CN112945494A - 一种盾构隧道抗液化振动台模型试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种盾构隧道抗液化振动台模型试验装置，包括模型箱、储气系统、输气系统与测量系统；模型箱位于振动台上，其内设有液化土地基模型与盾构隧道结构模型；储气系统包括氮气瓶；输气系统包括橡胶软管与铝制注气管；铝制注气管置于液化土地基模型内，铝制注气管的一端通过橡胶软管与氮气瓶相连；测量系统包括孔隙水压力计、土压力传感器、加速度传感器与数据采集仪；孔隙水压力计、土压力传感器、加速度传感器置于液化土地基模型内，分别通过数据线与数据采集仪相连。本发明还提供了一种盾构隧道模型抗液化振动台试验方法。本发明提供合理的物理相似条件和易于实施的边界处理条件，能实现直接注气降饱度法加固盾构隧道液化地基的过程。

Description

一种盾构隧道抗液化振动台模型试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及结构工程和地震工程领域，尤其涉及一种盾构隧道抗液化振动台模型试验装置及试验方法。

背景技术

从1995年日本阪神大地震后，地铁工程在强地震作用下的灾害问题开始引起广泛的研究关注，而饱和砂土地层在地震荷载作用下液化后，对地下结构将产生更为严重的破环。

目前，国内外针对地铁盾构隧道的地震响应问题有较多研究。其中，作为重要研究方法的，除了理论解析方法、数值模拟方法外，振动台模型试验由于可以探究不同参数对盾构隧道与周围岩土体的动力响应特性影响，是研究盾构隧道抗震问题的重要手段。而已有的众多盾构隧道模型试验绝大多数都是建立在非液化土层条件下，针对液化地层的研究尤其是振动台模型试验研究很少。而已有的关于液化地基盾构隧道振动台模型试验研究，有些仅就液化土层范围及盾构隧道埋深对隧道液化上浮的影响及上浮等液化机理方面做了分析而未对抗液化措施开展研究；有些针对现在地铁工程设计施工中最常应用的抗液化注浆方法进行了盾构隧道采取壁后注浆措施前后周边液化地层的动力响应研究，但注浆方法本身存在以下问题：浆液加固后追踪监测困难，处理效果难以量化评估，注浆加固指标常以工程经验为依据，难以精准设计和保证经济性，且方法对地铁周围环境扰动较大，不满足绿色环保要求。而对于注浆法外其他在地基抗液化措施中常用的比如挤密砂桩、固结排水、强夯换填等方法因会对地铁市政工程及城市建设产生较大扰动一般极少采用。

据此，目前急需一种新型盾构隧道抗液化振动台模型试验装置及试验方法，从而有效弥补传统方法在地铁盾构隧道抗液化处理中的缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种盾构隧道抗液化振动台模型试验装置及试验方法，其可避免采用传统注浆加固方式时带来的追踪监测困难、难以量化评估、难以保证经济性，以及不满足绿色环保要求的问题。

本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种盾构隧道抗液化振动台模型试验装置，包括：

模型箱，所述模型箱设置在振动台上，并且，所述模型箱内设置有盾构隧道-地基模型；所述盾构隧道-地基模型包括液化土地基模型以及埋置于其内的盾构隧道结构模型；

储气系统，所述储气系统包括氮气瓶；所述氮气瓶设置在所述振动台与所述模型箱的外部；

输气系统，所述输气系统包括橡胶软管与铝制注气管；所述铝制注气管埋置于所述液化土地基模型内，并且，所述铝制注气管的一端通过所述橡胶软管与所述氮气瓶相连；

测量系统，所述测量系统包括孔隙水压力计、土压力传感器、加速度传感器与数据采集仪；所述孔隙水压力计、土压力传感器、加速度传感器均埋置于所述液化土地基模型内，并分别通过数据线与所述数据采集仪相连；所述数据采集仪设置在所述振动台与所述模型箱的外部。

作为本发明的优选方式之一，所述模型箱为顶部开口的长方体结构，所述顶部开口的长方体结构采用钢板制作而成。

作为本发明的优选方式之一，所述顶部开口的长方体结构的各钢板内壁分别铺设有一层聚乙烯泡沫板，所述聚乙烯泡沫板的内壁再铺设有一层防水布。

作为本发明的优选方式之一，所述模型箱的底部设有锚固孔；所述模型箱通过所述锚固孔与螺栓的配合与所述振动台固定连接。

作为本发明的优选方式之一，所述模型箱中的液化土地基模型材料由液化砂土构成，盾构隧道结构模型材料由微粒混凝土构成。

作为本发明的优选方式之一，所述输气系统中的橡胶软管进气端分别设置有标气减压器、氮气流量计、计时器；其中，所述橡胶软管的进气口与所述氮气流量计出气嘴相连接，所述氮气流量计的进气口与所述标气减压器出气嘴相连接，所述标气减压器进气口与所述氮气瓶的阀门相连接；同时，所述橡胶软管的另一端延伸进所述模型箱中的液化土地基模型内，并与埋置在所述液化土地基模型内的铝制注气管进气端口相连接。

作为本发明的优选方式之一，所述铝制注气管沿所述盾构隧道结构模型的轴线方向布置在所述盾构隧道结构模型周围的液化土地基模型中。

作为本发明的优选方式之一，所述铝制注气管设置有若干根；每根所述铝制注气管的一端均与一根橡胶软管出气端口连接，所述铝制注气管的另一端通过环氧树脂合成胶进行封堵。

作为本发明的优选方式之一，所述铝制注气管的管身沿其纵向等间隔布置有一排注气孔，并且，每排注气孔具体设置为四个，四个所述注气孔沿所述注气管横截面圆周均匀布置；此外，所述铝制注气管的外周还分别包裹有一层过滤纱布。

一种基于上述盾构隧道抗液化振动台模型试验装置的试验方法，包括如下步骤：

S1、在模型箱内铺设防水布与边界材料聚乙烯泡沫板，并在模型箱内分层铺设液化土地基模型材料；在液化土地基模型材料铺设过程中，在设定位置埋设测量系统中各监测元件，在设定位置埋设输气系统铝制注气管与橡胶软管；在设定位置埋设盾构隧道结构模型；液化土地基模型材料铺设完成后，向模型箱内注水直至地基模型饱和；

S2、分别布置好氮气瓶和标气减压器、氮气流量计，并将输气系统的橡胶软管进气端与氮气流量计出气嘴紧密连接；然后关闭标气减压器阀门，再打开氮气瓶阀门，其后缓慢开启并调节标气减压器出气压力，直到氮气流量计上显示有气体开始通过橡胶软管缓慢注入模型地基时停止调节；同时，计时器开始计时，达到设定时间后停止注气；所有注气橡胶软管管路均按上述操作进行注气过程；

S3、待步骤S2中所述的注气过程完成后，在模型地基表面观察到有一层高出地表的水层，表示降饱和过程完成，则进行后续的盾构隧道模型抗液化振动台试验。

作为本发明的优选方式之一，在模型箱中安置时，随模型土填埋至注气管设计标高时一齐埋入模型土中。在完成模型土填筑并向模型土注水使其饱和后，待静置一晚后，用带减压阀的氮气瓶通过分别与每根橡胶软管相连的方式，依次向相应注气管中注气，注气压力控制在15KPa左右，每次注气2分钟。注气时，严格控制注气压力不能超过细管管口出的有效应力。

作为本发明的优选方式之一，所述盾构隧道模型抗液化振动台试验为本领域常用的“振动台试验”：将模型箱放置在振动台上，然后振动台模拟地震作用开始激振，并对固定在振动台台面上的模型箱施加模拟地震荷载；从开始时刻开始观测模型箱内的现象，并通过布置在箱体内的各类传感器和数据采集系统得到试验过程中各类参数的所有数据以便于后续分析研究。

本发明相比现有技术的优点在于：

(1)区别于注浆加固等传统方法大多依靠工程经验设计具体参数指标，本发明易于在实施阶段设计量化指标，措施参数精细可控，大大降低处理成本，保障经济性。

(2)本发明中的加固材料为通常环境下最为常见的无毒无害的不活泼气体-氮气，将其注入土层后不会对地铁周围环境产生任何不利影响，环境友好。同时，氮气的制造获取成本也较常用注浆法的水泥浆液与化学浆液更低廉，经济性好。

(3)抗液化效果好。研究发现，含有气泡的土体在三轴试验中表现出抗剪强度增强的效果；近几年来，一些学者尝试降低砂土饱和度来提高抗液化能力，通过一定方法降低可液化砂层的饱和度，当可液化砂层受到震动荷载时，土体中的气体可以有效减缓超孔隙水压力的升高，达到提高土层抗液化能力的效果。降饱和度法不仅可用于加固新建地基，还可以对既有建筑物或构造物下液化地基施工，且对沉降变形和施工扰动控制要求较高的液化地基也可进行加固。结果表明，土体抗液化强度随着土体饱和度的增大而显著减小，且饱和度降低到70％时，其抗液化强度为饱和土样的三倍。

(4)对各种工况适用度广。降饱和度法不仅可用于加固新建地基，还可以对既有建筑物或构造物下液化地基施工，且对沉降变形和施工扰动控制要求较高的液化地基也可进行加固，其方法简单、成本低廉，是一个很有前景的液化地基处理新技术。

附图说明

图1是实施例1中盾构隧道抗液化振动台模型试验装置的整体结构图；

图2是实施例1中模型箱的正视剖切示意图；

图3是实施例1中模型箱的俯视剖切示意图；

图4是实施例1中铝制注气管与其周边结构之间的配合图。

图中：1为模型箱，11为盾构隧道-地基模型，111为液化土地基模型，112为盾构隧道结构模型，12为顶部开口的长方体，13为聚乙烯泡沫板，14为防水布，2为储气系统，21为氮气瓶，3为输气系统，31为橡胶软管，32为铝制注气管，321为注气孔，322为过滤纱布，33为标气减压器，34为氮气流量计，4为测量系统，41为数据采集仪，42为数据线，5为振动台。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1-4所示，本实施例的一种盾构隧道抗液化振动台模型试验装置，包括模型箱1、储气系统2、输气系统3和测量系统4。所述模型箱1设置在振动台5上，并且，模型箱1内设置有盾构隧道-地基模型11；盾构隧道-地基模型11包括液化土地基模型111以及埋置于其内的盾构隧道结构模型112。储气系统2包括氮气瓶21；氮气瓶21设置在振动台5与模型箱1的外部。输气系统3包括橡胶软管31与铝制注气管32；铝制注气管32埋置于液化土地基模型111内，并且，铝制注气管32的一端通过橡胶软管31与氮气瓶21相连。测量系统4包括孔隙水压力计、土压力传感器、加速度传感器与数据采集仪41；孔隙水压力计、土压力传感器、加速度传感器均埋置于液化土地基模型111内，并分别通过数据线42与数据采集仪41相连；数据采集仪41设置在振动台5与模型箱1的外部。

进一步地，请参阅图1，在本实施例中，模型箱1为顶部开口的长方体结构12；该顶部开口的长方体12结构采用钢板制作而成，且其各钢板的内壁上分别铺设有一层聚乙烯泡沫板13，聚乙烯泡沫板13的内壁再铺设有一层防水布14。

进一步地，在本实施例中，模型箱1的底部设有锚固孔；模型箱1通过锚固孔与螺栓的配合与振动台5固定连接。

进一步地，请参阅图1，在本实施例中，输气系统3中的橡胶软管31进气端分别设置有标气减压器33、氮气流量计34、计时器；其中，橡胶软管31的进气口与氮气流量计34出气嘴相连接，氮气流量计34的进气口与标气减压器33出气嘴相连接，标气减压器33进气口与氮气瓶21的阀门相连接；同时，橡胶软管31的另一端延伸进模型箱1中的液化土地基模型111内，并与埋置在液化土地基模型111内的铝制注气管32进气端口相连接。

进一步地，请参阅图2和图3，在本实施例中，铝制注气管32沿盾构隧道结构模型112的轴线方向布置在盾构隧道结构模型112周围的液化土地基模型111中，且具体设置有八根；每根铝制注气管32的一端均与一根橡胶软管31出气端口连接，铝制注气管32的另一端通过环氧树脂合成胶进行封堵。

进一步地，请参阅图3和图4，在本实施例中，铝制注气管32具体为长度略小于模型箱1纵向(盾构隧道结构模型112轴向)长度，直径小于10mm；铝制注气管32的管身沿其纵向每隔5cm布置有一排直径1.5mm的注气孔321，每排设计四个注气孔321沿注气管32横截面圆周均匀布置。此外，在每根铝制注气管32外侧用100目尼龙网状过滤纱布322缠绕包裹，以避免模型土颗粒堵塞铝制注气管32内排气通道。

此外，在本实施例中，模型箱1中的液化土地基模型111材料由液化砂土构成，盾构隧道结构模型112材料由微粒混凝土构成。

实施例2

本实施例的一种上述实施例1中盾构隧道抗液化振动台模型试验装置的试验方法，包括如下步骤：

S1、在模型箱1内铺设防水布14与边界材料聚乙烯泡沫板13，并在模型箱1内分层铺设液化土地基模型111材料。在液化土地基模型111材料铺设过程中，在设定位置埋设测量系统4中各监测元件，在设定位置埋设输气系统3铝制注气管32与橡胶软管31，在设定位置埋设盾构隧道结构模型112。液化土地基模型111材料铺设完成后，向模型箱1内注水直至地基模型饱和。

S2、分别布置好氮气瓶21和标气减压器33、氮气流量计34，并将输气系统3的橡胶软管31进气端与氮气流量计34出气嘴紧密连接；然后关闭标气减压器33阀门，再打开氮气瓶21阀门，其后缓慢开启并调节标气减压器33出气压力，直到氮气流量计34上显示有气体开始通过橡胶软管31缓慢注入模型地基时停止调节；同时，计时器开始计时，达到设定时间后停止注气。所有注气橡胶软管31管路均按上述操作进行注气过程。

S3、待步骤S2中所述的注气过程完成后，在模型地基表面观察到有一层高出地表的水层，表示降饱和过程完成；此时，方可进行后续的盾构隧道模型抗液化振动台试验。

S4、将模型箱1放置在振动台5上，然后振动台5模拟地震作用开始激振，并对固定在振动台5台面上的模型箱1施加模拟地震荷载；从开始时刻开始观测模型箱1内的现象，并通过布置在箱体内的各类传感器和数据采集系统得到试验过程中各类参数的所有数据以便于后续分析研究。

此处，需要说明的是，在模型箱1中安置时，铝制注气管32随模型土填埋至铝制注气管32设计标高时一齐埋入模型土中。在完成模型土填筑并向模型土注水使其饱和后，待静置一晚后，用带减压阀的氮气瓶21通过分别与八根橡胶软管31相连的方式，依次向八根铝制注气管32中注气，注气压力控制在15KPa左右，每次注气2分钟。注气时，严格控制注气压力不能超过细管管口出的有效应力。

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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种盾构隧道抗液化振动台模型试验装置，其特征在于，包括：

模型箱，所述模型箱设置在振动台上，并且，所述模型箱内设置有盾构隧道-地基模型；所述盾构隧道-地基模型包括液化土地基模型以及埋置于其内的盾构隧道结构模型；

储气系统，所述储气系统包括氮气瓶；所述氮气瓶设置在所述振动台与所述模型箱的外部；

输气系统，所述输气系统包括橡胶软管与铝制注气管；所述铝制注气管埋置于所述液化土地基模型内，并且，所述铝制注气管的一端通过所述橡胶软管与所述氮气瓶相连；

测量系统，所述测量系统包括孔隙水压力计、土压力传感器、加速度传感器与数据采集仪；所述孔隙水压力计、土压力传感器、加速度传感器均埋置于所述液化土地基模型内，并分别通过数据线与所述数据采集仪相连；所述数据采集仪设置在所述振动台与所述模型箱的外部。

2.根据权利要求1所述的盾构隧道抗液化振动台模型试验装置，其特征在于，所述模型箱为顶部开口的长方体结构，所述顶部开口的长方体结构采用钢板制作而成。

3.根据权利要求2所述的盾构隧道抗液化振动台模型试验装置，其特征在于，所述顶部开口的长方体结构的各钢板内壁分别铺设有一层聚乙烯泡沫板，所述聚乙烯泡沫板的内壁再铺设有一层防水布。

4.根据权利要求1所述的盾构隧道抗液化振动台模型试验装置，其特征在于，所述模型箱的底部设有锚固孔；所述模型箱通过所述锚固孔与螺栓的配合与所述振动台固定连接。

5.根据权利要求1所述的盾构隧道抗液化振动台模型试验装置，其特征在于，所述模型箱中的液化土地基模型材料由液化砂土构成，盾构隧道结构模型材料由微粒混凝土构成。

6.根据权利要求1所述的盾构隧道抗液化振动台模型试验装置，其特征在于，所述输气系统中的橡胶软管进气端分别设置有标气减压器、氮气流量计、计时器；其中，所述橡胶软管的进气口与所述氮气流量计出气嘴相连接，所述氮气流量计的进气口与所述标气减压器出气嘴相连接，所述标气减压器进气口与所述氮气瓶的阀门相连接；同时，所述橡胶软管的另一端延伸进所述模型箱中的液化土地基模型内，并与埋置在所述液化土地基模型内的铝制注气管进气端口相连接。

7.根据权利要求1所述的盾构隧道抗液化振动台模型试验装置，其特征在于，所述铝制注气管沿所述盾构隧道结构模型的轴线方向布置在所述盾构隧道结构模型周围的液化土地基模型中。

8.根据权利要求1所述的盾构隧道抗液化振动台模型试验装置，其特征在于，所述铝制注气管设置有若干根；每根所述铝制注气管的一端均与一根橡胶软管出气端口连接，所述铝制注气管的另一端通过环氧树脂合成胶进行封堵。

9.根据权利要求1所述的盾构隧道抗液化振动台模型试验装置，其特征在于，所述铝制注气管的管身沿其纵向等间隔布置有一排注气孔，并且，每排注气孔具体设置为四个，四个所述注气孔沿所述注气管横截面圆周均匀布置；此外，所述铝制注气管的外周还分别包裹有一层过滤纱布。

10.一种基于权利要求1-9任一所述的盾构隧道抗液化振动台模型试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在模型箱内铺设防水布与边界材料聚乙烯泡沫板，并在模型箱内分层铺设液化土地基模型材料；在液化土地基模型材料铺设过程中，在设定位置埋设测量系统中各监测元件，在设定位置埋设输气系统铝制注气管与橡胶软管；在设定位置埋设盾构隧道结构模型；液化土地基模型材料铺设完成后，向模型箱内注水直至地基模型饱和；

S2、分别布置好氮气瓶和标气减压器、氮气流量计，并将输气系统的橡胶软管进气端与氮气流量计出气嘴紧密连接；然后关闭标气减压器阀门，再打开氮气瓶阀门，其后缓慢开启并调节标气减压器出气压力，直到氮气流量计上显示有气体开始通过橡胶软管缓慢注入模型地基时停止调节；同时，计时器开始计时，达到设定时间后停止注气；所有注气橡胶软管管路均按上述操作进行注气过程；

S3、待步骤S2中所述的注气过程完成后，在模型地基表面观察到有一层高出地表的水层，表示降饱和过程完成，则进行后续的盾构隧道模型抗液化振动台试验。

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