【摘要】：土工離心模型試驗(yàn)以“時(shí)間”、“空間”壓縮效應(yīng)為特點(diǎn),利用離心加速度場(chǎng)補(bǔ)償模型縮尺而引起的自重應(yīng)力損失,還原模型與原型之間1:1應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài),使之擁有其它任何物理縮尺試驗(yàn)無可比擬的優(yōu)勢(shì),被科學(xué)界公認(rèn)為21世紀(jì)最具前景、最具潛力的物理模擬試驗(yàn)手段之一。在巖土工程領(lǐng)域,其通過再現(xiàn)模型與原型一致應(yīng)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(chǎng)地液化、地基失效、擋土墻失穩(wěn)等巖土工程對(duì)象的破壞過程與失效機(jī)理,突破了傳統(tǒng)物理試驗(yàn)由“介質(zhì)”到“對(duì)象”的束縛。鑒于其優(yōu)越性與先進(jìn)性,我國(guó)大量學(xué)者相繼投身和致力于土工離心機(jī)研發(fā)工作,雖起步比國(guó)際遲約50年,但過去廿年已成功建設(shè)土工離心機(jī)30余臺(tái),數(shù)量位居世界第二。通過我國(guó)學(xué)者們的不懈努力,使我國(guó)土工離心機(jī)在數(shù)量規(guī)模和性能指標(biāo)上取得了舉世震驚的長(zhǎng)足進(jìn)步,為巖土工程前沿重大問題研究和交叉分支學(xué)科發(fā)展提供了優(yōu)越平臺(tái)。但是,隨著研究深入和范圍拓展,模型試驗(yàn)結(jié)果與原型的偏離現(xiàn)象和平行試驗(yàn)中結(jié)果的離散程度呈急劇上升趨勢(shì),其原因則在于學(xué)者們一直致力于設(shè)備技術(shù)開發(fā),而忽略了試驗(yàn)?zāi)M技術(shù)的發(fā)展。受離心加速度場(chǎng)的特殊性、模型1g至Ng狀態(tài)變化的復(fù)雜性、巖土體多相耦合的力學(xué)特點(diǎn)及不確定性等約束,確定了土工離心模型試驗(yàn)的產(chǎn)出水平,不僅依賴于性能先進(jìn)的試驗(yàn)設(shè)備,還取決于正確、有效、完備的試驗(yàn)?zāi)M技術(shù)。因此,探討土工離心試驗(yàn)?zāi)M技術(shù)的關(guān)鍵問題和發(fā)展適應(yīng)基礎(chǔ)理論、設(shè)計(jì)方法及新型技術(shù),對(duì)提升土工離心試驗(yàn)的整體創(chuàng)新水平和國(guó)際一流成果產(chǎn)出能力極其重要。本文以中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所CSIEM-40-300大型動(dòng)力離心機(jī)建設(shè)為契機(jī),以應(yīng)力相似差異特征、砂雨法控制要素、黏滯系數(shù)配比標(biāo)準(zhǔn)等三方面關(guān)鍵問題為切入點(diǎn),聯(lián)袂理論推導(dǎo)、物理試驗(yàn)、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(shè)計(jì)基本準(zhǔn)則、彌補(bǔ)制模技術(shù)基礎(chǔ)理論和提出實(shí)用化配比標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)。同時(shí),考慮土工離心機(jī)的獨(dú)特性和通用化性能測(cè)試方法的欠缺,以CSIEM-40-300土工離心機(jī)為樣本,介紹動(dòng)力離心機(jī)的基本構(gòu)成和探討主要性能測(cè)評(píng)方法,為同類設(shè)備性能評(píng)價(jià)及驗(yàn)收和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)與自然重力場(chǎng)的差異特征及成因,以環(huán)境特征與模型應(yīng)力的內(nèi)在關(guān)聯(lián)為基礎(chǔ),首次提出了總體分布應(yīng)力、附加側(cè)向應(yīng)力、耦合動(dòng)應(yīng)力三個(gè)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(jī)制對(duì)模型應(yīng)力狀態(tài)的影響�；谌齻�(gè)概念與定義,建立數(shù)學(xué)模型與推導(dǎo)表達(dá)式,給出了模型三方面應(yīng)力相似差異的關(guān)鍵表征參數(shù)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)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(yàn)設(shè)備和模型參數(shù)設(shè)計(jì)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(duì)比試驗(yàn),提出了穩(wěn)定相對(duì)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(shí)度范圍差異,給出了模型空間均勻分布特征與測(cè)試評(píng)價(jià)方法。基于流-固耦合理論和顆粒流速動(dòng)力方程,構(gòu)建與推導(dǎo)了描述砂雨法制備過程的單一顆粒、顆粒簇等兩種簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型與表達(dá)式,揭露了砂雨法制模的內(nèi)在原理與關(guān)鍵參數(shù)作用機(jī)制,填補(bǔ)了以往砂雨法制模研究的基本理論空白。3.闡述了國(guó)內(nèi)外土工離心液化試驗(yàn)兩種黏滯系數(shù)配比標(biāo)準(zhǔn),指明了實(shí)際應(yīng)用存在的矛盾。以汶川Ms8.0地震液化場(chǎng)地剪切波速統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為條件,通過自主研發(fā)的V_s-e-k聯(lián)合測(cè)試裝置與標(biāo)定試驗(yàn),提出了一般性V_s-k關(guān)系表達(dá)式,給出了基于V_s的黏滯系數(shù)配比標(biāo)準(zhǔn)。采用FLAC有限差分?jǐn)?shù)值平臺(tái)與液化、非液化場(chǎng)地記錄,驗(yàn)證了1g原型和Ng縮尺模型液化數(shù)值試驗(yàn)可行性,分析滲透系數(shù)對(duì)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(biāo)準(zhǔn)。兩種配比標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比,證明了配比標(biāo)準(zhǔn)的可靠性、通用性和滲透系數(shù)是影響液化閾值的一個(gè)惰性參數(shù)。4.介紹了CSIEM-40-300大型動(dòng)力離心機(jī)基本指標(biāo)和功能特點(diǎn),闡述了各子系統(tǒng)的核心組成、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)。搜集并總結(jié)了國(guó)內(nèi)外土工離心機(jī)性能測(cè)試相關(guān)方法及經(jīng)驗(yàn)和大型模擬試驗(yàn)設(shè)備相關(guān)規(guī)程,提出了驗(yàn)收大綱的編制要點(diǎn)及流程、安全操控原則及重要事項(xiàng)、性能測(cè)試方法及衡量標(biāo)準(zhǔn)等,在CSIEM-40-300大型動(dòng)力離心機(jī)設(shè)備驗(yàn)收中得到應(yīng)用,驗(yàn)證了提出方法及標(biāo)準(zhǔn)的有效性和普適性,為土工離心機(jī)性能測(cè)試評(píng)價(jià)相關(guān)規(guī)范的制定,建立了重要指導(dǎo)方法和有益借鑒。
【圖文】：

圖 1-8 香港科大（HKUST）水平雙向動(dòng)力離心振動(dòng)模擬系統(tǒng)韓科院（KAIST）水平雙向離心振動(dòng)模擬系統(tǒng)，滿載振動(dòng)加速度上限 20g，振動(dòng)負(fù)載 0.7t，模型尺寸 67cm 67cm 65cm，由法國(guó) Actidyn 公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)建造。與 HKUST 離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)相同，其通過兩組正交作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)二維雙向振動(dòng)控制。不同之處在于，為了防止激振力通過吊籃-轉(zhuǎn)臂機(jī)構(gòu)傳遞給離心機(jī)主軸，造成設(shè)備壽命的折減和安全隱患，此臺(tái)離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)首次將動(dòng)態(tài)反力平衡技術(shù)應(yīng)用于振動(dòng)臺(tái)的隔震處理當(dāng)中，通過反力配重，，對(duì)振動(dòng)擾力進(jìn)行了有效隔離，主機(jī)系統(tǒng)與振動(dòng)模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1-9 所示。振動(dòng)臺(tái)基座轉(zhuǎn)臂配重吊籃蓄能器振動(dòng)臺(tái)作動(dòng)器

圖 1-18 我國(guó)已建成離心機(jī)及離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)容量概覽.2 若干關(guān)鍵技術(shù)問題前述離心模型試驗(yàn)相關(guān)研究與建設(shè)成果表明，我國(guó)的土工離心機(jī)建造與研制技術(shù)已達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，設(shè)備數(shù)量與容量也已位居世界前列。在的大力支持下，我國(guó)仍處于離心機(jī)建設(shè)的熱潮之中，國(guó)內(nèi)各家土工離心設(shè)繼日的運(yùn)轉(zhuǎn)。但高質(zhì)量研究成果的低產(chǎn)出速度，也是目前國(guó)內(nèi)離心模型試用的現(xiàn)實(shí)。造成這一現(xiàn)狀的根源在于，設(shè)備建造研制“硬實(shí)力”與試驗(yàn)?zāi)M實(shí)力”的發(fā)展不均衡。目前國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)著也逐漸認(rèn)識(shí)到這一問題的嚴(yán)重性加強(qiáng)基礎(chǔ)試驗(yàn)技術(shù)研究（陳正發(fā) 等，2004）。本小結(jié)節(jié)針對(duì)幾點(diǎn)關(guān)鍵試驗(yàn)進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述。.2.1 應(yīng)力相似誤差土顆粒作為巖土場(chǎng)地及構(gòu)筑物模型的主要材料，具備散粒體材料典型的學(xué)特性，致使巖土模型變形、破壞機(jī)理與內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)密切相關(guān)。土驗(yàn)?zāi)M原理，即通過設(shè)備高速旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)臂端部吊籃中產(chǎn)生 倍于重力的
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TU41

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2635021