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土工离心模型实验的发展与应用(2)
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摘要:早期离心模型实验在工民建工程中的应用大多数是针对砂基,随后,才对粘性土地基进行研究。代表性的研究为Tani和Craig[4]对原型为30m厚的黏土进行了研究
早期离心模型实验在工民建工程中的应用大多数是针对砂基,随后,才对粘性土地基进行研究。代表性的研究为Tani和Craig[4]对原型为30m厚的黏土进行了研究,除了常规的离心机模型技术外,作者还在通过引进了水力坡降相似模拟技术,对粘土进行了不排水剪切试验,并获得了剪切曲线,并基于离心机试验数据,修正了强度参数,结果与数值计算较为一致。
2.3 挡土结构
通过利用离心模型的对土体与支挡结构之间的相互作用关系进行了研究,对其作用机制与规律有了更加深入的了解。代表成果为:Bolton认为墙土之间的作用关系按照拉锚板桩分析更为合理,与以往按照筋土挡土墙分析,按照拉锚板桩分析从概念上来说,更容易被接受。
2.4 动力工程
由于动力作用对工程的影响越来越受重视, 特别是由于近些年来地震频发,模拟研究地震对地面运动的作用是目前的一个研究热点。目前来说,利用带有振动设备和测试技术的离心机是研究该类问题的最理想设备。
2.5 地基处理
离心机模型试验在地基处理领域的应用较晚,近几年才得到应用,但是取得的成果较多。代表性成果为:王年香,等对码头软基的变形破坏机理进行研究,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。
2.6 其他方面
此外,离心机模型试验还广泛应用于岩土工程的其他领域。如研究有机污染物的入渗和迁移、海上采油平台的工作性状等等。
3 结束语
在岩土工程试验中,土工离心模拟实验技术是核心与关键,是验证数值分析的可靠手段。在岩土工程领域中,因离心实验技术的越来越完善,可以预见,无论广度上还是深度上都会有进一步的发展和应用。
1869年Schofield[1]以弹性体的平衡微分方程,推导出了相似原理,建立起原型和模型之间的对应关系,该模型的建立,为离心机模拟技术提供了基本的理论基础。并基于此理论,提出只考虑重力作用下,可以利用离心机模型试验来研究英吉利海峡跨海大桥,由于实际条件限制,该设想并未实现。
随着科学技术的不断进步,到了20世纪30年代,离心机模型试验得到快速发展,特别是前苏联和美国开始利用离心机试验对采矿工程和边坡进行了研究,并取得了初步的研究成果,解决了工程实际问题,为后来的离心机发展奠定了基础。
20世纪60年代以来,离心机模型试验的发展又进入了一个新的时代,特别是日本和英国,对离心机模型试验在各个领域的应用进行了研究,特别是在土体及相关的土工工程上面。
20世纪80年代以后,离心机得到了全面的发展与应用,欧洲很多国家,特别是法国、德国和荷兰等对离心机的研究范围日益扩大,并取得了很好的研究成果,同时,在离心机技术上面也获得了长足的进步。先后建立了一大批离心机模型实验室,并发展大型离心机,使离心机的容量大大提高。
表1 国内外有代表性的离心机国家单 位有效半径(m)最大加速度(g)最大载量(t)容量(g·t)建成时间前苏联巴库建筑与材料研究所5..0英国剑桥大学5.01550.7108.美国科罗拉多大学5..0法国道路桥梁中心实验室5..0日本东京技术研究所1..0德国鲁尔大学4..0荷兰Delft岩土工程实验室6.03003.南京水利科学研究院5.02002.0中国北京水利科学研究院5.0.香港科技大学4..
我国对于离心机的研究最早始于50年代中期,由于技术限制,研究主要停留在理论层面,并意识到离心机模型试验在解决工程问题上的重要意义,特别是研究土力学基本理论和土工建筑的工程性状方面。80年代以后,我国才开始真正重视离心机,国内很多研究单位先后建立了离心模拟实验室,并结合具体工程,在实验研究中取得了不少研究成果[2]。国内外具有代表性的土工离心机,见表1。
1 离心模型实验的相似理论
由于离心机的理论来源与相似原理,所以在进行离心机模拟试验时,必须满足最基本的相似条件,如几何相似、动力相似已经运动相似等条件。
考虑到离心机模型属于实际工程对象的小比例尺模型,因此在保证原型与模型几何相似外,还需要考虑到模型和原型在应力应变的相似性,只有这样,才能使得离心机模型和原型保持一致性。具体来说,在进行离心机模型试验时,先按一定的相似比,并基于相似理论,对原型尺寸和应力状态进行换算,并依此为基础,按照换算过的几何参数和运动参数合理地设计模型及试验。当模型材料与原型材料物理力学参数一致时,模型的加速度为Ng,根据相似比,模型的尺寸应是原型的1/N,以此为基本条件,可以推算出离心模型实验中的相似比例尺,见表2[3]。
文章来源:《岩土工程学报》 网址: http://www.ytgcxb.cn/qikandaodu/2021/0514/624.html
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