动力离心模型试验附属设备及试验技术

动力离心模型试验附属设备及试验技术
    1 模型设计与模型箱 离心机振动台模型试验首先需要根据试验研究的目的和要求，选择适合的用于单向或双向振动试验的模型箱，然后与静力离心模型试验一样需要综合考虑离心机的容量、原型的尺寸、模型箱尺寸和观测仪器的布置等，合理确定模型比尺。为了能够模拟在地震方向无限延伸的地层，必须尽量减少模型箱边界的影响。Schofield和Zeng曾经总结了理想的模型箱应该具备的条件 ：
    (1)振动过程中，不影响剪切波或剪切应力的传递，尽量使水平剪切刚度为零，对土的变形无影响；
    (2)振动过程中模型箱水平断面尺寸应保持不变；
    (3)模型箱侧壁应具有足够的刚度；
    (4)尽量减少模型箱壁的质量，以减少边界处侧向动土压力。
    为了避免模型箱侧壁的反射作用，解决的方法除了尽量采用自由边界以外，便是将模型箱沿振方向的侧壁设计成柔性，如Rensselear理工学院、香港科技大学采用的层状柔性模型箱。模型箱的内部尺寸考虑了大部分模型试验的需要、振动台的负载能力以及方便传感器安装等因素。模型箱除了各种柔性设计以外，还包括用于模型饱和的密封设备、临时支架、与振动台固定的底板等，同时还要考虑模型制作和模型吊装的方便问题。在满足各方面功能要求之后，还应该综合考虑模型箱与振动台的共同作用下对振动波形的影响。
    模型箱在振动情况下可以适应土体在振动方向的剪切变形至为重要。为了减少侧壁为固定式的模型箱所引起的边界效应，目前用于动力模型试验模型箱有侧壁吸波、层状、叠环及铰接式四种。侧壁吸波材料多采用油灰，硅橡胶等涂于刚性模型箱的侧壁，以吸收应力波的反射和折射。Van Laak等人设计采用层状的侧壁结构，每一薄层之间采用滚球或滚棒搭接 。香港科技大学采用的层状模型箱可用于水平多方向震动的试验。剑桥大学设计了一个等效剪切梁式模型箱 ，为矩形框架的叠环结构，采用橡胶和铝板互层，旨在使模型箱的动刚度与多数原状土的动刚度平均值相同。美国加州大学Davis离心机动力模型试验模型箱 设计采用了侧壁铰接式的模型箱，每一层矩形空心铝环之间有一层橡胶，这层柔性橡胶使得模型箱可以和土体一起变形。
    2 模型制作与观测仪器 在动力离心模型试验中，根据模型律的要求，振动时间比尺是原型的1／Ⅳ(离心机加速度=^ )，而水在土体中的渗流时间比尺为原型的1／Ⅳ ，二者之间存在时间比尺不相似的矛盾，因此需要通过减小颗粒粒径或增大液体黏滞性的方法使相似关系得到满足。由于减少颗粒粒径容易改变土的基本性质，尤其不适合细粒土，实际试验中多采用增大液体黏滞性的方法。
    初期研究人员多采用硅油作为孔隙液体掺加到土里，并通过三轴试验和渗流试验验证了掺加硅油不会明显影响土的力学性质 ，但使用硅油的最大缺点是增加的黏滞性有限，使用后设备难以清理，造成污染。另外有些学者采用羟基甲基纤维素与蒸馏水拌和来提高液体的黏滞性 ，经过各种物理力学试验和动力离心模型试验比较，证明其完全可以用在动力离心模型试验中。作者采用钠羧基甲基纤维素(SCMC)，其可以用更小的掺量达到液体黏滞性要求 ，此材料为白色粉末状，无毒无味，原用于制造药品和食品，仅需在蒸馏水中掺加约0．2％的SCMC粉末，即可使水在常温下的粘稠度增大约5O倍。
    离心机振动模型试验采用的多为饱和模型，由于模型的尺寸远大于常规静动三轴试件的尺寸，其饱和技术变得较为复杂。试验室需配备去离子水、黏度测量设备CO，瓶、液体拌和工具、真空泵等。由于采用了黏滞性液体，因此饱和需要的时间较长，Ting和Whitman曾提出一种超低压砂土饱和法 ，可将压力降至一750mmHg以下，从而大大提高模型试件的饱和度。
    模型中常用的观测仪器有微型加速度传感器、微型孔隙水压力传感器、差动式位移传感器、激光位移传感器以及近年来发展的各种光纤传感器等。摄影摄像系统主要用于模型静力试验的过程，在模型起振过程中几乎无法使用；位移类传感器由于传感器支架与模型箱在振动过程中会产生相对运动，因此必须确保支架与滑台同步振动，激光位移传感器并非为振动试验设计，应慎重使用或进行特殊的加固处理；微型孔隙水压力传感器常可以有效地观测到模型中超孔隙水压力的消散过程，但使用前必须对传感器充分饱和；加速度传感器在埋设时必须保证传感器的方向与振动方向一致，双向震动试验则需要埋设双向加速度传感器，或者将两个单向加速度传感器垂直固定在一起，通常在模型箱底板外侧沿3个垂直方向分别布置3个加速度传感器，以便真实记录输入的地震波信号；各类传感器均需要在使用前经过地面上严格率定，在埋入模型之后，离心机起动之前仔细检查各量测通道，确保各类传感器能够正常工作。
    3 模型试验及数据采集分析 由于模型与液体共存，因此模型箱的吊装更需要平稳，减少振动；固定模型箱后，连接数采系统，检查数采通道；启动离心机及振动台控制系统，同时启动数据采集系统，达到设计加速度后，等待模型中由于离心机升速引起的超孔压全部消散；振动过程中数据采集频率通常为2 500～3 000Hz，也可以根据试验要求采用更高的数采频率，在调整数采频率之后，迅速输入预设的地震波使模型产生振动。多数模型试验，振动在不到l S的时间内完成，因此大量的数据暂存在位于离心机转轴附近的计算机中，振动完成后可以通过滑环或无线传输系统将数据导人主控室的计算机中进行处理分析。随着计算机及网络技术的飞速发展，多数离心机振动台开始采用以上数据传输方式。
     一些发达国家的研究经验表明，土工离心机振动台是研究土工抗震或振动问题的最先进有效的技术手段，因此近2O年来在这一领域的研究十分活跃。随着机械制造技术、量测技术和数据采集技术的长足发展，动力离心模型试验设备的性能将会更好地满足工程和研究需求。中国水利水电科学研究院目前筹建的大型水平+垂直双向振动台，经大量论证，其设计技术指标达世界领先水平，而且具有特色，该离心机振动台的建设已引起国内外同行的关注，并将在岩土工程动力模型试验研究领域发挥重要作用。
    中国地震活动频度高、强度大、震源浅，分布广，是一个震灾严重的国家。许多在建或拟建工程，包括水电站、尾矿坝工程，调水工程建筑物等多位于高发地震区。采用动力离心模型试验方法，可以节省在具体工程中埋设大量地震观测设备的费用，可以及时取得试验观测数据以改进设计和计算方法，可以更深刻地认识土工结构物振动的机理和震害造成的影响。