土工离心模型试验的发展与应用
张俊 杨志银
(冶金部建筑研究总院深圳分院)
摘要：从6个方面对离心模拟技术在岩土工程领域的应用进行了简要介绍。
关键词：土工 离心模型试验
离心模拟技术的发展最早可以追溯到1869年。法国人Phillips根据弹性体的平衡微分方程,推导了满足原型和模型之间相同性状的相似关系,并认为当重力是主要因素时,可以用离心机中的重力场来模拟原型性状。他提出用离心试验来研究横跨英吉利海峡的金属桥。由于当时条件所限,这一设想未能实现。
20世纪30年代,离心模型试验的概念在美国和前苏联又重新提出并开展了试验工作,用离心机对采矿工程和土坡稳定的一系列问题进行了研究。从60年代开始,土工离心模拟技术进入了一个新的发展时代,日本和英国首先开展了这方面的工作,用土工离心机对许多土工课题和土工工程问题进行了广泛的试验研究[1]。80年代以后,土工离心模型试验又有进一步发展,法国、荷兰、德国等国家相继建立了土工离心模拟试验室,发展大型离心机,提高离心机的容量,研究范围也日益扩大,并取得了许多有益的成果。
我国虽早在50年代中期就了解到离心模型试验在模拟土工建筑物的性状和研究土力学基本理论等方面的良好作用,但真正给予重视则是80年代,不少单位相继建立了土工离心模拟试验室,开展试验研究工作,并已取得了不少试验研究成果。
表1为国内外有代表性的土工离心机[2]。
上述离心机中,香港科技大学的离心机设置有二维振动台和四轴机器手,这在世界上是独一无二的。
1 离心模型试验的相似理论
土工离心模型试验属于小比尺模型,要使模型试验能真正反映原型的性态,对模型除必须与原型保持几何相似外,还应使模型和原型二者相对应各点的应力、应变满足相似的要求,即满足几何相似、运动相似和动力相似条件。
如果被模拟的原型尺寸和应力状态是在离心机的容量范围内,那么可按一定的模型率对原型的性态做到等值的模拟。当模型加速度为Ng,模型尺寸为原型的1/N,模型材料为原型材料时,可以导出表2所示的离心模型试验中的相似比尺。
2 土工离心模型试验的应用
目前,土工离心模型试验已广泛应用于岩土工程的各个领域,其研究范围大体可以分为以下几个方面:
(1)堤坝和边坡:在堤坝和边坡的变形和稳定研究方面,以前苏联所做的工作最为显著,曾对心墙坝、斜墙坝、尾矿坝的各种影响因素,如坝料、防渗结构、蓄水方式、坝址几何特征、施工速度等进行了模型试验研究,试验成果为设计采用。
我国虽然开展离心试验工作稍晚,但在坝工方面也取得了良好的成果,特别是对高土石坝的试验研究,像90m高的西北口混凝土面板堆石坝,151m高的小浪底斜墙堆石坝和186m高的瀑布沟心墙堆石坝,都通过模型试验了解了在施工期、运行期和水位骤降情况下的性状。其中小浪底和瀑布沟这两座高坝均处于70m厚的覆盖层上,地质条件极为复杂。在三峡工程中,利用离心模型试验对高90m(其中水下60m)的三峡围堰工程堰体位移和防渗墙的工作特性进行了试验研究,同时还进行了60m深水抛填花岗岩风化砂料的密度和坡角试验,为工程设计提供了有益的参考数据。上述的试验工作及所取得的成果,在国内外都是处于领先的。
(2)浅基础与深基础:在工业与民用建筑工程中,关于基础部分的设计,如何保证其既安全又经济,是工程技术人员最关心的问题,对此离心模型试验发挥了极为有效的作用。国内外许多学者对砂基中浅基础的破坏模式和极限承载力、桩的打入方式和摩擦效应等问题进行了一系列的离心模拟试验研究,并与原型试验结果做了比较。
对基础性状的离心模型试验,早期多是针对砂基进行的,最近也开始了对粘性土地基的离心模型试验研究。Tani和Craig[3]采用离心模拟技术及水力坡降相似模拟的方法,对原型为30m厚的粘土基础进行了试验研究(模型尺寸厚度分别为30cm和32cm),对两者的剪切强度曲线进行了对比。通过离心机运行中的CPT或运行后的UC试验,得到了不排水剪切强度的修正方法,并与数值模型结果进行了对比验证。
(3)挡土结构:很多研究人员成功地利用离心模型来研究土和挡土结构的相互作用,对其性状有了新的理解。例如,Bolton认为加筋土挡土墙的状态不符合通常大家接受的概念,应按照拉锚钢板桩分析;Lyndon和Pearson对于砂基上的悬臂挡土墙试验的结果表明主动土压力相当于Rankine的土压力分布,而被动土压力则与Rowe的拉锚板桩墙的观察结果相似,等等。这些试验研究成果,对人们认识挡土结构的变形和破坏机制提供了有益的帮助。
(4)动力工程:利用离心模拟技术研究动力对工程的作用和影响已日益受到人们的重视。例如缩小n倍的爆破模型在ng运转下爆炸,其质量和能量将扩大n3倍。这样就可以在试验室模拟原子弹爆炸对土体的力学效应;利用带有振动模拟设备和测试技术的离心机,可以对地震等地面运动进行模型试验研究。这也是目前土工离心模型试验研究的一个热点。
(5)地基处理:采用离心模型进行地基处理的试验研究是近几年才开展的工作,已取得一些成果。如王年香[4]等对采用深层搅拌法所加固的码头接岸软基和沉箱码头基础进行了离心模型试验,对其工作机理和破坏机理进行了研究,揭示了影响整体稳定性的主要因素,得出了不同地基条件、不同着底方式、不同宽度加固体的外部破坏形式和地基整体破坏形式,并对土压力计算理论进行了验证。
(6)其他方面:除了上述几个方面的试验研究外,离心模型试验在岩土工程的其他领域也得到广泛应用。如对有机污染物在包气带的入渗和迁移的研究;土钉墙支护结构的性状研究;海上采油平台的工作性状研究及大地构造运动研究,等等。
3 结 语
土工离心模拟试验技术是岩土工程试验中的一项核心与关键技术,是验证数值分析的可靠手段。随着离心试验技术的进一步完善,离心模拟试验技术在岩土工程领域不论是广度上还是深度上的进一步发展及应用是可以预见的。
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