大型土工离心模型试验原理与技术和应用毕业论文.docx
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大型土工离心模型试验原理与技术和应用毕业论文
大型土工离心模型试验原理与技术及其应用毕业论文
摘要
随着现代城市化的发展,地面可供开发的面积逐年减少,于是人们就开始意识到地下空间的开发与利用。
以及对于基础设施建设:
如交通隧道,水工隧道以及管线开挖与埋设等都会涉及到地下空间的工程。
由于岩土工程受重力场的影响较大,在设计与施工时不得不主要考虑。
而在传统的模拟实验中,重力场是极难模拟,而且试验变量和时间也难控制。
因此,发展土工离心机,开展离心模拟试验的意义重大。
本文将对离心机的试验进行讨论。
研究工作主要包括以下几个方面:
(1)离心机模型试验原理的研究
(2)土工离心机设备构造的研究
(3)离心模型试验在解决实际土工工程的应用进行研究
(4)在离心模型试验中对实验精度影响问题的研究
(5)离心机模型试验的发展和受限因素的研究
关键词:
离心机;试验原理;设备构造;工程应用;实验精度的研究;受限因素
Abstract
Withthedevelopmentofthemodernurbanization,thegroundforthedevelopmentofareaisreducingyearbyyear,sopeoplebegantorealizethedevelopmentandutilizationofundergroundspace.Andfortheconstructionofinfrastructure,suchastraffictunnel,hydraulictunnelandpipelineexcavationandburyinvolveundergroundspaceproject.Becauseofthegeotechnicalengineeringaregreatlyinfluencedbythegravitationalfield,havetomainconsiderationinthedesignandconstruction.Whileinthetraditionalsimulationexperiment,thegravityfieldisextremelydifficulttosimulation,andexperimentisalsodifficulttocontrolvariablesandtime.Therefore,thedevelopmentofgeotechnicalcentrifuge,thecentrifugalsimulationtestisofgreatsignificance.Thisarticlewilldiscussthecentrifugetest.Researchworkmainlyincludesthefollowingaspects:
(1)studyoftheprincipleofcentrifugemodeltest
(2)thegeotechnicalcentrifugeequipmentstructureresearch
(3)thecentrifugalmodeltestinsolvingpracticalgeotechnicalengineeringapplicationwerestudied
(4)inthecentrifugalmodeltesttostudytheinfluenceontheaccuracy
(5)thedevelopmentofthecentrifugemodeltestresearchandlimitedfactors
Keywords:
centrifuge;Testprinciple;Equipmentstructure;Theengineeringapplication;Theaccuracyofresearch;Restrictedfactors
第一章绪论(文献综述)
§1.1土工离心机模型试验发展
1.1.1发展背景
随着现代社会的发展,不论国内外大型工程数量都在增加(如水库、大坝、大跨度的地下工程以及现在的各种超高层建筑的建设)。
这些建筑都对土体和地基有着很高的承载力要求,因此要求我们对土体承载力和影响要有精确的计算和分析,在这种情况下离心机模型试验凭借着实验模型制作小、试验成本低、实验结果较精准可控且快速的因素,因而得到重视和发展。
1.1.2发展历程
离心机模型试验的概念是在1869年由法国人E.Phillips在进行横跨英吉利海峡的钢大桥研究时,首次提出用离心机做模型试验的设想,并明确提出了离心机设计的一般原理。
主要是由于当时条件的限制一直没办法得到应用。
直到20世纪30年代这一技术概念才在美国和苏联重新提出,并于1931年由美国的Bucky在哥伦比亚大学应用世界的第一台离心机进行了坑道顶部的稳定实验工作,这台离心机的半径为25cm(见图1),其和我国的最小的离心机(半径70cm)相比还要小。
但由于一开始离心机模型试验主要用于军事目的,所以能够查到的资料寥寥无几。
直到上世纪60年代以后离心机模型试验才得到正式快速的发展,其无论是技术还是实验的国家都有了大量的发展和增加。
图1.1.2世界上第一台小型土工离心机
我国是自上世纪80年代才对土工离心模拟实验予以重视的,第一台离心机是1982年,由长科院研制成功并投入运行(半径3m)。
虽然土工离心模拟实验在我国起步和发展较晚,但是,由于我们国家现代化的发展,城市和基础设施的建设,土工离心试验也随之用在了一些工程当中,其自然也就带动了离心机的发展。
更具2012年的其它作者的文献来看,我国目前已建成的离心机数量至少有20台,全球建成的有约200台,从这些数据来看,我国的离心机的发展利用后发优势,其发展速度还是很快的。
而且在很多大型工程中都有运用,如三峡工程和小浪底大坝中都有运用。
随着离心机技术发展目前土工上用到的离心机有两种类型:
分别是臂式离心机和鼓式离心机。
但就目前来说依旧是已臂式离心机实验为主。
§1.2离心模型试验原理
1.2.1基本原理
在土工工程中,岩土和土工构筑物受重力的影响较大,在离心模型试验的实质是用离心力来模拟自重效应。
根据近代相对论的解释,牛顿的重力G与惯性力(即惯性离心力,以下简称离心力)F是等效的,故原型在地球上受到的重力与模型在离心机上受到的离心力所产生的的物理效应一致。
(1)
其中g是重力加速度,a是离心加速度
由
(1)可知
,
当将原模型缩小N倍之后,模型的质量就变为了原模型的m/N。
为了使模型所模拟的重力与原重力相似,其惯性力也即离心力就得被放大N倍。
由
(1)可以得出式a
(2)
1.2.2离心机转速n与模型率N的关系
由理论力学知道角加速度:
a
(3)
其中
(4)
将(3)、(4)代入
(2)得
,令
则
(5)
按照式(5)给定转速,即可达到所希望离心加速度。
在做试验时,根据模型率N的大小及离心机的半径R,由(5)式算出离心机的转数来指导加载。
1.2.3原型和模型的比例关系
离心模型的物理量与原型的物理量有一定的比例关系。
见表1
表1各物理量的比例关系
物理量
原型
模型
物理量
原型
模型
线尺度
1
1/N
应力
1
1
面积
1
1/N3
应变
1
1
体积
1
1/N3
质量密度
1
1
质量
1
1/N3
重度
1
N
加速度
1
N
频率
1
N
能量
1
1/N3
刚度
1
1/N3
力
1
1/N2
土压力
1
1/N
位移
1
1/N
对于时间比例尺可由
推出,式中Fp、Fm、Ap、Am分别代表原型的力、模型的力、原型的面积、模型的面积。
§1.3本论文研究的任务
土工离心模型试验从概念的提出到现在也就一百多年的历史,而其实际的应用也就只有短短的几十年历史。
但是其相似性原理能够很好地模拟原重力场,在土工实验中有着很好地运用前景。
本论文是对其他作者的文献进行研究和总结,从多个方面对离心模型试验进行研究,研究内容如下:
1.对两种土工离心机在结构上的差异和试验方法进行论述,从设备上对解离心模型试验进行了解。
2.通过对实际土工工程的离心模型试验进行分析,来研究离心模型实验的应用。
3.对离心模型试验中对实验精度影响问题进行研究。
4.离心机模型试验的发展和受限因素的研究。
第二章土工离心机的构造
§2.1概述
2.1.1绪论
自法国工程师E.Phillips由1869年提出离心机模型试验技术的构想以来,经历了近70年的发展,人们才开始将其运用于研究土工问题中。
而在1978年,剑桥大学的Schofield首次利用鼓式离心机进行了边坡稳定分析的模型试验,打破了自20世纪30年代以来,近40多年的单一种类的离心机应用。
也是因为剑桥大学的那次应用,鼓式离心机在岩土工程领域的应用研究也愈来愈多。
由于两种离心机在结构,形状上存在差异,其侧重的试验场景也不同。
各自之间也存在着不同的优缺点。
接下来我们将对两种机器的结构进行论述,对其主要构件进行单独叙述。
2.1.2离心机的放置
对于两种离心机的按放,为了安全起见都建议放于地下。
因为离心机运行起来时对建筑物承载影响较大;还有一个是,一旦离心机运行过程中,离心机发生破坏,吊篮与模型箱被甩出,所产生的动量很大,一般的混凝土墙会因为无法承受这种重量而倒塌,吊篮与模型箱会飞出,造成不必要的影响,而放置于地下,当吊篮甩出时,周边会的土体可以承受住大部分的荷载。
§2.2臂式离心机构造
2.2.1臂式离心机的构成
臂式离心机主要由支座、转臂、配重箱、模型箱、吊篮、旋转接头、照相机、减速箱、电机这些构建组成。
除此之外还要配备检测系统,用于试验时的观测和采集试验数据,方便试验后对实验进行分析和研究。
臂式离心机是人们最早运用于土工领域的离心机,所以其结构样式看上去给人感觉很直观。
而且由于其模型箱与吊篮是分开的,在试验时,还可以在吊篮与模型箱之间加设其它的辅助系统,例如在模拟地震时,在模型箱与吊篮之间加设离心机振动台。
在进行其它试验时,由于臂式离心机的构件都是暴露在外面的,且因为其体积也大,在加装试验辅助设备时也是极其方便。
图2.2.1臂式离心机
2.2.2转臂和配重箱
离心机的转臂在离心机中起着悬挂模型箱和吊篮的作用。
在离心机开始运行时,转臂还将受到旋转时所带来的附加弯矩以及离心力。
因此在对转臂进行设计时这些荷载都要进行考虑。
除此之外对于特殊试验时,转臂的还有其它荷载要进行考虑。
如在进行地震模拟时,吊篮一侧将会增加离心机振动台,振动台的荷载也要考虑。
除此之外振动台开始工作时,振动台产生的振动冲击转臂也得承受住同时还要避免发生共振。
离心机的转臂结构有钢管桁架式、壳体式或箱形式三种形式。
配重箱在离心机中的作用主要是为了保证转臂在运行过程中能够保持平衡。
即使有平衡箱的存在,但在启动、制动和稳定运行中,保持转臂的平衡就较困难。
因为,总会发生变形与振动,实验过程中模型也会产生变形与位移,故离心机转臂的平衡状态总是相对的,而动不平衡总是随机存在[15]。
2.2.3吊篮
吊篮(有的文献上将其称为挂斗)在离心机在不工作时,吊篮与转臂之间的位置是垂直的(如图2.2.3(a)所示),但当离心机开始运转时,吊篮与转臂平齐(如图2.2.3(b)所示)。
而在离心机早期的发展阶段离心机的吊篮,在离心机开始运转时吊篮的位置是不变的,始终保持与转臂垂直。
而如今的吊篮之所以发展为悬吊式的(即离心机运转时吊篮与转臂平齐)原因在于这一类的吊篮的重力场与离心力场的方向相差90°,因而这类吊篮的制模很困难,而且给模型的安装也带来了麻烦。
对于悬吊式挂篮而言,由于吊吊篮与模型的自重与离心加速度的作用以及活动轴节存在摩擦阻力,吊篮的摆角不可能达到90°使之与转臂完全水平平齐,实际情况是会略小一些。
并且在离心机刚开始运转和停止运转的这一小段时间里,吊篮的升起和降落,会导致模型箱里的模型与模型箱之间有一个相互作用,这对试验结果会产生一定的影响。
图2.2.3吊篮与转臂的位置关系
离心机的吊篮由吊臂、销轴和平台三部分组成。
吊篮的设计指标有两吊臂间的距离、吊臂旋转中心与平台间的距离、最大加速度、最大承载能力、荷载作用面积。
离心机在运行过程中,吊篮会受到空气阻力和模型箱与吊篮自重而产生的惯性力作用,由于吊篮的摆动会产生附加弯矩。
这些在设计过程中要对其进行优化。
还有对销轴进行优化能够提升安全性能,因为销轴是与转臂连接的重要构件,并且对销轴进行优化可改进减少吊篮的摆角偏差。
2.2.4模型箱
模型箱是试验时用来装试验模型的,模型箱通常为长方形,但其大小并不固定,而是根据试验模型的大小来定制的。
模型箱有三种形式刚性模型箱、圆筒柔性模型箱和层状剪切模型箱。
一、刚性模型箱
刚性模型箱在土箱内壁粘贴泡沫塑料等柔性材料来吸收侧向边界的波以模拟土的边界。
国外在20世纪80年代常采用这种模型箱,如Mizuno和Liba,国内有韦晓。
该种模型箱模拟真实土层的效果与模型箱内壁所塾材料的性质及其厚度有很大关系,材料太厚太柔,则土层将发生弯曲变形而非剪切变形;材料太刚太薄,则边界的反射太强,难以模拟土层的自由场反应。
目前国内外学者已经很少使用该种模型箱。
二、圆筒形柔性模型箱
圆筒形模型箱最初由美国Berkeley大学的Meymand博士设计并投入试验中。
该种模型箱含有一块围成圆筒形的橡胶模,上端固定于上部钢圆环,下端固定在底部基底钢板上。
上部钢圆环支撑在四根钢杆上,钢杆与钢环用万用接头连接,它允许容器内的模型土发生多方向平动的剪切变形。
橡胶模外包纤维带或钢丝提供径向刚度。
同济大学的陈跃庆在开展振动台试验中曾采用类似的模型箱。
该类模型箱的难点是有效控制外包纤维带的间距,太小则成了刚性模型箱,难以提供剪切变形;太大则在振动过程中,土体向外膨胀,导致土体约束压力的释放,同时土体可能发生弯曲变形。
三、层状剪切模型箱
层状剪切模型箱在日本使用较多。
Matsuda等为最早使用层状剪切模型箱开展饱和砂土振动台试验的研究学者。
这种模型箱一般由10–20层矩形平面钢框架由下至上叠合,层间放置轴承制成,可以相对滑动以模拟土剪切变形。
该种模型箱在模拟土的剪切变形方面优于上面两种,同时因为采用了刚性框架,对土体能提供较好的侧向约束力,而轴承或橡胶层允许摸型箱以剪切梁的方式变形,可以很好地摸拟土体的剪切变形,因此得到了国内外学者的青睐,被越来越多地应用在岩土结构振动台模型试验中。
除此之外,无论哪一种模型箱在制作的时候,都要有一面采用有机玻璃。
其作用是为了试验时,架设的摄影机可以拍摄内部的实验模型的试验状态。
§2.3鼓式离心机构造
鼓式离心机由环形模型箱和中央控制系统,内外两部分构成(如图2.3所示)相比臂式离心机,鼓式离心机旋转半径较小,但旋转速度更快,可提供更高的离心加速度,在环向上可模拟更大的原型尺寸,因而具有不可替代的技术优势,具体体现在:
①便于消除边界效应,适合深入开展海底管线、深海滑坡、海上机场跑道等长、大线性结构物在波浪等非常规环境荷载作用下的静、动力响应研究;
②环形装样保证了同一深度处土层平面的离心加速度相同;
③环形模型槽始终保持水平整体旋转,避免模型箱受1g重力产生的竖向偏移;
④整体刚度高,能够承受较大不平衡力矩,配重简便;
⑤中央操控平台可相对环形模型槽实现自由、精确的相对旋转,配合视频监视系统,可在保持试样高加速度旋转、不更换土样的前提下,借助作动器的运动进行多组对比试验,避免多次重塑土样形成的试验误差。
同时在整体试验的不同时段,可独立升降中央操控平台,更换T-bar、SCPT等装置进行原位强度测试,保证试验进程的高度连续;
⑥易于安装造波机和消能装置,实现无反射造波,进而研究海床液化及结构物-波浪-海洋地基的流固耦合问题[11]。
图2.3鼓式离心机
土工鼓式离心机主要包括机械系统、驱动控制系统、数据采集系统、作动器及专用配套装置。
设备整体安装于实验室的地下钢筋混凝土防护外罩内,配备工业空调系统维持试验期间的恒定温度及冷却离心机各机械部件。
鼓式离心机的控制台驱动器是可以在竖直向、径向和圆周向三个方向运动的。
竖直向的驱动器主要是用来控制离心机中间水平台的升降,其中一个径向驱动器用来用来加载模型或者准备试样,另外一个则起到配重作用。
§2.4小结
随着土工离心试验的发展,各个科学技术发达的国家都在应用离心机做了不少土工领域的研究[9],对土工领域的实验成果有着很大的贡献。
因此越来越的国家也意识到土工离心试验在研究岩土工程方面的意义。
就拿我国来说,由于我国的发展与建设,土工工程的数量有着大量的增加,这也给岩土工程的研究带来了方便,于是有很多的高校和研究机构开始着手建设自己的离心机模型实验室。
但由于离心机的一次性投入较多,如果不对其进行了解就随意采购,最后的结果可能就是买来的离心机与自己侧重的实验方向存在着很大的不同。
例如在很多沿海地区,会有填海造地的工程。
为了研究和了解填海造地后,后填土的沉降以及海浪对于土体的影响,我们会选择使用鼓式离心机来做,因为相对于臂式离心机来说,臂式离心机对波浪的消能效果较差,处理起来会很麻烦。
因此我们在海洋工程中常选用鼓式离心机来做试验。
而在模拟地震实验中或者在需要配合其它辅助系统来进行试验时,臂式离心机却因为其体型大,模型箱与转臂之间有个吊篮,因此可以增加辅助设备种类会比鼓式离心机多很多。
但也因此带来的弊端就是,对于一些实验室不大的研究场地,也就无法使用了。
因此通过对离心机设备结构的研究我们可以更具自己的试验侧重的方向和需求以及实验室的限制来合理选购自己实验室需要的离心机。
第三章离心模型试验精度的影响因素研究
§3.1概述
随着离心机数量的增加,以及拥有土工离心机的国家的增加,土工离心模型的试验也有着大量的增加,这也使得我们在土工离心模型试验领域的经验也在快速的增长。
因此我们也渐渐发现有些时候,我们做出的模型试验结果,与实际相差较大。
通过对这些误差的研究使得我们认识到土工离心模型试验虽然有着大量的优点,但也存在着一些不足。
土工离心机的发展距今发展虽然只有短短几十年,但是我们对土工离心机设备的研究却还算完善,因为离心机不光是在土工领域存在,在航天领域也有着大量运用。
而我们的土工离心机亦是由航天领域离心机发展过来的。
因此土工离心机本身对试验的影响,目前已经可以很好地避免。
既然离心机本身对土工模型试验的结果不影响,那么我们的实验误差就很可能出在了模型这一块了。
通过大量的试验和原来在土工工程上的经验。
我们发现模型的制作,模型材料的选择以及在模型箱这一块,对模型试验精度有着较大影响。
§3.2边界效应
3.2.1边界效应产生原因
在土工离心模型实验中,我们知道模型是至于模型箱中的,而模型箱的侧壁的存在会对模型在试验过程中产生一定的影响。
因而我们知道了离心实验中的边界效应来自于模型箱。
模型箱对模型的影响一个来自于侧壁与模型之间有一个摩擦阻力。
例如在滑坡实验中,岩土体在重力作用下沿着软弱面滑下,岩土并不受两侧壁的摩擦阻力的影响。
而由于在模型箱中,模型受到侧壁摩擦阻力的影响会造成滑动的距离缩短(如图3.2.1(a)所示);如果侧壁两边的摩擦系数不同,滑坡下滑时两边的滑动距离也会不同(如图3.2.1(b)所示)。
图3.2.1摩阻力边界效应对试验的影响
边界效应除了摩擦阻力对有影响外,再地震对土工工程的影响实验和爆破模拟实验中,地震产生的地震波以及爆破产生的冲击波在传播过程,由于模型箱侧壁不随着模型一起运动变形,从而使地震波和冲击波在到达模型箱侧壁是被反射回来,产生二次扰动,因而影响实验精度。
3.2.2边界效应解决方法
对于摩阻力边界效应问题处理:
N.K.Ovesen指出,当模型箱内径约为5倍基础直径时,侧壁的影响使承载力比预估值高出10%~20%;徐光明和章为民针对N.K.Ovesen的试验进行了相关验证,除此之外,还可以对模型箱侧壁涂抹轮滑油的方法,来减小侧壁阻力。
对于地震波和冲击波反射的边界效应问题处理:
R.V.Whiteman和P.C.Lamb建议采用叠环式模型箱以消除离心机振动台试验中的边界效应;A.N.Schofield和X.Zeng建议采用等效剪切梁模型箱进行离心机振动台试验;B.L.Kutter等在进行土与结构相互作用的爆炸离心模型试验中认为,弹坑直径小于模型箱体直径的1/2,边界效应不明显;R.M.Schmidt进行冲击形成弹坑试验中认为冲击弹坑直径小于0.6倍的模型箱直径,边界效应不明显;J.A.Cheney等在进行的模型箱内基础承受竖直振动试验中边壁上铺设“Duxseal”材料;D.J.Campell等在模型内冲击试验中也是在模型箱内壁铺设一层“Duxseal”材料。
到目前为止,针对静态条件下的边界效应问题已得到较好解决;针对模拟地震情况的离心机振动台试验的边界效应问题也取得了一定进展;但针对动力源在模型箱内的边界效应问题一直没有较好解决[19]。
边界效应的存在是不可避免的,但我们可以通过各种方式来降低边界响应,如为了降低模型箱壁摩擦力对实验模型的影响可以在模型箱壁涂四氟乙烯薄膜,为了克服离心机在模拟爆破实验中入射波在固定边壁的反射可以使用duxseal的工业填料来吸收由于模型箱端部产生的反射能。
而鼓式离心机由于其模型槽是弧形的,边界效应相对臂式离心机来说产生的影响小得多。
§3.3粒径效应
3.3.1粒径效应产生原因
在用离心机做模型试验时,当模型缩小时,所采用的岩土模型材料也因随之等倍缩小,但一般而言,很难得到与原型岩土材料在物理机力学性质上完全一样的材料,因此岩土模型的尺寸与模型尺寸的缩小倍数不等,这就是粒径效应。
由于建筑或构件尺寸的缩小,如果试验时采用原型土料的话,其土颗粒相对于原型土颗粒来讲的话就相当于粒径被放大了,这将会对土颗粒的特性和建筑物及其结构承载力特性产生影响。
粒径效应与模型粒径效应与模型基础的尺寸以及地基材料平均粒径决定的剪切宽度有关。
但是,目前影响粒径效应的条件尚不十分明确,通常认为粒径效应在容易产生剪切带的地基及模型基础宽度与平均粒径的比值较小的条件下比较显著。
因此,可以认为影响粒径的因素有模型基础底面最小尺寸与地基材料粒径之比,地基密度、模型基础形状及埋深[18]。
3.3.2粒径效应解决方法
1979年丹麦的Ovesen用试验证明只要基础直径大于30倍的砂土平均粒径,模型土料的粒径不相似就不会对基础承载力特性有影响。
试验中所用的砂土粒径为0.3–0.6mm,模型基础的直径从7.1~113.1mm。
英国的Craig认为,如果原型土料需缩制的话,其级配必须缩制到使浅基础和桩这类结构物尺寸与最大土颗粒径之比达到40才算符合要求。
粒径效应是离心模型试验中不可回避的问题。
目前有2种处理粒径效应的方法。
1种方法是沿用模型的模拟的方法,即在正式试验之前,通过对比2种不同尺寸模型基础的试验结果,证明试验具有可重复性,不存在粒径效应。
这种方法只是验证该试验条件下可忽略粒径效应,对于不同条件的模型试验没有太大的参考价值。
另1种方法是参考浅基础粒径效应的研究成果,选择适当的地基材料和模型桩尺寸。
§3.6小结
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