【摘要】：土工離心模型試驗以“時間”、“空間”壓縮效應為特點,利用離心加速度場補償模型縮尺而引起的自重應力損失,還原模型與原型之間1:1應力-應變狀態(tài),使之擁有其它任何物理縮尺試驗無可比擬的優(yōu)勢,被科學界公認為21世紀最具前景、最具潛力的物理模擬試驗手段之一。在巖土工程領域,其通過再現(xiàn)模型與原型一致應力水平和空間材料及結(jié)構(gòu)變化,能直接研究自重及地震等荷載作用下邊坡滑塌、堤/壩/堰開裂、場地液化、地基失效、擋土墻失穩(wěn)等巖土工程對象的破壞過程與失效機理,突破了傳統(tǒng)物理試驗由“介質(zhì)”到“對象”的束縛。鑒于其優(yōu)越性與先進性,我國大量學者相繼投身和致力于土工離心機研發(fā)工作,雖起步比國際遲約50年,但過去廿年已成功建設土工離心機30余臺,數(shù)量位居世界第二。通過我國學者們的不懈努力,使我國土工離心機在數(shù)量規(guī)模和性能指標上取得了舉世震驚的長足進步,為巖土工程前沿重大問題研究和交叉分支學科發(fā)展提供了優(yōu)越平臺。但是,隨著研究深入和范圍拓展,模型試驗結(jié)果與原型的偏離現(xiàn)象和平行試驗中結(jié)果的離散程度呈急劇上升趨勢,其原因則在于學者們一直致力于設備技術開發(fā),而忽略了試驗模擬技術的發(fā)展。受離心加速度場的特殊性、模型1g至Ng狀態(tài)變化的復雜性、巖土體多相耦合的力學特點及不確定性等約束,確定了土工離心模型試驗的產(chǎn)出水平,不僅依賴于性能先進的試驗設備,還取決于正確、有效、完備的試驗模擬技術。因此,探討土工離心試驗模擬技術的關鍵問題和發(fā)展適應基礎理論、設計方法及新型技術,對提升土工離心試驗的整體創(chuàng)新水平和國際一流成果產(chǎn)出能力極其重要。本文以中國地震局工程力學研究所CSIEM-40-300大型動力離心機建設為契機,以應力相似差異特征、砂雨法控制要素、黏滯系數(shù)配比標準等三方面關鍵問題為切入點,聯(lián)袂理論推導、物理試驗、震害調(diào)查、數(shù)值仿真等方法開展系統(tǒng)研究工作,以建立模型設計基本準則、彌補制模技術基礎理論和提出實用化配比標準為目標。同時,考慮土工離心機的獨特性和通用化性能測試方法的欠缺,以CSIEM-40-300土工離心機為樣本,介紹動力離心機的基本構(gòu)成和探討主要性能測評方法,為同類設備性能評價及驗收和相關標準的修訂提供重要參考。主要研究工作與創(chuàng)新成果如下:1.剖析了離心加速度場與自然重力場的差異特征及成因,以環(huán)境特征與模型應力的內(nèi)在關聯(lián)為基礎,首次提出了總體分布應力、附加側(cè)向應力、耦合動應力三個概念與定義,以揭示離心加速度隨半徑變化、輻射分布和旋轉(zhuǎn)機制對模型應力狀態(tài)的影響�；谌齻�概念與定義,建立數(shù)學模型與推導表達式,給出了模型三方面應力相似差異的關鍵表征參數(shù)和設計準則,為有效半徑取值、離心加速度、旋轉(zhuǎn)角速度、模型高度、模型寬度等試驗設備和模型參數(shù)設計建立了重要依據(jù)。2.利用自主研發(fā)的鴨嘴式砂雨法制模裝置,開展了干砂與飽和砂模型制備對比試驗,提出了穩(wěn)定相對密度新概念與定義,解析了兩種模型制備的主控要素及影響規(guī)律和密實度范圍差異,給出了模型空間均勻分布特征與測試評價方法。基于流-固耦合理論和顆粒流速動力方程,構(gòu)建與推導了描述砂雨法制備過程的單一顆粒、顆粒簇等兩種簡化數(shù)學模型與表達式,揭露了砂雨法制模的內(nèi)在原理與關鍵參數(shù)作用機制,填補了以往砂雨法制模研究的基本理論空白。3.闡述了國內(nèi)外土工離心液化試驗兩種黏滯系數(shù)配比標準,指明了實際應用存在的矛盾。以汶川Ms8.0地震液化場地剪切波速統(tǒng)計數(shù)據(jù)為條件,通過自主研發(fā)的V_s-e-k聯(lián)合測試裝置與標定試驗,提出了一般性V_s-k關系表達式,給出了基于V_s的黏滯系數(shù)配比標準。采用FLAC有限差分數(shù)值平臺與液化、非液化場地記錄,驗證了1g原型和Ng縮尺模型液化數(shù)值試驗可行性,分析滲透系數(shù)對孔壓比極值的影響規(guī)律及范圍,提出了基于FLAC黏滯系數(shù)配比標準。兩種配比標準對比,證明了配比標準的可靠性、通用性和滲透系數(shù)是影響液化閾值的一個惰性參數(shù)。4.介紹了CSIEM-40-300大型動力離心機基本指標和功能特點,闡述了各子系統(tǒng)的核心組成、設計結(jié)構(gòu)和關鍵技術。搜集并總結(jié)了國內(nèi)外土工離心機性能測試相關方法及經(jīng)驗和大型模擬試驗設備相關規(guī)程,提出了驗收大綱的編制要點及流程、安全操控原則及重要事項、性能測試方法及衡量標準等,在CSIEM-40-300大型動力離心機設備驗收中得到應用,驗證了提出方法及標準的有效性和普適性,為土工離心機性能測試評價相關規(guī)范的制定,建立了重要指導方法和有益借鑒。
【圖文】：

圖 1-8 香港科大（HKUST）水平雙向動力離心振動模擬系統(tǒng)韓科院（KAIST）水平雙向離心振動模擬系統(tǒng)，滿載振動加速度上限 20g，振動負載 0.7t，模型尺寸 67cm 67cm 65cm，由法國 Actidyn 公司負責設計建造。與 HKUST 離心機振動臺相同，其通過兩組正交作動器實現(xiàn)二維雙向振動控制。不同之處在于，為了防止激振力通過吊籃-轉(zhuǎn)臂機構(gòu)傳遞給離心機主軸，造成設備壽命的折減和安全隱患，此臺離心機振動臺首次將動態(tài)反力平衡技術應用于振動臺的隔震處理當中，通過反力配重，，對振動擾力進行了有效隔離，主機系統(tǒng)與振動模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1-9 所示。振動臺基座轉(zhuǎn)臂配重吊籃蓄能器振動臺作動器

圖 1-18 我國已建成離心機及離心機振動臺容量概覽.2 若干關鍵技術問題前述離心模型試驗相關研究與建設成果表明，我國的土工離心機建造與研制技術已達到了國際先進水平，設備數(shù)量與容量也已位居世界前列。在的大力支持下，我國仍處于離心機建設的熱潮之中，國內(nèi)各家土工離心設繼日的運轉(zhuǎn)。但高質(zhì)量研究成果的低產(chǎn)出速度，也是目前國內(nèi)離心模型試用的現(xiàn)實。造成這一現(xiàn)狀的根源在于，設備建造研制“硬實力”與試驗模擬實力”的發(fā)展不均衡。目前國內(nèi)外諸多學著也逐漸認識到這一問題的嚴重性加強基礎試驗技術研究（陳正發(fā) 等，2004）。本小結(jié)節(jié)針對幾點關鍵試驗進行簡要闡述。.2.1 應力相似誤差土顆粒作為巖土場地及構(gòu)筑物模型的主要材料，具備散粒體材料典型的學特性，致使巖土模型變形、破壞機理與內(nèi)部應力應變狀態(tài)密切相關。土驗模擬原理，即通過設備高速旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)臂端部吊籃中產(chǎn)生 倍于重力的
【學位授予單位】：中國地震局工程力學研究所
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TU41

【參考文獻】

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1 洪建忠;冉光斌;余小勇;揚永生;劉小剛;陳磊;劉仕釗;;土工離心機多軸機器人系統(tǒng)設計綜述[J];裝備環(huán)境工程;2015年05期

2 趙欣;;土工離心機模擬爆炸及沖擊作用的原理及應用[J];山西建筑;2015年24期

3 趙維;李志陽;;砂雨法制備砂樣的控制要素及均勻性分析[J];人民長江;2015年13期

4 冉光斌;林明;劉小剛;余紹蓉;;土工二維振動離心機主機結(jié)構(gòu)的設計[J];機械設計與研究;2015年02期

5 黃英豪;蔡正銀;張晨;徐光明;洪建忠;趙寶忠;;渠道凍脹離心模型試驗設備的研制[J];巖土工程學報;2015年04期

6 李嘉雨;;巖土邊坡及支護結(jié)構(gòu)土工離心機模型制作方法的研究[J];中國水運(下半月);2014年11期

7 叢郁;馬險峰;袁聚云;午鵬奇;;離心試驗砂雨法試樣制備研究[J];路基工程;2014年05期

8 陳然;李天斌;;TLJ-500土工離心機實驗箱體改進方案的研究[J];甘肅水利水電技術;2014年10期

9 馬險峰;孔令剛;方薇;龔壁衛(wèi);李浩;徐光明;趙維;張雪東;陳云敏;;砂雨法試樣制備平行試驗研究[J];巖土工程學報;2014年10期

10 王永志;陳卓識;孫銳;;土工離心機穩(wěn)態(tài)風阻功率簡化估算方法與冷卻設計優(yōu)化[J];地震工程與工程振動;2014年S1期

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