CN114032970A - 地震液化时减缓地下结构上浮装置及方法 - Google Patents

地震液化时减缓地下结构上浮装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种地震液化时减缓地下结构上浮装置及方法，所述装置包括可变框体、变形体、入水管、入水开关；可变框体固定设置在地下结构的侧壁，可变框体内部开设可变腔室，变形体设置在可变腔室内，变形体遇水膨胀；入水管安装在可变框体侧壁；入水开关设置在入水管内，入水开关打开时土体中的水从入水管进入可变腔室、但阻挡土颗粒进入可变腔室，入水开关封闭时土体中的水无法流入可变腔室。地震液化时吸收地下结构侧边土体中的部分水且增加有效应力，同时地下结构侧边膨胀的可变腔室进一步挤压地下结构侧边土体，加大侧摩阻力，从而减缓地震液化时地下结构上浮。

Description

地震液化时减缓地下结构上浮装置及方法
技术领域
本发明属于岩土工程领域，尤其涉及一种地震液化时减缓地下结构上浮装置及方法。
背景技术
可液化土层在地震时孔隙水压力上升，有效应力降低，当有效应力降低为0时即为液化。而地下结构在液化土层中往往有上浮现象，例如已有地震中的地铁车站和地下管线等由于上浮而破坏。因此需要地震液化时减缓地下结构上浮装置及方法。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种地震液化时减缓地下结构上浮装置及方法，以解决背景技术中提出的地震液化时地铁车站和地下管线等地下结构由于上浮而遭到破坏的问题。
为实现上述目的，本发明提供技术方案如下：
一种地震液化时减缓地下结构上浮装置，包括可变框体、变形体、入水管、入水开关；可变框体固定设置在地下结构的侧壁，可变框体内部开设可变腔室，变形体设置在可变腔室内，变形体遇水膨胀；入水管安装在可变框体侧壁；入水开关设置在入水管内，入水开关打开时土体中的水从入水管进入可变腔室、但阻挡土颗粒进入可变腔室，入水开关封闭时土体中的水无法流入可变腔室。
优选地，所述可变框体为柔性壁围设成的密闭结构。进一步地，所述柔性壁可伸缩。
优选地，所述变形体为吸水高分子材料。
优选地，入水开关包括开关本体、入水通道、开关通道、第二弹簧、开关杆和透水片；所述入水通道贯穿开关本体设置，透视片固定设置在入水通道靠近可变腔室一端，开关杆的面积大于入水通道的截面，开关杆设置在开关本体内以分隔入水通道两端，开关杆远离入水通道一端开设通水孔，开关本体内配合开关杆设有驱动通水孔移入入水通道的驱动机构，开关通道设置在开关本体内，开关杆可滑动安装在开关通道内，开关通道通过第二弹簧与开关杆连接。
优选地，所述驱动机构包括振动通道、第一弹簧、质量块，所述振动通道开设在开关本体内部，开关杆一端设置在振动通道，开关杆设置在振动通道内的一端设有斜面，振动通道通过第一弹簧与质量块连接，质量块与开关杆配合设置。
优选地，所述驱动机构设有自锁部件，所述自锁部件为设置在质量块底部的限位槽。
优选地，第一弹簧刚度k1的取值方法为：首先对地下结构和土体的混合作用体系划分有限元网格，然后做有限元地震反应分析，计算得到入水开关附近土体液化需要的加速度a；确定质量块推动开关杆使第二弹簧产生的最大位移Δ，第二弹簧刚度为k2，开关杆第二端斜面与水平面夹角为θ，m为质量块的质量，L为第一弹簧没有伸缩时质量块与开关杆第二端距离，k为大于1的系数，第一弹簧刚度为
Figure BDA0003330861710000021
优选地，地下结构侧部配合可变框体底部固定设置有伸缩杆装置，所述伸缩杆装置包含外壳、竖向活塞、水平活塞、竖向腔室、水平腔室、杆以及容杆通过的防水片层；所述外壳和地下结构固定连接，竖向腔室开设于外壳顶部，水平腔室开设于外壳底部，，竖向腔室和水平腔室内充满液体；防水片层、水平活塞和外壳配合形成密闭的杆伸缩腔室，杆伸缩腔室内设有杆，杆水平设置且与水平活塞固定连接，防水片层固定设置在外壳靠近土体一侧且与杆垂直。
优选地，杆包括实体圆柱、吸水膨胀体和透水变形膜，透水变形膜和实体圆柱之间填充吸水膨胀体。
一种地震液化时减缓地下结构上浮方法，包括下述步骤：
步骤1：可变框体固定在地下结构侧面，可变框体内开设可变腔室，可变腔室内设有变形体，可变腔室侧壁安装入水管，入水管两端分别连接可变腔室内部空间和土体，入水开关设置在入水管内，没有地震液化时，入水开关封闭且土体中的水无法流入可变腔室；
步骤2：地震液化时，入水开关打开且土体中的水从入水管进入可变腔室，变形体遇水膨胀且带动可变框体膨胀，这时地下结构侧边土体中的部分水被变形体吸收且有效应力增加，以增加侧摩阻力，同时膨胀的可变框体进一步挤压地下结构侧边土体，以加大侧摩阻力、减缓地震液化时地下结构上浮。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
地震液化时减缓地下结构上浮，增加地震液化时地下结构侧摩阻力，防止地下结构应地震液化导致上浮从而遭到破坏。
附图说明
图1为本发明的地震液化时减缓地下结构上浮装置与地下结构协同作用示意图；图1(a)为减缓底下结构上浮装置的初始结构示意图，图1(b)为减缓底下结构上浮装置地震液化时的结构示意图。
图2为本发明的入水开关示意图；图2(a)为入水开关在初始状态下的结构示意图，图2(b)为入水开关在地震液化时的结构示意图。
图3为本发明的伸缩杆装置位置示意图。
图4为本发明的伸缩杆装置示意图；图4(a)为伸缩杆装置在初始状态下的结构示意图，图4(b)为伸缩杆装置在可变框体膨胀时的结构示意图。
图5为本发明的杆的复合结构横截面示意图；图5(a)为杆在伸缩杆腔室内时的截面图，图5(b)为杆刺穿防水片层后的截面图。
图中 1.土体，2.地下结构，3.可变框体，4.变形体，5.入水管，6.入水开关，7.入水通道，8.振动通道，9.开关通道，10.第一弹簧，11.质量块，12.第二弹簧，13.开关杆，14.透水片，15.通水孔，16.限位槽，17.开关杆底端，18.斜面，19.伸缩杆装置，20.外壳，21.竖向活塞，22.水平活塞，23.竖向腔室，24.水平腔室，25.防水片层，26.杆，27.圆柱，28.吸水膨胀体，29.透水变形膜。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，对本发明的技术方案做进一步阐述。
参照图1，一种地震液化时减缓地下结构上浮装置，包括可变框体3、变形体4、入水管5、入水开关6；可变框体3固定设置在地下结构2的左右两侧壁上，每一可变框体3的内部开设可变腔室，变形体4放置在可变腔室内，且变形体4遇水膨胀；入水管5安装在可变框体3侧壁；入水开关7固定设置在入水管5内，入水开关6打开时土体中的水从入水管5进入可变腔室、但阻挡土1颗粒进入可变腔室，入水开关6封闭时土体1中的水无法流入可变腔室。
本发明中，当地震液化时，入水开关会被打开，从而使土体1中的水流入可变腔室，可变腔室内的变形体遇水膨胀使得可变框体同步膨胀，增加了地下结构的侧摩阻力。
可变框体3为柔性壁围设成的密闭结构。举例来说，该柔性壁为高分子柔性材料制成，或编织纤维布复合柔性高分子材料制成。
变形体4为吸水高分子材料。举例来说，该变形体4为高吸水性树脂，变形体受压不易失水。
该入水开关6包括包括开关本体、入水通道7、开关通道9、第二弹簧12、开关杆13和透水片14；所述入水通道7从左往右贯穿开关本体设置，透视片14固定设置在入水通道7靠近可变腔室一端，开关杆13的面积大于入水通道的截面，开关杆13设置在开关本体内以分隔入水通道7两端，该开关杆13竖直设置，入水通道被分隔为左右两个腔室以阻隔土体从入水通道的入口沿入水通道的出口流入可变腔室内；开关杆13顶部开设通水孔15，该通水孔15远离入水通道7设置，即通水孔没有位于入水通道，此时入水通道7封闭且不让水通过；开关本体内配合开关杆13设有驱动通水孔15移入入水通道的驱动机构，开关通道9设置在开关本体内，开关杆13可滑动安装在开关通道9内，开关通道9通过第二弹簧12与开关杆13连接；通过设置驱动机构驱动开关杆在开关通道内移动从而使通水孔15移至入水通道内，将入水通道的两端通过通水孔连通，入水通道7让水流过。透水片14位于入水通道7中且允许水流经入水通道7、但阻止土1颗粒进入入水通道7。
所述驱动机构包括振动通道8、第一弹簧10、质量块11，所述振动通道8开设在开关本体内部，振动通道8与开关杆13顶部交叠使得开关杆13顶端设置在振动通道8内，开关杆13顶端设有斜面18，振动通道8通过第一弹簧10与质量块11连接，质量块11与开关杆13配合设置。如图2(a)所示，当开关杆13顶端没有与质量块11接触时，开关杆13的通水孔15没有位于入水通道7中；如图2(b)所示，当质量块11向右移动并与开关杆13顶端接触时，质量块11推动开关杆向下移动，开关杆13推动第二弹簧12压缩，且开关杆13的通水孔15位于入水通道7中。
所述驱动机构设有自锁部件，所述自锁部件为设置在质量块11底部的限位槽16。地震产生加速度时，如图2(b)所示，质量块11和第一弹簧10体系产生振荡，当质量块11滑行推动开关杆第二端斜面18时，开关杆13压缩第二弹簧12，当开关杆13顶端位于质量块11限位槽16内，开关杆13被锁住，且开关杆13的通水孔15位于入水通道7中，此时入水开关6允许水流通过。
第一弹簧10刚度k1的取值方法为：首先对地下结构2和土1体的混合作用体系划分有限元网格，然后做有限元地震反应分析，计算得到入水开关6附近土体液化需要的加速度a；确定质量块11推动开关杆13使第二弹簧12产生的最大位移Δ，第二弹簧12刚度为k2，开关杆顶端的斜面18与水平面夹角为θ，m为质量块11的质量，L为第一弹簧10没有伸缩时质量块11与开关杆13顶端的距离，k为大于1的系数，第一弹簧11刚度为
Figure BDA0003330861710000071
一种地震液化时减缓地下结构上浮方法，包括下述步骤：
步骤1：如图1(a)所示，两可变框体分别固定在地下结构2的左右两侧，可变框体内开设可变腔室，可变腔室内设有变形体4，可变框体侧壁3安装入水管5，入水管5两端分别连接可变腔室内部空间和土体1，没有地震液化时，入水开关6封闭且土体1中的水无法流入可变腔室；
步骤2：地震液化时，如图1(b)所示，入水开关6打开且土1体中的水从入水管5进入可变腔室，变形体4遇水膨胀且带动可变框体膨胀，这时地下结构2侧边土体1中的部分水被变形体4吸收且土体1有效应力增加，从而增加了侧摩阻力，同时膨胀的可变框体进一步挤压地下结构2侧边土1体，加大侧摩阻力，从而减缓地震液化时地下结构2上浮。
进一步地，如图3所示，可变框体固定在地下结构2左右两侧时，可变框体底部安装伸缩杆装置19。如图4所示，所述伸缩杆装置19包括外壳20、竖向活塞21、水平活塞22、竖向腔室23、水平腔室24、防水片层25和杆26；两外壳20分别固定设置在地下结构2左右两侧且与对应的可变框体配合设置，竖向腔室23开设在外壳20顶部，水平腔室24开设在外壳20底部，该竖向腔室23与水平腔室24垂直设置，竖向活塞21顶部设置在外壳20外，水平活塞22设置在外壳内，竖向活塞21、水平活塞22分别可滑动安装在竖向腔室23、水平腔室24内，且竖向腔室23与水平腔室24联通，外壳20、竖向活塞21、水平活塞22配合使得竖向腔室23和水平腔室24连通且封闭，竖向腔室23和水平腔室24内充满液体；外壳20靠近土体1一侧开设通孔，该通孔位置固定设置防水片层25，该防水片层可容杆26通过，防水片层25、水平活塞22及外壳20配合形成封闭的杆伸缩腔室，杆26位于杆伸缩腔室内，杆26一端与水平活塞22固定连接。
如图4(a)所示，没有液化时，杆26位于杆伸缩腔室内，防水片层25隔绝土1中的水进入杆伸缩腔室；如图4(b)所示，地震液化时，可变框体膨胀并推动竖向活塞21，这时水平活塞22随竖向活塞21的移动而水平移动，使杆26向防水片层25移动且刺穿防水片层25进入土体1，从而增加侧向抗浮力。
进一步地，如图5(a)所示，杆26为复合结构，杆26包含实体圆柱27、吸水膨胀体28和透水变形膜29，透水变形膜29和实体圆柱27之间填充吸水膨胀体28；当杆26探入含水土体1中时，如图5(b)所示，水从透水变形膜29进入吸水膨胀体28，且吸水膨胀体28产生膨胀，带动透水变形膜29膨胀，从而增加杆26提供的侧向抗浮力。

Claims (10)

1.一种地震液化时减缓地下结构上浮装置，其特征在于，包括可变框体、变形体、入水管、入水开关；可变框体固定设置在地下结构的侧壁，可变框体内部开设可变腔室，变形体设置在可变腔室内，变形体遇水膨胀；入水管安装在可变框体侧壁；入水开关设置在入水管内，入水开关打开时土体中的水从入水管进入可变腔室、但阻挡土颗粒进入可变腔室，入水开关封闭时土体中的水无法流入可变腔室。
2.根据权利要求1所述的一种地震液化时减缓地下结构上浮装置，其特征在于：所述可变框体为柔性壁围设成的密闭结构。
3.根据权利要求1所述的一种地震液化时减缓地下结构上浮装置，其特征在于：所述变形体为吸水高分子材料。
4.根据权利要求1所述的一种地震液化时减缓地下结构上浮装置，其特征在于：入水开关包括开关本体、入水通道、开关通道、第二弹簧、开关杆和透水片；所述入水通道贯穿开关本体设置，透视片固定设置在入水通道靠近可变腔室一端，开关杆的面积大于入水通道的截面，开关杆设置在开关本体内以分隔入水通道两端，开关杆远离入水通道一端开设通水孔，开关本体内配合开关杆设有驱动通水孔移入入水通道的驱动机构，开关通道设置在开关本体内，开关杆可滑动安装在开关通道内，开关通道通过第二弹簧与开关杆连接。
5.根据权利要求4所述的一种地震液化时减缓地下结构上浮装置，其特征在于：所述驱动机构包括振动通道、第一弹簧、质量块，所述振动通道开设在开关本体内部，开关杆一端设置在振动通道，开关杆设置在振动通道内的一端设有斜面，振动通道通过第一弹簧与质量块连接，质量块与开关杆配合设置。
6.如权利要求5所述的一种地震液化时减缓地下结构上浮装置，其特征在于，所述驱动机构设有自锁部件，所述自锁部件为设置在质量块底部的限位槽。
7.根据权利要求4所述的一种地震液化时减缓地下结构上浮装置，其特征在于：第一弹簧刚度k1的取值方法为：首先对地下结构和土体的混合作用体系划分有限元网格，然后做有限元地震反应分析，计算得到入水开关附近土体液化需要的加速度a；确定质量块推动开关杆使第二弹簧产生的最大位移Δ，第二弹簧刚度为k2，开关杆第二端斜面与水平面夹角为θ，m为质量块的质量，L为第一弹簧没有伸缩时质量块与开关杆第二端距离，k为大于1的系数，第一弹簧刚度为
Figure FDA0003330861700000021
8.根据权利要求1所述的一种地震液化时减缓地下结构上浮装置，其特征在于：地下结构侧部配合可变框体底部固定设置有伸缩杆装置，所述伸缩杆装置包含外壳、竖向活塞、水平活塞、竖向腔室、水平腔室、杆以及容杆通过的防水片层；所述外壳和地下结构固定连接，竖向腔室开设于外壳顶部，水平腔室开设于外壳底部，，竖向腔室和水平腔室内充满液体；防水片层、水平活塞和外壳配合形成密闭的杆伸缩腔室，杆伸缩腔室内设有杆，杆水平设置且与水平活塞固定连接，防水片层固定设置在外壳靠近土体一侧且与杆垂直。
9.根据权利要求8所述的一种地震液化时减缓地下结构上浮装置，其特征在于：杆包括实体圆柱、吸水膨胀体和透水变形膜，透水变形膜和实体圆柱之间填充吸水膨胀体。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种地震液化时减缓地下结构上浮方法，其特征在于：包括下述步骤：
步骤1：可变框体固定在地下结构侧面，可变框体内开设可变腔室，可变腔室内设有变形体，可变腔室侧壁安装入水管，入水管两端分别连接可变腔室内部空间和土体，入水开关设置在入水管内，没有地震液化时，入水开关封闭且土体中的水无法流入可变腔室；
步骤2：地震液化时，入水开关打开且土体中的水从入水管进入可变腔室，变形体遇水膨胀且带动可变框体膨胀，这时地下结构侧边土体中的部分水被变形体吸收且有效应力增加，以增加侧摩阻力，同时膨胀的可变框体进一步挤压地下结构侧边土体，以加大侧摩阻力、减缓地震液化时地下结构上浮。
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