CN108535451B - 一种箱涵式地铁车站及临近地表结构跨越地裂缝实验***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种箱涵式地铁车站及临近地表结构跨越地裂缝实验***及方法，包括：以1：40缩尺比建立地铁车站及临近地表框架结构模型，并在车站四周及横梁、横板、纵柱上布置应变片。采用剪切模型土箱模拟地裂缝场地，并在土层中布置加速度计和土压力计等分析地裂缝场地地震作用下土体的分布规律。将地铁车吊装并埋置于土体预定位置，同时地铁车站中跨跨越地裂缝。填充地铁车站上部土体，并将上部结构吊装至预定位置。本发明很好的解决了如何制作和模拟跨越地裂缝地铁车站及临近地表结构的问题，为在穿越活动性较弱或趋于稳定的地裂缝进行地铁车站等生命线工程建设的可行性研究提供依据。

Description

一种箱涵式地铁车站及临近地表结构跨越地裂缝实验***及方法

技术领域

本发明属于地裂缝实验技术领域，特别涉及一种箱涵式地铁车站及临近地表结构跨越地裂缝实验***及方法。

背景技术

地裂是由于干旱、地下水位下降、地面沉降、地震构造运动或斜坡失稳等原因造成的地面开裂，是一种特殊的地质灾害。地裂缝在世界许多国家都有记录，其发生频率和灾害程度逐年加剧，已成为一个新的、独立的自然灾害类型。它的出现不仅对各类建筑工程、交通设施、城市生命线工程及土地资源造成灾难性的直接破坏，而且可能导致一系列严重的生态环境问题。因此，开展黄土地裂缝场地结构劣化机理研究具有重要的理论意义和工程实用价值。

当前，各大城市都在大规模地建设地铁工程，修建了一批大空间的地铁车站。对地铁等生命线工程，根本无法采取避让措施，严重制约城市规划用地及发展。且地铁车站位置大都选择在繁华商业区、场馆聚集区及居民住宅区附近，其建设不可避免要邻近既有建筑物，有些出现在地裂缝场地下。其建设不可避免地要邻近或穿越既有建(构)筑物、地下基础设施。在高烈度地区，它们的安全性显得尤为重要。因此，对地下结构而言，特别在灾害场地下，考虑邻近地表结构对其地震响应影响研究十分必要。

在地裂缝环境下，地铁车站地震作用灾变行为、结构劣化机理及失效模式均与普通场地不同；同时由于地表结构与地铁车站的耦合作用机理，对地铁车站的地震反应会产生较大影响；同时对于地裂缝场地下地下结构的薄弱位置及震后加固区域的研究相对比较匮乏。这些问题有必要通过振动台模型试验进行***研究，为以后在活动性较弱或趋于稳定的地裂缝场地建设一般性建筑物提供依据。因此，进行箱涵式车站及临近地表结构跨越地裂缝实验研究方法具有重要的工程实用价值。然而现有技术中，还没有一套比较完善的箱涵式车站及临近地表结构跨越地裂缝实验***及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种箱涵式地铁车站及临近地表结构跨越地裂缝实验***及方法，以解决上述技术问题。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种箱涵式地铁车站及临近地表结构跨越地裂缝实验***，包括模型土箱、地铁车站缩尺结构模型和地表框架缩尺结构模型；所述模型土箱内壁附有泡沫塑料板，在模型土箱内填充有从待研究地裂缝附近采集的土体；在土体中埋设有土体压力计和土体加速度计，在模型土箱地表下方埋设有地铁车站缩尺结构模型，在模型土箱地表上方设有地表框架缩尺结构模型；

通过在所述地铁车站缩尺结构模型分布应变片，在地铁车站缩尺结构模型周边分布地铁车站加速度计，对箱涵式地铁车站及临近地表结构跨越地裂缝进行测试，观察地铁车站缩尺结构模型动力特性的变化。

进一步的，所述土体压力计埋设在地铁车站缩尺结构模型水平中轴线两侧和沿水平中轴线顶端垂直方向，沿水平中轴线顶端垂直方向布置的土体压力计与模型土箱的泡沫塑料板的距离不小于300mm。

进一步的，所述地铁车站缩尺结构模型埋设位置深度距土体表面不小于20mm。

进一步的，所述地铁车站缩尺结构模型为矩形闭合箱涵式钢筋混凝土结构，在矩形箱体中设有一根横板与两排纵柱，纵柱的两端和中部设有横梁，应变片分别设在矩形箱体内壁、横板上方和纵柱两侧。

进一步的，所述地铁车站加速度计分布在矩形箱体纵柱外侧两端、矩形箱体横板外侧两端以及矩形箱体顶角处。

进一步的，所述地表框架缩尺结构模型埋设位置位于地裂缝破裂面的上覆，且使得地表框架缩尺结构模型与地铁车站缩尺结构模型的垂直距离在100mm～200mm之间。

进一步的，所述地表框架缩尺结构模型为钢框架结构。

本发明的一种箱涵式地铁车站及临近地表结构跨越地裂缝实验方法，包括以下步骤：

1)建立地铁车站缩尺结构模型，选择地铁车站缩尺结构模型的主观测面及次观测面，在地铁车站主观测面上布置加速度计，在主观测面横梁、纵柱及横板上布置应变片，在次观测面柱上布置应变片；

2)主观测面加速度计布置在车站模型两侧分为三层布置，应变片布置在地铁车站结构横梁、横版、纵柱上；次观测面仅布置应变片，且将应变片布置于地铁车站纵柱上；

3)加速度计分别布置在地裂缝场地的上盘与下盘，从土体表面到土体内分为五层布置；

4)填充场地土体，并使用细粉砂和熟石灰拌合而成的混合物模拟地裂缝带场地土直至矩形闭合框架地面所处的预定高度；

5)将地铁车站缩尺结构模型吊装到土体预定位置，通过分析软件对实验***进行模拟，计算出能够最大程度地反映地震对地铁车站的影响的地铁车站缩尺结构模型埋设位置；

6)填充地铁车站缩尺结构模型四周土体及地铁车站顶部土体，同时完成地铁车站缩尺结构模型顶部地裂缝带土体填充，使用细粉砂和熟石灰拌合而成的混合物模拟地裂缝带场地土；

7)将上部框架缩尺结构模型吊装到土体预定位置，且使得地表框架缩尺结构模型与地铁车站缩尺结构模型的垂直距离在100mm～200mm之间，上部框架缩尺结构模型底部埋入土中；

8)试验开始前先进行白噪声激励的微振试验，在加速度计峰值改变时，均输入微幅白噪声激励，观察地铁车站缩尺结构模型动力特性的变化情况。

本实验中，地震波采用单向水平输入；地震波类型包括汶川波、EL Centro波、兰州人工波和Cape Mendocino基岩波进行加载，将每种波的台面输入加速度峰值分别调整为0.05g、0.1g、0.15g、0.2g、0.3g…，直到模型发生破坏。

本发明的有益效果在于：通过该试验，完善了箱涵式车站及临近地表结构跨越地裂缝实验***及方法，解决了如何制作和模拟跨越地裂缝地铁车站及临近地表结构的问题，并分析了地下结构-地裂缝场地土-地表结构模型在不同振动载荷作用下的动态响应特性，研究了邻近地上结构对处于地裂缝环境中地下结构的地震响应影响规律，并为该研究的理论分析和模拟分析等提供了实验依据，同时为处于该类场地的地铁车站设计及震后加固提供参考。

附图说明

图1为本发明一种箱涵式地铁车站及临近地表结构跨越地裂缝实验***中实验传感器布置图；

图2主观测面和次观测面位置；

图3(a)为地铁车站主观测面应变片布置位置；图3(b)为次观测面应变片布置位置；

图4为地铁车站加速度计布置位置；

图5为地铁车站配筋图；

图6钢筋笼示意图；

图中：1-模型土箱，2-泡沫塑料板，3-地铁车站缩尺结构模型，4-地铁车站加速度计，5-应变片，6-土体压力计，7-土体加速度计，8-地表框架缩尺结构模型，9-地裂缝，10-锡丝焊点，11-纵筋，12-箍筋。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

请参阅图1所示，本发明一种箱涵式地铁车站及临近地表结构跨越地裂缝实验***，包括模型土箱1、地铁车站缩尺结构模型3和地表框架缩尺结构模型8。模型土箱1内壁附有泡沫塑料板2，在模型土箱1内填充有待研究地裂缝9附近采集的土体；地裂缝9将土体分成上盘和下盘，地裂缝破裂面的上覆一侧为上盘，下伏一侧为下盘，地裂缝通常与地面形成70-80°的夹角。在土体中埋设有土体压力计6和土体加速度计7，在模型土箱1地表下方埋设有地铁车站缩尺结构模型3，在模型土箱1地表上方设有地表框架缩尺结构模型8，地表框架缩尺结构模型为钢框架结构；通过在所述地铁车站缩尺结构模型3分布应变片5，在地铁车站缩尺结构模型3周边分布地铁车站加速度计4，对箱涵式地铁车站及临近地表结构跨越地裂缝进行测试，观察地铁车站缩尺结构模型动力特性的变化。

模型土箱1填充有从待研究地裂缝附近采集的土体；为了防止土箱内土和水漏出，同时减小箱壁侧向变形刚度过大而导致的边界效应，本试验箱体内壁从里到外依次布置0.8mm厚橡胶薄膜和3cm厚聚苯乙烯泡沫塑料板2，其中具体数值通过对土箱边界效应进行分析研究确定。土体中间通过0.5cm的木板制备形成模拟地裂缝，地裂缝中填充细粉砂和熟石灰拌合而成的混合物(细粉砂粒径选取2mm以下，细粉沙和熟石灰的质量比是2:1；填充熟石灰是为了观察地裂缝场地地震作用下地裂缝的发展趋势和变化情况。加速度计分别布置在地裂缝场地的上盘与下盘，从土体表面到土体内分为五层布置，竖向间隔为300mm，且地裂缝两侧布置密集，土箱两侧布置松散，土表面布置的加速度计是为了验证边界效应；土体内横向布置是为了探讨地裂缝的存在对土体加速度反应的影响。同时沿模型土箱四周布置土压力计，分析土压力对地铁车站侧墙的影响。地铁车站为两层双柱三跨箱涵式地铁车站，为矩形闭合箱涵式钢筋混凝土结构，在矩形箱体中设有一根横板与两排纵柱，纵柱的两端和中部设有横梁，在矩形箱体内壁、横板上方和纵柱两侧分别分布有应变片5，地铁车站加速度计4在模型结构四周设置，分为三层布置，地铁车站加速度计4分布在矩形箱体纵柱外侧两端、矩形箱体横板外侧两端以及矩形箱体顶角处，如图4所示；选择主、次观测面如图2所示。应变片布置在主观测面地铁车站模型横梁、横版、纵柱上和次观测面地铁车站模型纵柱上，如图3(a)、图3(b)所示，其中箱涵式地铁车站中跨跨越地裂缝；箱涵式车站按图5所示进行配筋，车站纵柱内箍筋按图6所示钢筋笼进行制作；地表框架结构位于地裂缝上盘。对预埋加速度计进行防水处理，采用立方体有机玻璃盒对加速度传感器进行防水处理，通过计算得出立方体玻璃盒边长和体积，使得加速度传感器和有机玻璃盒的整体密度等于所埋位置土体密度，使用螺栓把加速度传感器固定在立方体有机玻璃盒底部，以保证加速度传感器测量土体振动的加速度，然后用硅胶将立方体有机玻璃盒密封，最后用保鲜膜对立方体有机玻璃盒进行包裹。

为了防止土箱内土和水漏出，同时减小箱壁侧向变形刚度过大而导致的边界效应，本试验箱体内壁从里到外依次布置橡胶薄膜和聚苯乙烯泡沫塑料板2，其中具体数值通过对土箱边界效应进行分析研究确定。实验***如图1所示。

本发明的箱涵式地铁车站及临近地表结构跨越地裂缝实验***制作包括以下步骤：

(1)建立地铁车站缩尺结构模型，选择主观测面及次观测面，在地铁车站主观测面上布置加速度计等，在主观测面横梁、纵柱及横板上布置应变片，在次观测面柱上布置应变片。

(1.1)主观测面加速度计布置在车站模型两侧，分为三层布置，应变片布置在地铁车站结构横梁、横版、纵柱上；次观测面仅布置应变片，且将应变片布置于地铁车站纵柱上；

(1.2)地铁车站原型结构尺寸为20.5m×13.21m(宽×高)，轴线长度取为40m，纵柱横断面尺寸为500mm×400mm，顶板、站厅层和站台层厚度分别为800mm、400mm和900mm。由于模型尺寸相似比为1:40，经计算得缩尺后模型的尺寸确定为512.5mm×330mm×1000mm，两层双柱三跨箱涵式地铁车站，纵柱横断面尺寸为12.5mm×10mm，顶板、站厅层和站台层厚度分别为20mm、10mm和22.5mm。纵柱、横梁和横板钢筋保护层厚度均为1mm，横梁、纵柱主筋采用#20或#22镀锌铁丝来模拟，箍筋用#24镀锌铁丝来模拟，并用MC8微粒混凝土模拟原型中C40混凝土；

(1.3)进一步的，一方面箍筋采用的镀锌铁丝太细，无法顺利绑扎在纵筋11上，另一方面，如果采用绑扎箍筋，1mm保护层厚度无法保证，后期浇筑混凝土极易露筋或者导致钢筋笼扭曲。经过反复试验，本发明在制作横梁、纵柱钢筋笼时采用了锡丝焊接的方法，如图6所示。锡丝焊有以下优点，首先锡丝焊点10小，可以保证保护层厚度；其次锡焊效果好，不易脱落，且可以将对主筋的扰动减小到最小，保证钢筋笼的形状规则。制作钢筋笼前，首先制作固定两侧纵筋木模，将纵筋通过模板固定，再将制作好的箍筋12穿入焊接；

(1.4)进一步的，箱涵式地铁车站结构顶板、站厅层和站厅层配重分别为54kg、78kg和111kg。考虑模型结构的承载能力，采用不完全配重法模拟原型结构的惯性力效应。

(2.1)建立上部框架结构缩尺结构模型，计算得缩尺后模型的尺寸确定为1220mm×1060mmx1200mm，共五层三榀三跨，均选用5mm厚钢板切割成对应大小；

(2.2)计算得缩尺后模型柱横断面尺寸为33mm×33mm；

(2.3)通过焊接连接模型钢板与柱，完成上部结构缩尺模型的制作。

(3)为更好地模拟土体振动时的剪切变形，试验拟采用层状剪切模型土箱，并使用细粉砂和熟石灰拌合而成的混合物模拟地裂缝带场地土，方便后期观察地裂缝发展走向，同时布置加速度计和土压力计等。

(3.1)为了防止土箱内土和水漏出，同时减小箱壁侧向变形刚度过大而导致的边界效应，本试验箱体内壁从里到外依次布置0.8mm厚橡胶薄膜和3cm厚聚苯乙烯泡沫塑料板，其中具体数值通过对土箱边界效应进行分析研究确定；

(3.2)采集西安地裂缝f4附近场地土并晾晒、过筛、装袋，测其含水率。根据土箱容积，按场地各层土体含水率及密度，计算每层模型土所需水的体积和土体重量。用喷壶对土体进行均匀喷洒后即可满足含水率要求；

(3.3)在预夯实土体表面铺设木板，再采用夯机进行夯实作业，每层夯实至预定高度后，将土体表面拉毛，以促进上下层的粘结，直至达到地铁车站底面预埋高度；

(3.4)加速度计分别布置在地裂缝场地的上盘与下盘，从土体表面到土体内分为五层布置，竖向间隔为300mm，且地裂缝两侧布置密集，土箱两侧布置松散，土表面布置的加速度计是为了验证边界效应；土体内横向布置是为了探讨地裂缝的存在对土体加速度反应的影响；

(3.5)对预埋的加速度传感器进行防水处理：采用立方体有机玻璃盒对加速度计进行防水处理，通过计算得出立方体玻璃盒边长和体积，使得加速度计和有机玻璃盒其整体密度等于模型土体密度。用螺栓把加速度计固定在小盒底部，以保证传感器正确测量土体振动时的加速度，然后用硅胶将小盒密封，最后用保鲜膜对有机玻璃盒进行包裹以确保其防水效果。

(4)将缩尺地铁车站吊装到土体预定位置，通过分析软件对实验***进行模拟，计算出能够最大程度地反映地震对地铁车站的影响的地铁车站缩尺结构模型埋设位置，本实施例车站顶板距土体表面为30mm。

(5)填充地铁车站四周土体及地铁车站顶部土体，同时完成地铁车站顶部地裂缝带土体填充，使用细粉砂和熟石灰拌合而成的混合物模拟地裂缝带场地土。

(5.1)在预夯实土体表面铺设木板，再采用人工夯实进行夯实作业，每层夯实至预定高度后，将土体表面拉毛，以促进上下层的粘结，直至达到土箱顶面。

(6)将上部框架缩尺结构模型吊装到土体预定位置，此时使得地表框架缩尺结构模型与地铁车站缩尺结构模型的垂直距离为150mm，上部框架缩尺结构模型底部埋入土中。

实验实施过程：为了测定模型的初始动力特性，试验开始前先进行白噪声激励的微振试验。在加速度峰值改变时，均输入微幅白噪声激励，观察模型动力特性的变化情况，白噪声幅值0.05g。本次试验中，地震波采用单向水平输入。地震波类型包括汶川波(W)、ELCentro波(1940，N—S向，代号E，截取前30s时程)、兰州人工波(X向)和Cape Mendocino基岩波进行加载。为了研究地震动参数对边坡动力响应的影响，将每种波的台面输入加速度峰值分别调整为0.05g、0.1g、0.15g、0.2g、0.3g…，直到模型发生破坏。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种箱涵式地铁车站及临近地表结构跨越地裂缝实验方法，其特征在于，实验方法所采用的***包括：模型土箱（1）、地铁车站缩尺结构模型（3）和地表框架缩尺结构模型（8）；所述模型土箱（1）内壁附有泡沫塑料板（2），在模型土箱（1）内填充有从待研究地裂缝附近采集的土体；在土体中埋设有土体压力计（6）和土体加速度计（7），在模型土箱（1）地表下方埋设有地铁车站缩尺结构模型（3），在模型土箱（1）地表上方设有地表框架缩尺结构模型（8）；

试验方法包括以下步骤：

1）建立地铁车站缩尺结构模型，选择地铁车站缩尺结构模型的主观测面及次观测面，在地铁车站主观测面上布置加速度计，在主观测面横梁、纵柱及横板上布置应变片，在次观测面柱上布置应变片；

2）主观测面加速度计布置在车站模型两侧分为三层布置，应变片布置在地铁车站结构横梁、横版、纵柱上；次观测面仅布置应变片，且将应变片布置于地铁车站纵柱上；

3）加速度计分别布置在地裂缝场地的上盘与下盘，从土体表面到土体内分为五层布置；

4）填充场地土体，并使用细粉砂和熟石灰拌合而成的混合物模拟地裂缝带场地土直至矩形闭合框架地面所处的预定高度；

5）将地铁车站缩尺结构模型吊装到土体预定位置，通过分析软件对实验***进行模拟，计算出能够最大程度地反映地震对地铁车站的影响的地铁车站缩尺结构模型埋设位置；

6）填充地铁车站缩尺结构模型四周土体及地铁车站顶部土体，同时完成地铁车站缩尺结构模型顶部地裂缝带土体填充，使用细粉砂和熟石灰拌合而成的混合物模拟地裂缝带场地土；

7）将上部框架缩尺结构模型吊装到土体预定位置，且使得地表框架缩尺结构模型与地铁车站缩尺结构模型的垂直距离在100mm~200mm之间，上部框架缩尺结构模型底部埋入土中；

8）试验开始前先进行白噪声激励的微振试验，在加速度计峰值改变时，均输入微幅白噪声激励，观察地铁车站缩尺结构模型动力特性的变化情况。

2.根据权利要求1所述的箱涵式地铁车站及临近地表结构跨越地裂缝实验方法，其特征在于，地震波采用单向水平输入；地震波类型包括汶川波、EL Centro波、兰州人工波和Cape Mendocino基岩波进行加载，将每种波的台面输入加速度峰值分别调整为0.05g、0.1g、0.15g、0.2g、0.3g…，直到模型发生破坏。

3.一种权利要求1-2任一项所述方法采用的箱涵式地铁车站及临近地表结构跨越地裂缝实验***，其特征在于，通过在所述地铁车站缩尺结构模型（3）分布应变片（5），在地铁车站缩尺结构模型（3）周边分布地铁车站加速度计（4），对箱涵式地铁车站及临近地表结构跨越地裂缝进行测试，观察地铁车站缩尺结构模型动力特性的变化。

4.根据权利要求3所述的箱涵式地铁车站及临近地表结构跨越地裂缝实验***，其特征在于，所述土体压力计（6）埋设在地铁车站缩尺结构模型（3）水平中轴线两侧和沿水平中轴线顶端垂直方向，沿水平中轴线顶端垂直方向布置的土体压力计（6）与模型土箱（1）的泡沫塑料板（2）的距离不小于300mm。

5.根据权利要求3所述的箱涵式地铁车站及临近地表结构跨越地裂缝实验***，其特征在于，所述地铁车站缩尺结构模型（3）埋设位置深度距土体表面不小于20mm。

6.根据权利要求3所述的箱涵式地铁车站及临近地表结构跨越地裂缝实验***，其特征在于，所述地铁车站缩尺结构模型（3）为矩形闭合箱涵式钢筋混凝土结构，在矩形箱体中设有一根横板与两排纵柱，纵柱的两端和中部设有横梁，应变片（5）分别设在矩形箱体内壁、横板上方和纵柱两侧。

7.根据权利要求3所述的箱涵式地铁车站及临近地表结构跨越地裂缝实验***，其特征在于，所述地铁车站加速度计（4）分布在矩形箱体纵柱外侧两端、矩形箱体横板外侧两端以及矩形箱体顶角处。

8.根据权利要求3所述的箱涵式地铁车站及临近地表结构跨越地裂缝实验***，其特征在于，所述地铁车站加速度计（4）采用立方体有机玻璃盒密封，并固定在有机玻璃盒底部；地铁车站加速度计（4）和有机玻璃盒其整体密度等于模型土体密度。

9.根据权利要求3所述的箱涵式地铁车站及临近地表结构跨越地裂缝实验***，其特征在于，所述地表框架缩尺结构模型（8）埋设位置位于地裂缝破裂面的上覆，且使得地表框架缩尺结构模型（8）与地铁车站缩尺结构模型（3）的垂直距离在100mm~200mm之间。

10.根据权利要求9所述的箱涵式地铁车站及临近地表结构跨越地裂缝实验***，其特征在于，所述地表框架缩尺结构模型（8）为钢框架结构。

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