立柱、刚性横梁和位于刚性横梁下的激振器;土体中布置有传感器组,数据测量系统连接传感器组,加水系统设置于模型箱内土体上下端;
通过加水系统补充土体饱和所需水分,通过激振器模拟地铁列车对隧道模型衬砌结构的循环加载,数据测量系统实时监测并采集激振器循环加载作用下隧道模型的沉降变化,得到激振器荷载加载幅值、激振器荷载循环加载次数、隧道埋深及土体饱和度对隧道沉降变化的影响。
2.根据权利要求1所述的一种模拟饱和地层地铁循环振动影响的试验装置,其特征在于,所述模型箱为由有机玻璃板围成的矩形透明空腔结构,有机玻璃顶板设置有压力表,模型箱前后设置有机玻璃板,中部设有圆形活动玻璃板。
3.根据权利要求1所述的一种模拟饱和地层地铁循环振动影响的试验装置,其特征在于,所述隧道模型为一刚性圆筒结构,圆筒结构横向埋设于模型箱内部的土体中。
4.根据权利要求1所述的一种模拟饱和地层地铁循环振动影响的试验装置,其特征在于,所述载荷加载系统包括刚性横梁、立柱和激振器,刚性横梁通过立柱支撑贯穿于隧道模型,激振器悬挂固定于刚性横梁上,激振器上端与刚性横梁固定,下端与隧道模型道床结构顶面相接触。
5.根据权利要求1所述的一种模拟饱和地层地铁循环振动影响的试验装置,其特征在于,所述加水系统包括水箱、洒水支架、透水石、带孔通水板、反滤土工织物和真空泵,洒水支架和透水石分别设于模型箱土体上下方,并连通水箱,透水石上方依次设有带孔通水板和反滤土工织物;模型箱连通真空泵。
6.根据权利要求5所述的一种模拟饱和地层地铁循环振动影响的试验装置,其特征在于,所述透水石为由轻骨料、水泥、增强剂和水配制而成的多孔轻质混凝土板。
7.根据权利要求5所述的一种模拟饱和地层地铁循环振动影响的试验装置,其特征在于,所述带孔通水板为一表面布设有圆孔的钢板,圆孔布设范围覆盖钢板表面。
8.根据权利要求5所述的一种模拟饱和地层地铁循环振动影响的试验装置,其特征在于,所述模型箱上盖有机玻璃板,有机玻璃板侧边与底部分别设置有上下排气孔和进出水孔,上下排气孔与真空泵通过硅橡胶管相连,进出水孔通过导水管分别与与顶部和底部水箱相连接。
9.一种基于权利要求1-8任一项所述装置的模拟饱和地层地铁循环振动影响的试验方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1,在模型箱中内部填充砂土或粘土,模拟地铁隧道列车循环振动地层环境;
S2,抽出模型箱顶部及底部自由空间和土体孔隙中的气体,待气压稳定不变后,依靠模型箱内外的大气压差将水注入模型箱内的土体中,使得模型箱土体中的孔隙渗出过饱和水;
S3,将隧道模型埋置于模型箱内部的过饱和水土体中,通过激振器对隧道模型道床结构施加列车循环振动载荷,传感器组将载荷监测信号同步传递至数据测量系统,并由数据测量系统中电脑对该载荷监测信号进行交互式显示。
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