考虑动本构关系相似的模型土设计及相似判定体系研究

模型土的设计是土与结构相互作用（SSI）振动台试验的重要组成部分。对当前振动台试验模型土的设计方法进行简要介绍,分析当前设计方法的不足。基于土体动应力-动应变关系的骨干曲线方程推导出控制原型土与模型土动力特性相似关系的指标,提出利用土体的剪切模量比 随剪应变 的变化关系曲线和参考应变 的相似比作为模型土设计的控制因素。开展模型土的动三轴试验,得到了模型土 - 关系曲线和 值,对模型土与原型土 - 关系和 值相似性进行了比较,并建议将曲线相关系数、曲线不均匀系数和曲线的曲率系数作为原型土和模型土 - 曲线相似度高低的评价指标。研究结论对于振动台试验中模型土的设计具有指导意义。     

岩溶桩基振动台试验中岩体相似材料的配比研究

振动台模型试验是现阶段研究地震条件对工程实际影响的有效手段,而选择合适的材料配比是成功模拟原型工程的关键。依托渝黔铁路周家湾大桥,基于分离相似设计方法,采用正交试验以及二次细化试验相结合对模型所需的岩质材料进行配比研究。试验选用重晶石粉、石英砂、铁精粉、石膏以及松香酒精溶液为配比材料,正交试验以岩体密度、重力加速度、几何尺寸为控制指标,通过极差分析法确定各试验材料含量对模型岩体主要参数的影响程度。再利用二次试验进行细化分析,确定最终的材料配合比例。结果表明:（1）各配比材料的比重均会对材料的变形模量、黏聚力及内摩擦角等主要参数造成不同侧重、不同程度的影响。（2）分离相似设计方法可以很好地选择出相似试验中各个部件的主要参数,正交试验和二次细化试验能够快速高效的对主要参数进行设计和测试,最终找出满足模型试验要求的最佳配合比。     

预应力锚索格构梁作用下边坡土中应力分布的室内模型试验研究

预应力锚索格构梁由于其多方面的优点而在工程中得到了广泛的应用。但到目前为止，对预应力锚索格构梁的设计计算还没有提出一个合理的计算模型。本文针对现有计算模型对格梁底部地基反力的分布假设的不足，进行了预应力锚索格构梁的室内模型试验，并对格梁底部土体应力的实际分布情况进行了分析。分析结果显示，土中应力随锚索预应力的增大而增大，且格梁底部的基底反力并非成直线或线性变化，而是与所加锚索的位置有关，因此不能简单地将格构梁看成刚性梁。最后，就本模型试验所存在的不足对今后的研究方向提出了几点建议。     

土-结爆炸冲击相互作用模爆试验相似设计方法

模爆试验是研究爆炸冲击荷载作用下地基动力性能、土-结爆炸冲击相互作用及埋地防护结构抗爆能力与破坏机理等的重要手段之一。模型相似设计是确保模爆试验能够尽可能真实地反映原型爆炸冲击动力性状的关键之一。以上覆饱和砂土层对浅埋地下圆拱直墙式防护隧道免遭炸弹触地爆炸触发地冲击波破坏的保护效应为研究目的,基于目前广泛应用的Bockinghamπ定理,采用量纲分析方法,并且结合考虑土-结体系非线性爆炸冲击动力响应、土-结接触面爆炸冲击动力响应以及爆炸地冲击波-结构动力相互作用等的相似性,求解土-结爆炸冲击相互作用模爆试验的模型设计相似关系。     

岩质边坡预应力锚索加固的优化设计方法

预应力锚固是改善岩质边坡稳定性的主要手段,尤其在水利水电工程建设中,通常采用预应力锚索(杆)来加固不稳定的边坡。然而,至今为止,用于确定预应力锚索长度、间距、锚孔直径及单束锚索荷载等参数的设计方法仍然是没有很好解决的问题,所用方法大多过于保守。在分析锚固系统失效模式的基础上,应用优化与决策分析的理论,提出了确定岩锚设计参数的优化方法,并分别对锚固间距、锚固角、锚索荷载及内锚段长度进行了优化分析。实践证明了该方法的经济性及可行性。     

地下商场结构对地面运动影响的振动台试验研究

为了研究地下空间结构对场地地震反应的影响,以一个三层地下商场结构为原型,设计并开展了土-地下空间结构动力相互作用振动台模型试验,研究了在6条不同卓越频率输入地震波在不同峰值加速度下场地地震反应的变化规律。试验研究结果表明:(1)地表水平加速度放大系数以结构中轴线为对称轴呈对称分布,地下结构显著影响上方及邻近场地的地表水平加速度。同时,由于地下空间结构的局部场地效应影响,即使在水平地震输入下也将导致场地产生竖向振动,地表竖直加速度放大系数呈M形分布。地下空间结构的影响范围可达到其两侧各一倍宽度距离。(2)地表加速度放大系数受输入地震波卓越频率的影响明显,且随着输入地震波的峰值加速度(PGA)的增大而降低,但空间放大系数随着PGA的增大而增大。(3)地表加速度Fourier谱的峰值频率受输入地震波的卓越频率、场地水平方向的固有频率和竖向固有频率的综合影响。     

基于位场分离方法的极地冰盖重力异常剥离：以模型试验为例

为了提高极地重力数据处理的质量,降低巨厚冰层对重力数据解释的影响,将极地大陆冰盖引起的重力异常从叠加异常中剥离出来成为极地重力数据处理的重要步骤之一。针对该问题,本文建立两个极地大陆冰层构造模型,对不同模型进行正演获得对应布格重力异常,再尝试利用三种位场分离方法,包括趋势分析法、向上延拓法和优化滤波法,对冰层引起的重力异常进行剥离试验,基于模型试验结果对比分析不同位场分离方法对极地冰层重力效应剥离的应用效果。模型试验结果显示,趋势分析法在冰层界面起伏较平缓情况下效果较好,但当冰层界面起伏复杂时难以用数学表达式精确拟合区域场,因此易在结果中引入虚假异常;向上延拓法在局部场源较浅的异常分离中效果较好,但由于极地模型冰盖深度较深及延拓高度选取不合理,在试验中出现了分离不足的情况;优化滤波法在相对复杂模型中分离效果相对好,但由于频段选取的主观性,使得该方法也易出现分离不足或过度情况。综合上述模型试验表明,在剥离极地冰盖引起的重力异常时,由于极地冰盖厚度起伏等地质情况复杂多变,应结合实际地质情况及其他可获得的地球物理资料进行综合分析,选择适用于具体情况的分离方法。     

BFRP锚杆加固斜坡对地震动的响应特征——以功东高速响水河边坡为例

功东高速公路地震活动主要受小江断裂带控制,该活动断裂带曾经发生了多次破坏性强震,地震作用造成的边坡失稳以及对原有支护结构的损坏,对公路交通运营带来了极大的安全隐患,严重威胁着人民的生命和财产安全。鉴于此,本文通过振动台试验,对无支护边坡与BFRP锚固边坡在EL地震波作用下的加速度及动应力响应情况进行了研究,旨在为高速公路边坡的抗震设计提供一定的理论支撑,得到以下结论:(1)当输入地震波加速度峰值相同时,对应的高程处,无支护侧坡面的加速度放大系数比支护侧的加速度放大系数要大,表明BFRP锚固结构对边坡的加速度放大系数起到了有效地抑制作用,从而提高了边坡的整体稳定性。(2)由于地震波在坡体内传播介质不均匀的原因,使得坡面各测点加速度放大系数随输入地震波加速度峰值的增大并非呈现线性增加的关系,而是一种"锯齿状"的变化趋势。(3)BFRP锚固结构加固边坡二级坡坡面附近单元体压应力最大,坡体内部在三级坡后单元体压应力最大,而无支护边坡坡面主要承受边坡上部的拉应力,边坡体内单元受力并不均匀,表明BFRP锚固结构可以改变边坡单元体的受力状态。     

振动台试验三维层状剪切模型箱的设计及性能测试

在研究地震荷载作用下土-结构动力相互作用的问题和验证方法时,振动台试验被认为是一种有效的工具。试验时应使用合适的模型土箱,试验模型箱的边界效应成为直接影响模型试验结果准确性的重要因素。设计制作了一个由19层圆形环组成的三维层状剪切模型箱,高度为1 800 mm,内径为4 500 mm,层间铝合金框架采用三向运动支撑件连接。开展了模型箱振动台试验,通过埋设在土体中不同深度和位置的加速度计获取的地震反应来研究箱体的边界效应。试验时振动台面输入用于核电工程设计AP1000谱三维地震动。比较了不同深度各测点的加速度时程和反应谱值,计算得到从箱体中心到边缘测点的土体反应的峰值加速度的相对误差值,采用谱比法计算得到加速度反应谱相对误差值。试验及分析结果表明,设计的三维层状剪切模型箱在3个方向上都具有良好的真实场地无限边界条件的模拟效果,解决了现有层状剪切模型箱仅能单向或双向输入水平地震激励的不足。     

水泥和石膏胶结相似材料配比的确定方法

对以水泥和石膏为胶结材料、石英砂和重晶石粉为骨料的相似材料,规范了其制作原料与工艺,以砂胶比（骨料与胶结材料质量比）、水膏比（水泥与石膏质量之比）和重晶石含量（重晶石质量占骨料百分比）为控制因素,设计了一个正交试验,开展了称重、单轴压缩试验,获得了不同配比相似材料的密度、单轴抗压强度和弹性模量等物理力学性质指标。采用极差分析法分析了各因素的敏感性,研究了各因素对相似材料参数的影响规律。研究表明：重晶石含量对相似材料密度有明显的控制作用,而砂胶比和水膏比对密度也有明显的影响;砂胶比对相似材料单轴抗压强度和弹性模量影响最大,水膏比和重晶石含量的影响次之。相似材料密度随砂胶比的增大而降低,随水膏比和重晶石含量的增大而增大;抗压强度随砂胶比的增大而显著降低,但随着水膏比和重晶石含量的增大而缓慢增大;弹性模量随砂胶比的增大而显著降低,随重晶石含量增大而增大,随水膏比增大而缓慢升高。采用MATLAB程序对试验数据进行多元线性回归分析,得到确定相似材料配比的经验方程。工程应用证明,采用经验方程计算得到相似材料配比,并按规范的制作工艺,可以得到满足试验要求的相似材料。     

水库型滑坡模型试验相似材料的研制及应用

相似材料的研制是滑坡模型试验的关键。在相似材料的研究基础上,通过大量的配比试验,结合模糊综合评价法对不同配比材料的相似性进行比较,研制出同时模拟物理力学性能相似和渗流作用相似的水库型滑坡相似材料,这种材料由标准砂、滑体土、膨润土和水溶液混合而成。同时通过库水作用下滑坡模型试验评价该材料的相似效果,记录水位升降过程中坡内的孔隙水压力变化、渗流变化、滑面形态及裂缝形成发展过程。试验结果表明,库水对岩土体物理力学性质的弱化和坡内指向临空面的渗透压力是滑坡产生的主要诱发因素;水库型滑坡的破坏模式为有多级滑面的牵引式破坏;试验观测的浸润线与理论计算结果基本吻合。该相似材料的物理力学性能和渗流效果均能达到试验相似要求,模拟库水作用下滑坡变形破坏过程的效果良好,是一种比较理想的水库型滑坡模型相似材料。研究结果为进一步开展大型水库型滑坡模型试验提供了科学依据。     

软岩流变相似材料的研制及物理模型试验应用

目前能合理模拟软岩流变效应的相似材料很少,而采用模型试验法研究软岩工程的长期流变效应也处于探索阶段。为给软岩流变模型试验提供合适的相似材料,研制出一种以铁粉、重晶石粉和石英砂为骨料,松香酒精溶液为胶结剂,液压油为黏滞剂的软岩流变相似材料。该相似材料强度低,流变性强,不仅可模拟软岩的瞬时弹塑性性质,也能较好模拟软岩的流变特性。假定骨料比例恒定,调节松香酒精溶液浓度m和液压油含量w,开展了一系列梯度配比试验。研究表明：（1）该相似材料的主要瞬时强度变形参数和西原模型流变参数均受m和w两因素的双重影响;（2）松香酒精溶液浓度越大,试样强度越大,流变性越小;（3）液压油含量越大,试样强度越小,流变性越明显;（4）相比松香酒精溶液浓度m,液压油含量w对西原模型各参数的影响更大,起主控作用。最终,将该相似材料应用于神华新街软弱砂质泥岩煤矿盾构斜井的长期流变模型试验中,试验结果表明：该材料瞬时力学性能和流变特性均达到试验要求,为试验取得良好结果提供了材料保证。     

流-固耦合模型试验用的新型相似材料研制及应用

为研究隧道突水、突泥过程中断层及围岩各物理场变化规律,根据地质力学模型试验相似原理,通过大量多组别配比试验,研制出适用于流-固耦合模型试验的新型断层及围岩相似材料。其中,断层相似材料以砂为粗骨料,滑石粉为细骨料,石膏、膨润土作为胶结剂,液态石蜡作为调节剂;围岩相似材料以砂为粗骨料,重晶石粉、滑石粉为细骨料,白水泥及乳胶作为胶结剂。通过大量室内试验,对比分析原岩及相似材料变形特征及强度破坏特性,重点对单轴抗压强度、渗透系数、重度、泊松比、弹性模量等重要变形及水理特性参量进行调控,系统研究不同配比对材料参数的影响规律。试验结果表明：该材料力学参数变化范围广、性能稳定、操作工艺简单,可用来模拟不同渗透系数的低、中等强度岩体材料。将该相似材料应用于吉莲高速公路永莲隧道断层突水、突泥三维地质力学模型试验中,力学性能及水理特性均达到试验要求,能够有效地模拟突水、突泥的发展演变过程,真实反映断层灾变过程中各物理场响应规律。     

含瓦斯煤相似材料研制及其突出试验应用

采用相似物理模拟试验研究煤与瓦斯突出机制和规律是目前有效的方法,含瓦斯煤体相似材料是突出定量模拟的关键因素。研制出一种新型的含瓦斯煤体相似材料,该相似材料以一定粒径分布的煤粉为骨料,以腐植酸钠水溶液为胶结剂,混合压制成型后干燥。大量正交配比试验表明:在成型压力15 MPa下,相似材料的重度、孔隙率趋于稳定并与原煤十分接近;相似材料抗压强度高,可调范围达0.5~2.8 MPa,与胶结剂浓度近似呈线性正比关系;吸附解吸试验表明,相似材料的吸附性良好,其与原煤的吸附等温线一致;并且具有材料价格低廉、无毒副作用、配比简单、性能稳定和各物理力学参数调节方便等特点,可用来模拟不同强度原煤。采用相似材料制作的型煤开展了煤与瓦斯突出试验,成功模拟了煤与瓦斯突出现象和过程,证明该相似材料能很好地模拟具有吸附解吸特性的含瓦斯煤体。     

畸变补偿法在滑坡模型试验中的应用可行性探索

传统的滑坡模型试验必须进行大规模的相似材料配比试验研究,要花费大量的人力物力,工作量是惊人的,并且常常伴随着由于介质性质难以控制或模拟所必然产生的畸变,这种畸变用传统的方法难以考虑,却在很大程度上影响了试验的精度。以调整滑坡物理模型渗透系数为例,探索了模型畸变补偿的方法,为采用与原型相同的材料开展滑坡物理模型试验提供了一种新的思路。该方法在滑坡物理模型试验中具有良好的应用前景。     

多孔含水岩层的相似材料配比研究

以石膏、浮石、硅藻土等材料为相似材料对多孔含水岩层进行相似材料模拟。试验中采用四因素（硅藻土水泥石膏比、标准砂浮石比、骨胶比、重晶石骨料比）、五水平的正交试验方法,分别对多孔含水岩层的相似材料试件进行密度、单轴抗压强度、孔隙率、弹性模量以及软化系数的测定,得出相应的物理力学性质指标,采用直观分析法分析各因素对物理力学性质的影响规律。分析结果表明：由于各配比度不同,相似材料强度分布范围较广,在与多孔岩层的岩石参数对比中发现,在一定的相似条件下,基本符合多孔岩层岩石的相似要求;硅藻土含量与密度、抗压强度、弹性模量、孔隙率呈负相关,与软化系数呈正相关;浮石含量与密度、抗压强度、弹性模量、软化系数呈负相关,与孔隙率呈正相关。所加入的两种材料可较好地模拟样品的多孔特性。在允许波动范围之内,所建立的模拟多孔含水岩层的经验方程可用于工程实践。     

导管架平台桩-土相互作用试验系统研制及应用

海洋环境中的导管架平台承受着风浪、地震等水平荷载,而平台的稳定对桩基础有严格要求,故研究水平荷载下导管架平台桩-土系统变形规律和相互作用机制具有重要意义。研制了1套导管架平台桩-土相互作用试验系统,主要由导管架平台试验模型子系统、电动伺服加载子系统、传感器与数据采集子系统、振动测试子系统组成,可用于研究冲击荷载、静载、循环荷载下导管架平台的桩身变形规律、桩基周围土体响应及平台的振动特性。通过初步试验结果表明,该系统能够如实反映水平荷载下桩-土间的相互作用和导管架平台的振动特性,验证了该系统的有效性。