成都理工大学

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离心模型试验技术（论文）

离心机及在岩石工程方面的应用

学号:200810040309

姓名:郑丽娜

专业:平面设计

班级:平面设计（2）班

学院:传播科学与艺术

指导老师:李天斌

二零一一年四月

【摘要】介绍了动态离心模型试验技术的发展、原理及目前国内外的应用现状, 讨论了这一技术在土动力特性研究、堤、坝、堰失效机理研究、边坡稳定性研究、地基液化及基础沉降研究、地下空间及隧道工程研究和土与结构相互作用问题中的应用。

【关键词】动态离心模型试验；岩土工程；动力特性

正文：

一、离心机

早在20世纪40年代,前苏联就曾把离心机应用于研究有关成坑和爆炸荷载的动力问题。研究者之所以把目光投向离心机,是因为相对于昂贵和未知的现场测试来说,用离心机模型试验来研究武器功效要比现场试验更为优越。20世纪70年代,美国和英国也进行了相似的动力离心模型试验研究。

二、岩土工程

在岩土工程中, 研究土及基础在动态应力作用下的工程性质及行为, 最佳方法就是通过观测工程实践中地基和岩土构筑物在动荷载作用下的性能。然而这一方法只能在构筑物建成之后方能进行, 且耗时耗财, 不能进行参数变量研究, 试验结果难以重复。因而产生了离心机上的缩尺模型试验技术, 用以取代对实际构筑物的观测。动态离心模型试验正是一种以相似定律为基础的缩尺模型试验技术。国际上, 这一技术已逐渐成熟并在土的动力特性、堤坝沉降、边坡失稳分析、基础振动、桩基、管道系统及土石方开挖等动态研究领域得到广泛应用。可以说动态离心建模技术已发展为一门独立的科学技术, 逐渐成熟并为广大学者工程技术人员所接受。80 年代以来, 我国岩土工程中的静态离心模型试验研究取得了长足的发展, 已建成的用于岩土工程的大小离心机近十台, 在测试和试验技术方面也进展很快。目前, 动态离心模型试验研究也引起了重视。

三、动态离心模型试验的原理

研究动态离心模型试验的相似定律, 通常采用Rocha 假设: 在不同围压下应变关系相似,用于推导相似定律的主要工具是土的平衡及相容方程。干砂层的平衡方程及相容方程为：

式中:为应力张量;为应变张量;为位移; 为密度;为重力加速度; 为

空间坐标, 方向与重力方向相同;为时间; 为Kronecker′ s delta。压缩应力与

压缩应变定义为正。

用L 代表长度, U 代表位移, T 代表时间, S 代表应力, E 代表应变, 无因次方程形式如下:

式中: 带下标 0 的量为无因次量。要得到模型与原型间的相似定律, 方程(3) , (4)中的系数必须相同, 从而得到如下关系:

式中: 下标P 对应原型, 下标M 对应模型。从而每一物理量的相似比定义如下:

选择试验中可以控制的量如长度(L )、密度()和重力加速度(g ) , 其他

参数的相似比可由下式决定:

最终由方程(7)得出，相应于具体的试验条件和试验目的, 动态离心模型试验相似定律可作适当的调整, 采用具体的相似条件以达到更好的试验效果。

四、在岩土工程中的应用

1、土动力特性研究

土动力特性研究是土构筑物设计和研究的基础,因而也是动态离心模型试验研究的一个重要方面,主要集中在土动态承载能力及变形、动态摩擦、波在土中的传播和控制等方面。在土的承载能力方面,研究了40 g 离心力场及常规1 g 场中的动态土压力对沉箱型基础的作用。研究表明: 模型试验与数值分析在动态加速度响应上具有定量一致性; 而在动态土压力的定量一致性上, 在试验与数值分析之间存在或倍或半的差别。对土中波的传播问题,对此进行了离心机模拟, 这对土动态特性的评估具有一定价值, 可用于解释抗振及隔振结构模型的土工性能。研究表明: 土模量随深度而变化; 土的频率变化性是由土的惯性、阻尼反应所致, 归因于弹性波辐射、内摩擦以及惯性土2结构的相互作用;并可对受瞬态或动态荷载影响的土工结构流变特性的相关参数进行解释。在土的摩擦阻尼方面,应用离心模型试验研究土工织物交界面的动态摩擦问题。利用振动台产生滑移的加速度幅值计算动态摩擦角, 交界面上的原型压力状态通过高加速度值离心力场模拟。试验所得动态摩擦角与文献报导相一致。

2、堤、坝、堰等失效机理的试验研究

堤坝、岸墙、防护墙、围堰等在失效机理上具有一定的相似性, 研究工作多集中在对地震波的响应及液化问题上, 主要从改变填料及模型参数两方面进行

了研究。研究了重力型岸墙的地震波响应, 考察不同填料对结构失效的影响。离心试验表明: 对于具有干燥填料的重力型岸墙, 其横向位移可由纽马克滑块法计算; 而对于饱和填料, 超孔隙压力的产生增加了墙的载荷, 导致土刚度的降低并可能引发结构失效, 因此在设计中必须限制超孔隙力。对具有饱和填料的倾斜防护墙进行了离心模型试验, 发现一种准液化现象, 即在地震时土暂时失去有效压力但仍可传递基础加速度; 对地震中饱和砂土的防护墙, Mononobe2 O kabe2W estergargrd 方程可有效计算整个动态土断层的情况。在参数研究方面研究了地震对堤坝的参数特性影响。离心试验表明: 密度为 40%的砂土模型比 60%的模型更易于液化; 相同密度、相同振动下, 分层土组成的堤坝要比单层土组成的堤坝更易失效; 振动的幅值及频率对堤坝抗液化的稳定性具有重要影响。通过离心试验研究了地震中路基的特性。试验表明: 路基高度、含水量及振动加速度强烈影响坝基的振动性能, 如响应加速度及沉降;研究还表明了约 20%的缓坡可提高抗振性; 若基础地基坚固平滑, 实心坝基具有很强的抗振能力。

3、边坡稳定性研究

渗流及围压是边坡失稳的主要原因, 因而研究工作主要集中在这两方面。对波致水渗堤坝的失效进行了离心模拟, 发现其失效同砂体饱和及坡角有关。如果地下水位线到达边坡1ö 3 高度的土表层, 36°的临界边坡就会失效, 而非临界边坡在失效前完全饱和, 表明砂坝水渗失效是由渗流所致局部失稳引起的。研究了海底砂床的波致失稳。离心波动试验成功再现了由于波导致的松软砂沉积层的液化, 所测孔隙压力与由一维Po ro2弹塑性理论的计算值一致, 从而得到了定量评估部分排水对残余孔隙压力发展作用的方法。关于围压的影响问题,研究了液化所致边坡永久变形, 主要探讨了围压对边坡永久变形的影响。离心试验表明: 永久变形出现在具有剪切应力的全液化层; 如果土相对密度和边坡倾角为常数, 永久变形同液化层厚度在对数坐标纸上成直线关系; 由于直线斜率不为“1” ,在液化层, 永久变形并不随同产生常剪切应力。

4、地基液化及基础沉降研究

振动液化是土强度的一个特殊问题, 液化是地震经常发生的主要震害, 它将导致地基丧失承载能力, 造成建筑物大量沉陷和倒塌。近几十年来, 它成为国内外土动力学界致力研究的主要课题。主要研究了土的渗透性、循环荷载对地基液化及沉降的影响, 对地基承载能力及抗液化措施也进行了探索。关于土渗透性的影响,对软土地基上的地震沉降进行了研究, 通过渗透试验及离心机试验。采用硅油作孔隙流体。基础沉降主要发生在振动之后而不是振动过程中。实验发现, 液化出现在深层区,由于超孔隙压力而向上扩展。因此, 即使在振动后,液化仍继续, 沉降仍持续直至超孔隙压力消失。尽管有超孔隙压力产生, 基础下仍存在非液化区, 这主要是由于基础与荷载产生的相对较高的有效压力。试验表明, 基础沉降同输入加速度、荷载、液化层厚度、输入振动周期成正比, 而与相对密度、非液化层厚度、粒度及基础宽度成反比。对循环荷载的影响问题,进行了方形嵌入基础的横向循环加载离心试验, 以研究其横向响应。对所有试验, 横向容量的临界测量值与理论值吻合, 并满足期望的极限平衡条件。在基座刚性单元、剪切面及基础的主ö 被动面之间基本无耦合, 对割线刚度的附加规则也近似有效。所测回路面积代表每个循环由于材料阻尼的能量消散, 也符合这一附加规则。对模型基础离心试验所测的参数(临界横向容量、横向刚度、材料阻尼) , 被动面的贡献占了一半多。所测的初始割线刚度值, 包括它们在基础墙同周围土相互作用