[發(fā)明專利]一種控制土體狀態(tài)參數(shù)的物理模型分層制備與試驗(yàn)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011084467.0
• 申請(qǐng)日: 2020-10-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112485106B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-11-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周燕國(guó);馬強(qiáng);曹淵;陳云敏
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01N3/08
• 分類(lèi)號(hào): G01N3/08;G01M7/02;G06F30/20
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 林超

本發(fā)明公開(kāi)了一種控制土體狀態(tài)參數(shù)的物理模型分層制備與試驗(yàn)方法。對(duì)試驗(yàn)土體進(jìn)行室內(nèi)三軸試驗(yàn)和基本物性測(cè)試試驗(yàn)；模型箱放置在振動(dòng)臺(tái)上，模型箱內(nèi)放置試驗(yàn)土體，確定試驗(yàn)幾何相似比尺；確定離心加速度；設(shè)置原型和模型的分層層數(shù)；根據(jù)分層處理獲得原型在各層土體中心處的狀態(tài)，迭代處理獲得模型在各層土體中心處的狀態(tài)；制備模型；確定振動(dòng)臺(tái)輸入的波形參數(shù)及試驗(yàn)所用飽和流體粘度；進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，獲得模型響應(yīng)結(jié)果并推演獲得原型響應(yīng)結(jié)果。本發(fā)明克服傳統(tǒng)小比尺不等應(yīng)力模型試驗(yàn)土體響應(yīng)失真的缺陷，克服現(xiàn)有離心機(jī)負(fù)載能力及超重力振動(dòng)臺(tái)性能不足的問(wèn)題，提高縮尺范圍，準(zhǔn)確模擬原型的應(yīng)變水平。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于物理模型試驗(yàn)理論技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種控制土體狀態(tài)參數(shù)的物理模型分層制備技術(shù)及其試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)

當(dāng)前，我國(guó)西南地區(qū)興建大量高壩大庫(kù)工程，山區(qū)新建支線機(jī)場(chǎng)，近海建設(shè)港口碼頭和海域建設(shè)島礁工程，以及“川藏鐵路”等重大基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，都受到強(qiáng)震威脅。我國(guó)是世界上地震活動(dòng)最活躍和地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一，近年來(lái)發(fā)生的四川汶川(8.0級(jí)，2008)、青海玉樹(shù)(7.1級(jí)，2010)和四川雅安(7.0級(jí)，2013)等強(qiáng)震造成了很多大型土工構(gòu)筑物(如土石壩、高邊坡路堤和機(jī)場(chǎng)高填方等)的破壞。這些重大巖土工程通常幾何尺度巨大(高/深大于100m)，場(chǎng)地條件復(fù)雜，地震烈度高，地震作用下涉及大尺度土-結(jié)構(gòu)-流體動(dòng)力相互作用問(wèn)題，其抗震設(shè)計(jì)、建設(shè)與服役過(guò)程中所遇到的技術(shù)難題往往超出當(dāng)前規(guī)范的考慮范圍。因此，迫切需要研究大尺度巖土工程的地震響應(yīng)規(guī)律與抗震性能，為高烈度區(qū)重大工程的抗震設(shè)計(jì)和安全服役提供科學(xué)依據(jù)。

模型試驗(yàn)是指：在采用適當(dāng)比例和相似材料制成的與原型相似的模型上施加比例荷載，根據(jù)模型受力后的響應(yīng)再演算原型的響應(yīng)的試驗(yàn)。模型試驗(yàn)廣泛應(yīng)用于各科學(xué)領(lǐng)域，對(duì)于復(fù)雜的巖土工程問(wèn)題，基于縮尺模型的先進(jìn)物理模擬是觀測(cè)地震響應(yīng)規(guī)律和揭示破壞模式的重要研究手段。目前國(guó)內(nèi)外常用的模型試驗(yàn)技術(shù)可以分為兩類(lèi)：常重力(1g)物理模型試驗(yàn)技術(shù)和超重力物理模型試驗(yàn)技術(shù)。常重力(1g)物理模型試驗(yàn)技術(shù)是在常重力環(huán)境下進(jìn)行的試驗(yàn)，由于土體的應(yīng)力應(yīng)變特性具有應(yīng)力依賴性，在1g重力場(chǎng)條件下，縮尺的模型應(yīng)力水平與原型相差非常大，導(dǎo)致模型的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與原型完全不同，得出的試驗(yàn)結(jié)果常與實(shí)際不符。與常重力(1g)物理模型試驗(yàn)相比，離心超重力物理模擬技術(shù)通過(guò)土工離心機(jī)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生N倍g的離心加速度場(chǎng)，在模型尺度上再現(xiàn)場(chǎng)地自重應(yīng)力，使模型與原型的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系相似、破壞機(jī)理相同。同時(shí)，機(jī)載振動(dòng)臺(tái)可在超重力環(huán)境下模擬基巖地震動(dòng)輸入，再現(xiàn)工程原型地震災(zāi)變過(guò)程。通過(guò)與數(shù)值模擬的相互補(bǔ)充和驗(yàn)證，為解決相關(guān)巖土工程抗震問(wèn)題提供重要途徑。

然而，受到離心機(jī)負(fù)載能力及超重力振動(dòng)臺(tái)性能的限制，縮尺量級(jí)在10-100的水平，目前國(guó)內(nèi)外土工離心機(jī)能直接模擬的原型高度一般不超過(guò)50m，尚無(wú)法直接模擬百米級(jí)尺度的大型巖土工程原型。針對(duì)上述離心機(jī)負(fù)載能力限制問(wèn)題，目前有三種途徑能部分解決這一難題。第一種是研發(fā)負(fù)載能力更大的離心機(jī)及超重振動(dòng)臺(tái)，但是研發(fā)成本巨大，面臨很多技術(shù)挑戰(zhàn)。擴(kuò)大離心機(jī)負(fù)載對(duì)提升離心物理模擬縮尺范圍的貢獻(xiàn)有限，仍難以實(shí)現(xiàn)對(duì)物理模擬縮尺數(shù)量級(jí)上的提升。第二種是進(jìn)行“模型的模擬”(Modeling of models)研究，充分利用現(xiàn)有離心機(jī)設(shè)備的能力對(duì)同一個(gè)縮尺模型在若干個(gè)相似比尺(離心加速度)下進(jìn)行若干不等應(yīng)力模型試驗(yàn)，分析模型響應(yīng)和相似比尺之間的非線性關(guān)系，然后將試驗(yàn)結(jié)果外延得到原型的響應(yīng)。但該方法對(duì)試驗(yàn)的可重復(fù)性要求很高，試驗(yàn)成本高，且外推在科學(xué)上存在不合理性。第三種方法是對(duì)現(xiàn)有相似律進(jìn)行改進(jìn)，突破現(xiàn)有離心機(jī)相似律的縮尺限制，以擴(kuò)大被模擬的工程原型的尺度。第三種是利用兩階段法對(duì)現(xiàn)有相似律進(jìn)行改進(jìn)，聯(lián)合了常重力模型試驗(yàn)相似理論和離心超重力模型試驗(yàn)相似律，通過(guò)將工程原型進(jìn)行兩階段縮尺，可以實(shí)現(xiàn)100-1000倍的幾何縮尺模擬。但是兩階段法的缺點(diǎn)也十分突出：首先兩階段法模擬時(shí)模型的應(yīng)變小于原型的應(yīng)變，導(dǎo)致試驗(yàn)時(shí)模型的應(yīng)變響應(yīng)失真；其次模型的剪脹性大于原型，無(wú)法準(zhǔn)確模擬原型的剪脹響應(yīng)，上述兩個(gè)缺陷帶來(lái)的誤差會(huì)隨著幾何比尺的增大而變大。已有的研究結(jié)果表明兩階段相似律進(jìn)行模型試驗(yàn)，模型試驗(yàn)結(jié)果中孔壓消散和土體位移結(jié)果失真。