我国土工离心模型试验技术发展综述

小尺寸物理模型试验是岩土力学与岩土工程研究的重要手段.常规小比尺模型由于其自重产生的应力远低于原型,以及原型材料明显的非线性,因而不能再现原型的特性.解决这一问题的唯一途径是提高模型的自重,使之与原型等效.提高模型的自重应力水平、增大材料自重的最简便的方法就是用离心机.本文在总结回顾大量文献资料的基础上,根据离心模型试...     

鼓式土工离心机技术及其工程应用研究

20世纪90年代以来,离心机模型试验在岩土工程的研究和工程实践等方面的应用得到了显著的提高。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试验来说,用离心机模型试验要比现场试验更为优越。自从1978年剑桥大学Schofield首次利用鼓式离心机以来,它的应用研究越来越多。通过介绍鼓式离心机的主要结构、模型控制以及数据采集系统等主要特征参数,阐述了其在岩土工程应用中的优点。通过PCC桩的承载特性模型试验介绍了鼓式离心机在岩土工程中的应用。     

土工离心机设计与应用综述

在土木工程、地质工程等领域,为了在实验室内分析现场岩土体或结构物的原型工况,常采用土工离心机开展缩尺模拟试验研究。近年来,随着液压、电控、微型传感器及观测技术等多种科学技术的飞速发展,土工离心模型试验已从定性分析向定量分析过渡,可为滑坡灾害、地下结构开挖与稳定、地基失效、场地液化、桩基破坏等复杂工程难题的解决提供有效的技术途径,并取得了大量的研究成果。以臂式土工离心机为主要探究对象,通过对土工离心机的原理、发展概况、结构组成、现存主要问题等进行系统总结与梳理,对离心机的设计提出改良方案,结合目前土工离心机的发展进程和应用领域,展望了该技术今后的研究和应用方向。     

中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院工程科研院

中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院工程科研院是综合性的科研试验单位,始建于一九七七年。拥有水工模型、建筑材料、岩土工程、岩石力学、化学分析等10多个专业和从事原型观测的“岩土工程及大坝安全监测中心”及生产各种砼外加剂的“新型建筑材料厂”。现有职工69人,其中工程师以上36人,高级工程师以上16人。     

爆炸离心模型试验研究进展与展望

由于能量比尺和原型应力模拟的优势,采用离心机进行爆炸试验具有无可比拟的优越性。在简要介绍土工离心机的发展历程的基础上,对爆炸离心模型试验较关注的问题--模型箱、爆炸源、离心模型比尺、数据采集、科氏加速度等方面的研究进行了归纳,对已有的研究领域进行总结并对以后的发展提出了自己的看法--模型箱设计需考虑防风措施、能量比尺仍需采取更精确方法验证、需制作稳定性好及质量有保证的微型炸药源等     

离心机自由场地震响应的完全耦合模拟

水平场地地震响应分析是岩土地震工程实践中最重要的问题之一。当场地土为饱和砂时,由于需要考虑材料的非线性和土-水之间的相互作用,问题非常复杂。利用有限元程序SUMDES和适用于颗粒材料的统一本构模型,对离心机自由场振动试验进行了完全耦合模拟。分析结果表明,完全耦合分析能够较好地再现试验中观察到的现象,包括孔隙水压力的产生和消散以及土体的变形,但前提是对模型参数进行准确的标定,以及对相关系数尤其是动力渗透系数进行准确的确定。     

氯离子在黏土-膨润土屏障中迁移的离心试验研究

将对流-扩散试验装置置于土工离心机中,以50g离心加速度运行12 h,研究了黏土-膨润土混合土样中Cl-的迁移扩散,使用解析解对试验结果进行拟合确定相关参数,分析了试验的相似条件,使用商用软件对离心试验原型进行模拟,与试验结果进行比较,探讨了离心机用于溶质迁移分析的比尺效应,最后通过数值分析研究了试验的黏土-膨润土屏障用于老垃圾填埋场防渗帷幕补强的效果。结果表明,土工离心机试验中,按实际出流量计算的实际孔隙水流速小于临界流速,两试样中的佩克莱数（Pe数）小于临界Pe数,机械弥散的作用可以忽略,试验满足扩散的相似定律;离心机试验所模拟的2.5 m厚衬垫原型,在水头5 m和10 m作用下3.42 a后均未被击穿;常重力下试验土样的渗透系数为8.5×10-8 cm/s,有效扩散系数为7.82×10-7 cm2/s,对试验原型进行的数值模拟表明,n倍重力加速度下,土工离心机可以 尺寸的试样实现对原型的模拟,同时将对流和扩散作用下的溶质迁移时间缩短至原型的 ;试验的黏土-膨润土屏障用于老垃圾填埋场防渗补强,可显著减缓溶质迁移,防渗补强后可满足渗滤液迁移扩散的控制要求。     

离心模拟技术中运动学的物理意义

研究离心模拟中的运动学,有助于提高对离心模型试验结果的认识。笔者推导了描述离心模型中任一质点运动的整体速度和加速度的数学表达式。按照牛顿第二定律,在离心模拟中的加速度是连接运动学与动力学的重要因素。笔者描述了整体加速度表达式中各项的物理意义,指出了离心机稳定运转时的向心加速度、由角加速度效应引起的切向加速度、互补(复合向心)加速度分量、径向(原型的竖向)、环向和轴向(原型的两个水平方向)振动效应以及离心机臂伸长效应对整体加速度的贡献。分析结果表明,对于单向振动的动力离心模拟试验,选轴向(平行于转轴)为振动方向便于理解试验结果。另外,仔细检查了Schofield[1]对离心模拟中运动学的描述并发现其混淆之处。     

地震作用下自由场中饱和砂土的应力-应变推导

水平自由场地震响应分析是岩土地震工程实践的重要内容之一。利用香港科技大学土工离心机上的双向振动台,进行了饱和砂土自由场在水平双向地震作用下的动力模型试验。根据应力和应变的定义以及达朗贝尔原理,由试验观测的土体加速度、位移和孔隙水压力数据直接推导得到不同深度处砂土的应力和应变,揭示了振动过程中饱和砂土的应力路径和应力-应变关系演化过程,以及与超静孔隙水压力发展的联系。     

考虑土拱效应的疏排桩支护基坑内力和变形分析

采用同济大学中型岩土离心机进行了2组疏排桩支护基坑的离心机模型试验,结合三维有限元数值分析探讨了采用规范方法计算疏排桩支护基坑桩身内力与变形的适宜性,并提出了考虑土拱效应的疏排桩支护基坑桩侧土压力的理论计算方法,最后建立了考虑土拱效应的疏排桩支护基坑桩身内力和变形的计算模型。研究结果表明：对于桩间距与桩径之比为2、3和8的疏排桩支护基坑,桩间土体无法形成土拱效应;对于桩间距与桩径之比为4～7的疏排桩支护基坑,桩间土拱效应明显;规范法计算得到桩身内力与变形结果要比离心机试验结果偏大,与规范方法相比,采用文中提出的计算方法计算疏排桩支护基坑桩身内力与变形更为合理。     

海底碎屑流冲击海底管道的模型与某一特定原型的相似性分析

小尺度的水槽实验和数值模型被广泛应用于真实尺度条件下海底碎屑流对海底管道冲击力的研究,但模型与某一特定原型之间的相似性一直未能得到保证,从而严重影响模型结果的适用性。为此,本文采用幂律本构关系(Power-law)描述海底碎屑流的流变特性,并基于雷诺相似准则,推导出海底碎屑流冲击海底管道时模型与原型之间各物理参数的比尺关系。根据该比尺关系,本文对现有水槽实验中模型与某一特定原型之间的相似性进行了分析,发现该水槽实验与预期的原型工况并不相似,继而推算出与该水槽实验相似的原型工况,并设计出与预期的原型工况相似的模型工况。此外,本文还对基于幂律本构关系和雷诺相似准则推导得到的比尺关系的适用性进行了讨论,认为该比尺关系适用于常重力环境下(1g)海底碎屑流冲击海底管道的小尺度水槽实验和数值模型,但不适用于超重力环境下(Ng)的土工离心机实验,也不适用于海底碎屑流的低剪切应变率工况。本文的研究结果将为保证常重力环境下(1g)海底碎屑流冲击海底管道时模型与某一特定原型之间的相似性提供理论依据。     

离心机中球形贯入仪贯入黏土特性

目前球形全流贯入被仪广泛应用于岩土离心试验中,以表征软弱黏土土样的抗剪性能。然而,在离心加速度作用下离心机试验中的球贯入仪比现场使用的标准球贯入仪有更大的加载杆与球的面积比a、更大的等效原型直径以及不一样的球-土摩擦系数,从而使得离心机球体会出现不一样的贯入特性,进而导致不一样的土体抗剪承载力校验系数。通过大变形有限元（large deformation finite element,简称LDFE）方法对中国常见离心机球形贯入仪贯入单层黏土进行分析,获得不同几何尺寸和摩擦系数下球形贯入仪的贯入特性。计算结果通过与有关解析解以及其他前人研究结论的对比分析,验证了有限元分析结果的合理性。通过大量参数分析表明,球摩擦系数对空腔的临界深度以及深层破坏深度的影响较小,面积比a对浅层和深层承载力系数以及达到深层破坏深度有显著的影响。根据数值模拟的结果,提出了不同面积比和摩擦系数下的极限间隙深度Hc、浅层和深层临界破坏模式深度Hd、不同摩擦系数和面积比情况下的深层承载力系数和浅层承载力校准系数的计算公式,从而能获得更精确的土体抗剪强度,为离心机中球形贯入仪的应用提供了理论依据。     

隧道模型试验中几何比尺相似程度的差异性及影响比较

模型试验研究是探讨土体-结构系统的力学响应机制的重要手段之一。针对西安地铁二号线地铁隧道模型模拟中存在的问题,首先讨论了隧道结构模型试验相似比尺关系,分析了模型试验中相似材料的选用原则和关键问题,然后基于两种不同的几何相似程度,比较讨论了模型几何相似程度对隧道模型和隧道原型结构之间应力与弯矩结果的影响程度,在同等条件下两种不同的几何相似比尺设计的缩尺模型导致隧道原型结构的应力值的差异超过12%,隧道原型结构的弯矩值的差异超过140%。研究结果表明,几何相似程度决定了模型相似比尺设计的合理性,从而成为模型试验能否合理、高精度地反映和模拟原型结构力学响应的关键性制约因素之一。     

离心模型试验模拟塑料排水板处理软土地基的方法和应用

采用大型土工离心机对某工程近海软土地基上堤坝施工期及运行期进行了模拟。试验中采用停机加载法模拟分级施工加载过程, 原型中采用塑料排水板固结法处理软土地基, 模型中则根据固结过程相似的原理, 换算成等效圆截面排水体, 在模型制作中采用等效透水滤芯进行模拟。根据激光位移传感器和孔隙水压力传感器数据可以得出相应原型软土地基的沉降特性和孔隙水压力变化情况。根据试验得到的沉降曲线, 采用"经验双曲线法"推算出了地基最终沉降, 然后得出按沉降推算的分层地基平均固结度随时间的变化。对比试验模拟得到的软土地基固结度和理论计算结果, 二者基本接近, 表明塑料排水板模拟方法用于离心模型试验是可行的。      

对岩土工程数值分析的几点思考

首先,介绍了笔者对我国岩土工程数值分析现状的调查结果及分析,然后,分析了采用连续介质力学分析岩土工程问题的关键,并讨论分析了岩土本构理论发展现状,提出对岩土本构理论发展方向的思考,最后对数值分析在岩土工程分析中的地位作了分析。分析表明,岩土工程数值分析结果是岩土工程师在岩土工程分析过程中进行综合判断的重要依据之一;采用连续介质力学模型求解岩土工程问题的关键是如何建立岩土的工程实用本构方程;建立多个工程实用本构方程结合积累大量工程经验才能促使数值方法在岩土工程中由用于定性分析转变到定量分析。     

离心实验在污染物迁移研究中的应用

离心实验模拟以其可以获得与原型一致的应力水平并且能够大大缩短原型历时而被应用于污染物迁移实验研究。在离心相似理论及离心实验模拟的相似基础上,重点回顾了离心机在饱和带水分、非饱和带水分、保守性溶质、NAPLs、重金属、核素迁移以及污染场地修复方面的实验应用。最后讨论了离心模拟中土壤预制和加速度选择的问题,并简单介绍了离心监测方法。可以得出结论:离心机能够成功用于各类物质迁移的实验研究中,离心实验模拟能够为理论和数值等分析方法快速提供真实可靠的参数依据,但离心实验的理论基础和监测方法需要进一步完善,此外也应积极开展更接近实际情况下的离心实验模拟研究。     

岩土力学数值模拟结果应用中应注意的问题

较系统地阐述了岩土力学数值计算结果应用中应注意的一些问题，指出数值计算结果虽然是定量的，但它们对实际问题的描述是滞具有定量性意义，则取决于对原型的研究程度和模型力学参数取值的可靠性，阐述了数值模拟中可能产生的计算误差，说明岩体破坏的相对性含义，指出综合运用各种分析方法的必要性。     

岩土破损力学:结构块破损机制与二元介质模型

沈珠江等在总结岩土材料的基本特性、分析理论和研究方法的基础上,提出了岩土破损力学理论框架和二元介质模型概念。基于岩土二元介质模型思想,近年来在试验、理论和数值模拟方面对结构性岩土材料进行了详细研究。通过对棒状和棱柱状结构块试件的平面试验,探讨了结构性岩土材料的破损机制,并发现了在受荷过程中结构块逐渐破损并转化为软弱带二者共同抵抗外部作用,即验证了二元介质模型对结构性岩土材料力学抽象的正确性;扩展了岩土二元介质模型对岩土材料的脆性变化进行了模拟,并与结构性土和砂岩的三轴试验结果进行了验证;基于二元介质模型概念,发展了一种模拟岩土材料破损过程的细观数值方法,同时提出了适用于结构性岩土材料的强度准则。     

水库滑坡变形特征的模型试验研究

在库水位的反复变动下,水库滑坡表现出来的阶段性变形特征往往是预警预报的现实依据。以三峡库区簸箕石滑坡为例,在充分认识其地质原型基础上,开展了滑坡岩土物理力学试验。根据相似理论合理选择相似材料,并建立室内滑坡地质力学模型,设计符合原型地质环境条件的两个过程,对滑坡变形特征进行定量研究。结果表明:该滑坡的变形破坏具有突发性,前缘先出现变形,中后缘同时失稳。变形速率有先增大后逐渐减缓的规律,无明显征兆。     

第七届全国岩土工程实录交流会特邀报告——岩土工程实录的价值

岩土工程实录即岩土工程典型案例的价值主要在于三方面:一是成功的典范,失败的警示;二是一比一的科学实验,因计算不可能精确,唯有原型实测才能定量;三是新概念、新方法的源泉。列举实例进行论证。并指出:案例提供了鲜活而生动的教材;案例是聚集正反两方面经验的宝库;案例是修编标准和规范的源泉;案例是创新理论和创新技术的基础。