CN114032971A - 防止地下结构液化上浮的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种防止地下结构液化上浮的装置及方法，所述装置包括集水箱，集水箱包括外壳和设置在外壳内部的集水腔室，所述外壳布设有若干透水孔，透水孔将集水腔室与壳体外部连通，任一透水孔内配合设有阻隔件，初始状态下阻隔件阻止土层中的水从透水孔进入集水腔室，土体液化时阻隔件开通且引导土层中的水从透水孔进入集水腔室。本发明的有益效果是地震液化时增加了地下结构的重量，同时增加有效应力且减少土中水压产生的浮力，防止地下结构在地震时液化土层中的上浮破坏。

Description

防止地下结构液化上浮的装置及方法
技术领域
本发明属于岩土工程研究领域，尤其涉及一种防止地下结构液化上浮的装置及方法。
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。因此需要防止地下结构在液化土层中上浮导致损坏的装置和方法。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种防止地下结构液化上浮的装置及方法，防止地下结构在地震形成的液化土层中的上浮而被破坏的问题。
为实现上述目的，本发明提供技术方案如下：
本发明的技术方案：一种防止地下结构液化上浮的装置，与地下结构固定连接后置于土层中，所述装置包括集水箱，集水箱包括外壳和设置在外壳内部的集水腔室，所述外壳布设有若干透水孔，透水孔将集水腔室与壳体外部连通，任一透水孔内配合设有阻隔件，初始状态下阻隔件阻止土层中的水从透水孔进入集水腔室，土体液化时阻隔件开通且引导土层中的水从透水孔进入集水腔室。
优选的，所述外壳布设有加气孔，加气孔将集水腔室与壳体外部连通，加气孔与气泵配合设置，气泵排放气体至土层中。
优选的，透水孔包括第一腔室、第二腔室、及透水片；所述集水箱开设与第一腔室联通的第一导流口，透水片设置在第一导流口处，所述第一腔室和第二腔腔室间的壳体上开设第二导流口，第一腔室和第二腔室通过第二导流口连通；所述阻隔件包括设置在第一腔室内的弹簧及活塞，弹簧驱动活塞在第一腔室内滑动，壳体通过弹簧与活塞连接，初始状态下的活塞所处位置低于第二导流口所处位置以阻挡从透水片流入的水进入第二导流口，土体液化时活塞的滑动行程大于初始状态下活塞与第二导流口间的纵向距离。
优选的，弹簧刚度k的选择方法为：在透水片上布设孔隙水压力计和土压力计，弹簧刚度k选择范围为k＞(p-u)/L，其中u为未发生土体液化时孔隙水压力计测得的空压，p为未发生土体液化时土压力计测得压力，L为未发生地震时活塞与第二导流口的纵向距离。
一种防止地下结构液化上浮的方法，包括下述步骤：
步骤1：集水箱与地下结构固定连接并置于土层中，地震发生前土体没有液化，此时透水孔阻止土层中的水进入集水腔室；
步骤2：地震发生时土体液化，此时土层中孔隙水压力升高，土层中的水经透水孔流入集水腔室。
优选地，还包括步骤3：通过气泵将气泡排入土层中。通过气泵加压从而由加气孔将气泡排入土层中，同时土层中的水进入集水腔室，这样土层中的饱和水变为非饱和水，这样抑制地震时孔隙水压力的上升，防止地下结构上浮。
优选的，步骤3中，气泵安放在集水腔室内，通过气泵抽取集水腔室内的空气并由加气孔排入土中，将土层中的部分水置换为空气；或者，气泵连接高压气瓶，高压气瓶安放在集水腔室内，通过气泵将高压气体由加气孔排入土层中，将土层中的部分水置换为空气。
优选的，集水装置安装在地下结构底部且承受水压向上的作用力，实时计算地震液化时集水装置底部受到上浮力F，当F大于指定容许值FA时，加快气泵排气，使气泡由加气孔进入土层中，使土层中的水由透水孔进入集水腔室；当F小于指定容许值FA时，停止气泵工作。
优选的，指定容许值FA的计算为：FA＝(Fu+W)/k，其中，W为地下结构和集水箱的总重，Fu为地下结构顶部受到的水土竖向总压力，k为安全系数，k大于1。
优选的，土体液化时集水箱底部受到的上浮力F的获取方法为：
将集水箱底面划分为n个三角形，在三角形节点上布设孔隙水压力计，三角形位于水平面上并建立含x轴和y轴的直角坐标系；
计算土体液化时集水箱底部受到的上浮力F，
Figure BDA0003330860820000031
其中，
Figure BDA0003330860820000032
及
Figure BDA0003330860820000033
分别为第i个三角形的三个节点坐标，
Figure BDA0003330860820000034
Figure BDA0003330860820000041
和
Figure BDA0003330860820000042
分别为第i个三角形的三个节点上的孔隙水压力，Ωi为第i个三角形的面积。
第i个三角形面积上任意一点(xi，yi)上的水压力梯度向量为
Figure BDA0003330860820000043
第一个元素为水压力梯度向量在水平面x方向上分里，
Figure BDA0003330860820000044
第二个元素为水压力梯度向量在水平面y方向上分量，水压力梯度向量
Figure BDA0003330860820000045
为：
Figure BDA0003330860820000046
由集水装置底部任意一点的水压力梯度向量
Figure BDA0003330860820000047
画出集水装置底部在水平面中两个垂直方向上的水压力梯度等值云图。从而可以比较各个透水孔附近水压力梯度云图，从而发现水压力云图异常的透水孔：没有地震液化时，若透水孔附近区域水压力梯度不为0，则此透水孔漏水且需要封堵；地震液化时，若透水孔附近区域水压力梯度没有变化，则表明此透水孔没有参与排水，地震液化时使此透水孔强制通水。
本发明的有益效果为：本发明在地震使得土体液化时增加了地下结构的重量，同时增加有效应力、减少液化且减少土中水压产生的浮力，防止地下结构在地震时液化土层中的上浮而被破坏。
附图说明
图1为本发明的地下结构和集水装置的示意图；
图2为本发明的透水孔示意图；
图3为本发明的集水装置底部孔隙水压力计和三角形网格示意图
图中1.土层，2.地下结构，3.集水箱，4.外壳，5.集水腔室，6.透水孔，7.加气孔，8.气泵，9.第一腔室，10.第二腔室，11.弹簧，12.活塞，13.透水片，14.第一亚空间，15.第二亚空间，16.第二导流口，17.出水口，18.集水装置底部，19.孔隙水压力计，20.三角形。
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，进一步阐述本发明。
如图1所示，一种防止地下结构液化上浮的装置，包括集水箱3，集水箱3包括外壳4和设置在外壳内部的集水腔室5，所述集水腔室5为密闭的腔室，外壳4底部设置有若干透水孔6和一加气孔7，透水孔6将集水箱3外部与集水腔室5连通，加气孔7也将集水箱3外部与集水腔室5连通，每一透水孔6内均设有阻隔件，加气孔7与气泵8配合设置，通过气泵将气体排至土层中。该防止地下结构液化上浮的装置与地下结构固定连接后置于土层中。初始状态下，阻隔件与透水孔6配合设置使集水腔室5密闭；当发生地震时，土体发生液化，透水孔6开通且引导土层1中的水进入集水腔室5。
具体来说，该透水孔6包括第一腔室9、第二腔室10、及透水片13；阻隔件包括设置在第一腔室9内的弹簧11及活塞12。该第一腔室9底部开设第一导流口，土体1中的水由第一导流口流入，该透水片13设置在第一导流口处且与集水箱3固定连接，对土体进行过滤，防止土层1中的固体颗粒进入，第一腔室9和第二腔室10之间仅通过第二导流口实现联通，所述弹簧11一端和第一腔室9固定连接，弹簧11另一端与活塞12固定连接；活塞12可在第一腔室9内上下滑动、且将第一腔室9隔成第一亚空间14和第二亚空间15，第一亚空间14设置在第二亚空间15上方，活塞可阻止第一亚空间14和第二亚空间15内液体或气体的交互流动；初始状态下，活塞所处高度小于第二导流口所处高度；第二腔室10的顶端为出水口17，土层1没液化时第二导流口16与第一腔室9中的第一亚空间14联通，第二导流口16不与第一腔室9中的第二亚空间15联通，使得土层1中的水无法流入集水腔室；土层1液化时水压推动活塞12移动使得第二导流口16与第一腔室9中的第二亚空间15联通时，土层1中的水可流入集水腔室。
本发明中，弹簧11刚度k选择方法为：弹簧刚度k的选择方法为：在透水片上布设孔隙水压力计和土压力计，弹簧刚度k选择范围为k＞(p-u)/L，其中u为未发生土体液化时孔隙水压力计测得的空压，p为未发生土体液化时土压力计测得压力，L为未发生地震时活塞与第二导流口的纵向距离。
具体地，气泵安放在集水腔室内，通过气泵抽取集水腔室内的空气并由加气孔排入土中，将土层中的部分水置换为空气；或者，气泵连接高压气瓶，高压气瓶安放在集水腔室内，通过气泵将高压气体由加气孔排入土层中，将土层中的部分水置换为空气。
应用该防止地下结构2液化上浮的装置的方法，包括下述步骤：
步骤1：集水箱3与地下结构2固定连接，地震发生前土层1没有液化，透水孔6在液化没有发生时封闭且阻止土层1中的水进入集水腔室5，第二导流口16与第一腔室9中的第一亚空间14联通；
步骤2：地震发生时土体液化，土体中孔隙水压力升高，土层1中水经透水片13进入第一腔室9的第二亚空间15、且推动活塞12移动，然后第二导流口16与第一腔室9中的第二亚空间15联通，土层1中的水依次流经透水片13、第一腔室9的第二亚空间15、第二导流口16、出水口17、然后流入集水腔室5，这样增加了集水箱3的重量，同时增加有效应力、减少液化且减少土中水压产生的浮力，防止地下结构2上浮；
步骤3：气泵8加压从而由加气孔7将气泡排入土层1中，同时土层1中的水进入集水腔室5，这样土层1中的饱和水变为非饱和水，这样抑制地震时孔隙水压力的上升，防止地下结构2上浮。
如图1所示，集水箱3安装在地下结构2底部且承受水压向上的作用力，实时计算地震液化时集水装置底部18受到上浮力F，当F大于指定容许值FA时，加快气泵8排气，使气泡由加气孔进入土中，使土层1中的水由透水孔6进入集水腔室3；当F小于指定容许值FA时，停止气泵8工作。
指定容许值FA的计算为：设地下结构2和集水箱3的总重为W，地下结构2顶部受到的水土竖向总压力为Fu，安全系数为k，k大于1，指定容许值FA＝(Fu+W)/k。
地震液化时集水装置底部18受到上浮力F的获取方法如图3所示：将集水装置底部18划分为n个三角形20，在三角形20节点上布设孔隙水压力计19，三角形20位于水平面上并建立含x轴和y轴的直角坐标系，设第i个三角形20的三个节点坐标依次为
Figure BDA0003330860820000081
Figure BDA0003330860820000082
和
Figure BDA0003330860820000083
三个节点上的孔隙水压力依次为
Figure BDA0003330860820000084
和
Figure BDA0003330860820000085
在第i个三角形20面积Ωi上取面积分，且累加在一起，得到集水装置底部底部18受到上浮力F为
Figure BDA0003330860820000086
第i个三角形20面积上任意一点(xi，yi)上的水压力梯度向量为
Figure BDA0003330860820000087
第一个元素为水压力梯度向量在水平面x方向上分里，
Figure BDA0003330860820000088
第二个元素为水压力梯度向量在水平面y方向上分量，水压力梯度向量
Figure BDA0003330860820000089
为：
Figure BDA00033308608200000810
由集水装置底部18任意一点的水压力梯度向量
Figure BDA00033308608200000811
画出集水装置底部18在水平面中两个垂直方向上的水压力梯度等值云图。从而可以比较各个透水孔6附近水压力梯度云图，从而发现水压力云图异常的透水孔6：没有地震液化时，若透水孔6附近区域水压力梯度不为0，则此透水孔6漏水且需要封堵；地震液化时，若透水孔6附近区域水压力梯度没有变化，则表明此透水孔6没有参与排水，地震液化时使此透水孔6强制通水。
优选的，弹簧11与第一腔室9用锁连接，且此锁与控制系统连接，控制系统与孔压水压力计19以及加速度传感器连接，此加速度传感器固定在地下结构2上，当控制系统由孔隙水压力计19分析得到透水孔6附近区域水压力梯度没有变化，且控制系统由加速度传感器探知地震发生，这时控制系统将锁解开使弹簧11与第一腔室9分离，这样作用在活塞12上的弹簧等效刚度为0，地下水压推动活塞12移动且由第二导流口16流入，从而强制透水孔6通水。本发明中锁如何要控制系统连接并实现开锁为本领域的常规技术手段，本领域技术人员可根据实际情况自行设置。

Claims (10)

1.一种防止地下结构液化上浮的装置，与地下结构固定连接后置于土层中，其特征在于，所述装置包括集水箱，集水箱包括外壳和设置在外壳内部的集水腔室，所述外壳布设有若干透水孔，透水孔将集水腔室与壳体外部连通，任一透水孔内配合设有阻隔件，初始状态下阻隔件阻止土层中的水从透水孔进入集水腔室，土体液化时阻隔件开通且引导土层中的水从透水孔进入集水腔室。
2.根据权利要求1所述的一种防止地下结构液化上浮的装置，其特征在于，所述外壳布设有加气孔，加气孔将集水腔室与壳体外部连通，加气孔与气泵配合设置，气泵排放气体至土层中。
3.根据权利要求1所述的一种防止地下结构液化上浮的装置，其特征在于，透水孔包括第一腔室、第二腔室、及透水片；所述集水箱开设与第一腔室联通的第一导流口，透水片设置在第一导流口处，所述第一腔室和第二腔腔室间的壳体上开设第二导流口，第一腔室和第二腔室通过第二导流口连通；所述阻隔件包括设置在第一腔室内的弹簧及活塞，弹簧驱动活塞在第一腔室内滑动，壳体通过弹簧与活塞连接，初始状态下的活塞所处位置低于第二导流口所处位置以阻挡从透水片流入的水进入第二导流口，土体液化时活塞的滑动行程大于初始状态下活塞与第二导流口间的纵向距离。
4.根据权利要求3所述的一种防止地下结构液化上浮的装置，其特征在于，弹簧刚度k的选择方法为：在透水片上布设孔隙水压力计和土压力计，弹簧刚度k选择范围为k＞(p-u)/L，其中u为未发生土体液化时孔隙水压力计测得的空压，p为未发生土体液化时土压力计测得压力，L为未发生地震时活塞与第二导流口的纵向距离。
5.一种防止地下结构液化上浮的方法，其特征在于，应用权利要求1-4任一项所述的防止地下结构液化上浮的装置，所述方法包括下述步骤：
步骤1：集水箱与地下结构固定连接并置于土层中，地震发生前土体没有液化，此时透水孔阻止土层中的水进入集水腔室；
步骤2：地震发生时土体液化，此时土层中孔隙水压力升高，土层中的水经透水孔流入集水腔室。
6.如权利要求5所述的一种防止地下结构液化上浮的方法，其特征在于，还包括步骤3：通过气泵将气泡排入土层中。
7.根据权利要求6所述的一种防止地下结构液化上浮的方法，其特征在于，步骤3中，气泵安放在集水腔室内，通过气泵抽取集水腔室内的空气并由加气孔排入土中，将土层中的部分水置换为空气；或者，气泵连接高压气瓶，高压气瓶安放在集水腔室内，通过气泵将高压气体由加气孔排入土层中，将土层中的部分水置换为空气。
8.根据权利要求6所述的一种防止地下结构液化上浮的方法，其特征在于，实时计算土体液化时集水箱底部受到的上浮力F，当上浮力F大于指定容许值FA时，加快气泵排气，当F小于指定容许值FA时，气泵停止工作。
9.根据权利要求8所述的一种防止地下结构液化上浮的方法，其特征在于，指定容许值FA的计算公式为FA＝(Fu+W)/k，其中，W为地下结构和集水箱的总重，Fu为地下结构顶部受到的水土竖向总压力，k为安全系数，k大于1。
10.根据权利要求9所述的一种防止地下结构液化上浮的方法，其特征在于，土体液化时集水箱底部受到的上浮力F的获取方法为：将集水箱底面划分为n个三角形，在三角形节点上布设孔隙水压力计，三角形位于水平面上并建立含x轴和y轴的直角坐标系；计算土体液化时集水箱底部受到的上浮力F，
Figure FDA0003330860810000031
其中，
Figure FDA0003330860810000032
及
Figure FDA0003330860810000033
分别为第i个三角形的三个节点坐标，
Figure FDA0003330860810000034
Figure FDA0003330860810000036
和
Figure FDA0003330860810000035
分别为第i个三角形的三个节点上的孔隙水压力，Ωi为第i个三角形的面积。
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