動力離心模型試驗附屬設備及試驗技術

動力離心模型試驗附屬設備及試驗技術

1 模型設計與模型箱 離心機振動臺模型試驗首先需要根據試驗研究的目的和要求，選擇適合的用于單向或雙向振動試驗的模型箱，然后與靜力離心模型試驗一樣需要綜合考慮離心機的容量、原型的尺寸、模型箱尺寸和觀測儀器的布置等，合理確定模型比尺。為了能夠模擬在地震方向無限延伸的地層，必須盡量減少模型箱邊界的影響。Schofield和Zeng曾經總結了理想的模型箱應該具備的條件 ：

(1)振動過程中，不影響剪切波或剪切應力的傳遞，盡量使水平剪切剛度為零，對土的變形無影響;

(2)振動過程中模型箱水平斷面尺寸應保持不變;

(3)模型箱側壁應具有足夠的剛度;

(4)盡量減少模型箱壁的質量，以減少邊界處側向動土壓力。

為了避免模型箱側壁的反射作用，解決的方法除了盡量采用自由邊界以外，便是將模型箱沿振方向的側壁設計成柔性，如Rensselear理工學院、香港科技大學采用的層狀柔性模型箱。模型箱的內部尺寸考慮了大部分模型試驗的需要、振動臺的負載能力以及方便傳感器安裝等因素。模型箱除了各種柔性設計以外，還包括用于模型飽和的密封設備、臨時支架、與振動臺固定的底板等，同時還要考慮模型制作和模型吊裝的方便問題。在滿足各方面功能要求之后，還應該綜合考慮模型箱與振動臺的共同作用下對振動波形的影響。

模型箱在振動情況下可以適應土體在振動方向的剪切變形至為重要。為了減少側壁為固定式的模型箱所引起的邊界效應，目前用于動力模型試驗模型箱有側壁吸波、層狀、疊環及鉸接式四種。側壁吸波材料多采用油灰，硅橡膠等涂于剛性模型箱的側壁，以吸收應力波的反射和折射。Van Laak等人設計采用層狀的側壁結構，每一薄層之間采用滾球或滾棒搭接 。香港科技大學采用的層狀模型箱可用于水平多方向震動的試驗。劍橋大學設計了一個等效剪切梁式模型箱 ，為矩形框架的疊環結構，采用橡膠和鋁板互層，旨在使模型箱的動剛度與多數原狀土的動剛度平均值相同。美國加州大學Davis離心機動力模型試驗模型箱 設計采用了側壁鉸接式的模型箱，每一層矩形空心鋁環之間有一層橡膠，這層柔性橡膠使得模型箱可以和土體一起變形。

2 模型制作與觀測儀器 在動力離心模型試驗中，根據模型律的要求，振動時間比尺是原型的1/Ⅳ(離心機加速度=^ )，而水在土體中的滲流時間比尺為原型的1/Ⅳ ，二者之間存在時間比尺不相似的矛盾，因此需要通過減小顆粒粒徑或增大液體黏滯性的方法使相似關系得到滿足。由于減少顆粒粒徑容易改變土的基本性質，尤其不適合細粒土，實際試驗中多采用增大液體黏滯性的方法。

初期研究人員多采用硅油作為孔隙液體摻加到土里，并通過三軸試驗和滲流試驗驗證了摻加硅油不會明顯影響土的力學性質 ，但使用硅油的最大缺點是增加的黏滯性有限，使用后設備難以清理，造成污染。另外有些學者采用羥基甲基纖維素與蒸餾水拌和來提高液體的黏滯性 ，經過各種物理力學試驗和動力離心模型試驗比較，證明其完全可以用在動力離心模型試驗中。作者采用鈉羧基甲基纖維素(SCMC)，其可以用更小的摻量達到液體黏滯性要求 ，此材料為白色粉末狀，無毒無味，原用于制造藥品和食品，僅需在蒸餾水中摻加約0.2%的SCMC粉末，即可使水在常溫下的粘稠度增大約5O倍。

離心機振動模型試驗采用的多為飽和模型，由于模型的尺寸遠大于常規靜動三軸試件的尺寸，其飽和技術變得較為復雜。試驗室需配備去離子水、黏度測量設備CO，瓶、液體拌和工具、真空泵等。由于采用了黏滯性液體，因此飽和需要的時間較長，Ting和Whitman曾提出一種超低壓砂土飽和法 ，可將壓力降至一750mmHg以下，從而大大提高模型試件的飽和度。

模型中常用的觀測儀器有微型加速度傳感器、微型孔隙水壓力傳感器、差動式位移傳感器、激光位移傳感器以及近年來發展的各種光纖傳感器等。攝影攝像系統主要用于模型靜力試驗的過程，在模型起振過程中幾乎無法使用;位移類傳感器由于傳感器支架與模型箱在振動過程中會產生相對運動，因此必須確保支架與滑臺同步振動，激光位移傳感器并非為振動試驗設計，應慎重使用或進行特殊的加固處理;微型孔隙水壓力傳感器常可以有效地觀測到模型中超孔隙水壓力的消散過程，但使用前必須對傳感器充分飽和;加速度傳感器在埋設時必須保證傳感器的方向與振動方向一致，雙向震動試驗則需要埋設雙向加速度傳感器，或者將兩個單向加速度傳感器垂直固定在一起，通常在模型箱底板外側沿3個垂直方向分別布置3個加速度傳感器，以便真實記錄輸入的地震波信號;各類傳感器均需要在使用前經過地面上嚴格率定，在埋入模型之后，離心機起動之前仔細檢查各量測通道，確保各類傳感器能夠正常工作。

3 模型試驗及數據采集分析 由于模型與液體共存，因此模型箱的吊裝更需要平穩，減少振動;固定模型箱后，連接數采系統，檢查數采通道;啟動離心機及振動臺控制系統，同時啟動數據采集系統，達到設計加速度后，等待模型中由于離心機升速引起的超孔壓全部消散;振動過程中數據采集頻率通常為2 500～3 000Hz，也可以根據試驗要求采用更高的數采頻率，在調整數采頻率之后，迅速輸入預設的地震波使模型產生振動。多數模型試驗，振動在不到l S的時間內完成，因此大量的數據暫存在位于離心機轉軸附近的計算機中，振動完成后可以通過滑環或無線傳輸系統將數據導人主控室的計算機中進行處理分析。隨著計算機及網絡技術的飛速發展，多數離心機振動臺開始采用以上數據傳輸方式。

一些發達國家的研究經驗表明，土工離心機振動臺是研究土工抗震或振動問題的最先進有效的技術手段，因此近2O年來在這一領域的研究十分活躍。隨著機械制造技術、量測技術和數據采集技術的長足發展，動力離心模型試驗設備的性能將會更好地滿足工程和研究需求。中國水利水電科學研究院目前籌建的大型水平+垂直雙向振動臺，經大量論證，其設計技術指標達世界領先水平，而且具有特色，該離心機振動臺的建設已引起國內外同行的關注，并將在巖土工程動力模型試驗研究領域發揮重要作用。

中國地震活動頻度高、強度大、震源淺，分布廣，是一個震災嚴重的國家。許多在建或擬建工程，包括水電站、尾礦壩工程，調水工程建筑物等多位于高發地震區。采用動力離心模型試驗方法，可以節省在具體工程中埋設大量地震觀測設備的費用，可以及時取得試驗觀測數據以改進設計和計算方法，可以更深刻地認識土工結構物振動的機理和震害造成的影響。