土工离心模型试验技术若干关键问题研究

发布时间：2020-04-20 22:18

【摘要】：土工离心模型试验以“时间”、“空间”压缩效应为特点,利用离心加速度场补偿模型缩尺而引起的自重应力损失,还原模型与原型之间1:1应力-应变状态,使之拥有其它任何物理缩尺试验无可比拟的优势,被科学界公认为21世纪最具前景、最具潜力的物理模拟试验手段之一。在岩土工程领域,其通过再现模型与原型一致应力水平和空间材料及结构变化,能直接研究自重及地震等荷载作用下边坡滑塌、堤/坝/堰开裂、场地液化、地基失效、挡土墙失稳等岩土工程对象的破坏过程与失效机理,突破了传统物理试验由“介质”到“对象”的束缚。鉴于其优越性与先进性,我国大量学者相继投身和致力于土工离心机研发工作,虽起步比国际迟约50年,但过去廿年已成功建设土工离心机30余台,数量位居世界第二。通过我国学者们的不懈努力,使我国土工离心机在数量规模和性能指标上取得了举世震惊的长足进步,为岩土工程前沿重大问题研究和交叉分支学科发展提供了优越平台。但是,随着研究深入和范围拓展,模型试验结果与原型的偏离现象和平行试验中结果的离散程度呈急剧上升趋势,其原因则在于学者们一直致力于设备技术开发,而忽略了试验模拟技术的发展。受离心加速度场的特殊性、模型1g至Ng状态变化的复杂性、岩土体多相耦合的力学特点及不确定性等约束,确定了土工离心模型试验的产出水平,不仅依赖于性能先进的试验设备,还取决于正确、有效、完备的试验模拟技术。因此,探讨土工离心试验模拟技术的关键问题和发展适应基础理论、设计方法及新型技术,对提升土工离心试验的整体创新水平和国际一流成果产出能力极其重要。本文以中国地震局工程力学研究所CSIEM-40-300大型动力离心机建设为契机,以应力相似差异特征、砂雨法控制要素、黏滞系数配比标准等三方面关键问题为切入点,联袂理论推导、物理试验、震害调查、数值仿真等方法开展系统研究工作,以建立模型设计基本准则、弥补制模技术基础理论和提出实用化配比标准为目标。同时,考虑土工离心机的独特性和通用化性能测试方法的欠缺,以CSIEM-40-300土工离心机为样本,介绍动力离心机的基本构成和探讨主要性能测评方法,为同类设备性能评价及验收和相关标准的修订提供重要参考。主要研究工作与创新成果如下:1.剖析了离心加速度场与自然重力场的差异特征及成因,以环境特征与模型应力的内在关联为基础,首次提出了总体分布应力、附加侧向应力、耦合动应力三个概念与定义,以揭示离心加速度随半径变化、辐射分布和旋转机制对模型应力状态的影响。基于三个概念与定义,建立数学模型与推导表达式,给出了模型三方面应力相似差异的关键表征参数和设计准则,为有效半径取值、离心加速度、旋转角速度、模型高度、模型宽度等试验设备和模型参数设计建立了重要依据。2.利用自主研发的鸭嘴式砂雨法制模装置,开展了干砂与饱和砂模型制备对比试验,提出了稳定相对密度新概念与定义,解析了两种模型制备的主控要素及影响规律和密实度范围差异,给出了模型空间均匀分布特征与测试评价方法。基于流-固耦合理论和颗粒流速动力方程,构建与推导了描述砂雨法制备过程的单一颗粒、颗粒簇等两种简化数学模型与表达式,揭露了砂雨法制模的内在原理与关键参数作用机制,填补了以往砂雨法制模研究的基本理论空白。3.阐述了国内外土工离心液化试验两种黏滞系数配比标准,指明了实际应用存在的矛盾。以汶川Ms8.0地震液化场地剪切波速统计数据为条件,通过自主研发的V_s-e-k联合测试装置与标定试验,提出了一般性V_s-k关系表达式,给出了基于V_s的黏滞系数配比标准。采用FLAC有限差分数值平台与液化、非液化场地记录,验证了1g原型和Ng缩尺模型液化数值试验可行性,分析渗透系数对孔压比极值的影响规律及范围,提出了基于FLAC黏滞系数配比标准。两种配比标准对比,证明了配比标准的可靠性、通用性和渗透系数是影响液化阈值的一个惰性参数。4.介绍了CSIEM-40-300大型动力离心机基本指标和功能特点,阐述了各子系统的核心组成、设计结构和关键技术。搜集并总结了国内外土工离心机性能测试相关方法及经验和大型模拟试验设备相关规程,提出了验收大纲的编制要点及流程、安全操控原则及重要事项、性能测试方法及衡量标准等,在CSIEM-40-300大型动力离心机设备验收中得到应用,验证了提出方法及标准的有效性和普适性,为土工离心机性能测试评价相关规范的制定,建立了重要指导方法和有益借鉴。
【图文】：

模拟系统,振动模拟,振动台,吊篮

图 1-8 香港科大（HKUST）水平双向动力离心振动模拟系统韩科院（KAIST）水平双向离心振动模拟系统，满载振动加速度上限 20g，振动负载 0.7t，模型尺寸 67cm 67cm 65cm，由法国 Actidyn 公司负责设计建造。与 HKUST 离心机振动台相同，其通过两组正交作动器实现二维双向振动控制。不同之处在于，为了防止激振力通过吊篮-转臂机构传递给离心机主轴，造成设备寿命的折减和安全隐患，此台离心机振动台首次将动态反力平衡技术应用于振动台的隔震处理当中，通过反力配重，，对振动扰力进行了有效隔离，主机系统与振动模拟系统结构如图 1-9 所示。振动台基座转臂配重吊篮蓄能器振动台作动器

离心机,容量

图 1-18 我国已建成离心机及离心机振动台容量概览.2 若干关键技术问题前述离心模型试验相关研究与建设成果表明，我国的土工离心机建造与研制技术已达到了国际先进水平，设备数量与容量也已位居世界前列。在的大力支持下，我国仍处于离心机建设的热潮之中，国内各家土工离心设继日的运转。但高质量研究成果的低产出速度，也是目前国内离心模型试用的现实。造成这一现状的根源在于，设备建造研制“硬实力”与试验模拟实力”的发展不均衡。目前国内外诸多学着也逐渐认识到这一问题的严重性加强基础试验技术研究（陈正发等，2004）。本小结节针对几点关键试验进行简要阐述。.2.1 应力相似误差土颗粒作为岩土场地及构筑物模型的主要材料，具备散粒体材料典型的学特性，致使岩土模型变形、破坏机理与内部应力应变状态密切相关。土验模拟原理，即通过设备高速旋转，在转臂端部吊篮中产生倍于重力的
【学位授予单位】：中国地震局工程力学研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU41

【参考文献】