一種小比尺、非均質(zhì)離心模型的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種小比尺、非均質(zhì)離心模型的制備方法，首先通過數(shù)值模擬選擇具有相同塑性變形狀態(tài)的原型邊坡的幾何縮尺Ns；其次再對幾何縮尺后的邊坡進(jìn)行常規(guī)重力縮尺n，使之在滿足物理量相似比Lpg=(Nsn)Lmg條件時(shí)，離心模型和原型邊坡具有相同的應(yīng)力-應(yīng)變特征；對坡體材料進(jìn)行物理指標(biāo)與力學(xué)指標(biāo)的正交試驗(yàn)，獲得初始含水率、初始密度與坡體材料抗剪強(qiáng)度的關(guān)系；通過控制填筑材料的含水率和密度來直接反映坡體材料的抗剪強(qiáng)度，使得離心模型的強(qiáng)度與原型邊坡的強(qiáng)度相一致；最后按照物理量相似比逐一確定離心模型尺寸，并制作相應(yīng)的離心模型。本發(fā)明方法具有原理清晰、可操作性強(qiáng)、適用性廣、結(jié)果可信等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種小比尺、非均質(zhì)離心模型的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及巖土工程實(shí)驗(yàn)的【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是指一種小比尺、非均質(zhì)離心模型的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]土工離心模型試驗(yàn)是迄今為止相似性最好的研究技術(shù)，特別是在反映重力場方面具有突出優(yōu)點(diǎn)，因而在邊坡穩(wěn)定分析中得到了有效且廣泛的應(yīng)用。但該技術(shù)用于超大型尺寸和明顯非均質(zhì)坡體土的庫岸邊坡時(shí)會(huì)遭遇兩方面的難題:一是由于離心機(jī)容量的限制使得邊坡不能被完整復(fù)制；二是由于邊坡土 (巖)體的非均勻使得強(qiáng)度不一致在離心模型中難以直接反映。雖然已有學(xué)者進(jìn)行了研究，但從量化角度明確提出可被復(fù)制的此類離心模型的制備方法的報(bào)道還是鮮見。
[0003]土工離心模型試驗(yàn)原理是將原型縮尺后利用離心機(jī)形成的離心場提高模型的體積力，從而形成人工重力。當(dāng)原型尺寸與模型尺寸之比為η時(shí)，離心機(jī)的加速度需達(dá)到a^ng，其中g(shù)為重力加速度。如果原型結(jié)構(gòu)的尺寸過大，則會(huì)出現(xiàn)離心模型的幾何尺寸與離心機(jī)容量的矛盾，即由于離心試驗(yàn)箱尺寸和離心機(jī)加速度容量的限制，使得大型邊坡很難直接通過上述重力比尺進(jìn)行全尺寸模擬。這是目前存在于大型原型結(jié)構(gòu)離心模型試驗(yàn)領(lǐng)域中的最大難題。雖然有少量的研究報(bào)道`，但是由于土體材料和實(shí)際邊坡破壞中的非線性特征，這些模擬方法很少具有普適性和可重復(fù)性。所以，要針對大尺寸試驗(yàn)原型進(jìn)行離心模型試驗(yàn)首先需要發(fā)明一種具有很好力學(xué)相似的離心模型制備方法，以在滿足離心機(jī)容量限制的前提下最能代表原型。該方法不僅要有理論支撐和驗(yàn)證，同時(shí)要具有可操作性和很好的重復(fù)性。
[0004]針對大型邊坡進(jìn)行離心模型試驗(yàn)的另一個(gè)難題是坡體材料的非均勻性如何復(fù)制的問題，由于不同的土 (巖)層具有不同的強(qiáng)度特性、且對邊坡的穩(wěn)定和變形具有最直接的影響，故在離心試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭行枰詈玫南嗨菩浴，F(xiàn)有的研究大多采用均勻填筑邊坡模型的方法，而某些采用了非均勻填筑方法的模型制備也較多采用經(jīng)驗(yàn)比擬和對比的方法，缺乏量化控制標(biāo)準(zhǔn)。
[0005]經(jīng)過廣泛查閱有關(guān)資料，目前尚未發(fā)現(xiàn)能很好解決上述問題的方法，也沒有發(fā)現(xiàn)與本發(fā)明一樣的試驗(yàn)成果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足與缺陷，提供一種合理可靠的小比尺、非均質(zhì)離心模型的制備方法。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為:一種小比尺、非均質(zhì)離心模型的制備方法，首先，通過數(shù)值模擬選擇具有相同塑性變形狀態(tài)的原型邊坡的幾何縮尺Ns ;其次，再對幾何縮尺后的邊坡進(jìn)行常規(guī)重力縮尺n，使之在滿足物理量相似比Lpg= (Nsn) Lmg條件時(shí)，離心模型和原型邊坡具有相同的應(yīng)力-應(yīng)變特征，其中，Lp為原型尺寸，Lm為離心模型的尺寸；接著，對坡體材料進(jìn)行物理指標(biāo)與力學(xué)指標(biāo)的正交試驗(yàn)，獲得初始含水率、初始密度與坡體材料抗剪強(qiáng)度的關(guān)系；再接著，通過控制填筑材料的含水率和密度來直接反映坡體材料的抗剪強(qiáng)度，使得離心模型的強(qiáng)度與原型邊坡的強(qiáng)度相一致，實(shí)現(xiàn)坡體材料非均勻性的復(fù)制；最后，按照物理量相似比逐一確定離心模型尺寸，并制作相應(yīng)的離心模型，至此便完成小比尺、非均質(zhì)離心模型的制作。
[0008]本發(fā)明所述小比尺、非均質(zhì)離心模型的制備方法，包括以下步驟:
[0009]I)采用相同的土 /巖本構(gòu)關(guān)系和模型參數(shù)，通過數(shù)值模擬選擇與原型邊坡的等效塑性應(yīng)變具有最好相似程度的縮尺邊坡，即確認(rèn)具有相同塑性變形狀態(tài)的幾何縮尺Ns ；
[0010]2)對幾何縮尺后的邊坡進(jìn)行常規(guī)重力縮尺n，在上述縮尺范圍內(nèi)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系仍可近似采用線彈性相似理論，從而給出基于小比尺相似原理的主要物理量相似比:Lpg= (Nsn) Lmg ；
[0011]3)針對原型邊坡不同區(qū)域的土體，進(jìn)行物理指標(biāo)與力學(xué)指標(biāo)的正交試驗(yàn)，獲得初始含水率、初始密度與坡體材料抗剪強(qiáng)度的關(guān)系；
[0012]4)根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果確定離心模型各區(qū)域的目標(biāo)填筑物理指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)坡體材料非均勻性的復(fù)制；
[0013]5)按照物理量相似比逐一確定離心模型尺寸，并制作相應(yīng)的離心模型，至此便完成小比尺、非均質(zhì)離心模型的制作。
[0014]在步驟5)中，所述離心模型的制作流程為:備土一制作基巖一制作滑動(dòng)帶一制作坡體。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)與有益效果:
[0016]1、基于等效力學(xué)狀態(tài)建立幾何比尺大于重力比尺的離心模型相似關(guān)系，基于物理指標(biāo)與力學(xué)指標(biāo)的正交試驗(yàn)結(jié)果建立土體強(qiáng)度與填筑含水率和干密度的量化經(jīng)驗(yàn)關(guān)系、以通過控制不同區(qū)域填筑材料的物理特性直接反映該區(qū)域坡體材料的實(shí)際強(qiáng)度，上述方法被很好的用于超大型、非均質(zhì)邊坡的離心模型的制備，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了制作方法的可行、結(jié)果的可信及試驗(yàn)方案的可重復(fù)，具有原理清晰、可操作性強(qiáng)、適用性廣、結(jié)果可信等優(yōu)點(diǎn)；
[0017]2、可用于一般巖土工程穩(wěn)定問題，如:邊坡、基坑、地基等的離心模型試驗(yàn)，具有很好的市場前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為原型邊坡概況圖。
[0019]圖2為原型邊坡的等效塑性應(yīng)變圖。
[0020]圖3為與原型等效塑性應(yīng)變具有最好相似的縮尺后邊坡圖。
[0021]圖4為小比尺、材料非均勻的離心模型設(shè)計(jì)圖。
[0022]圖5為離心模型制作流程圖。
[0023]圖6為離心模型進(jìn)行離心試驗(yàn)時(shí)的實(shí)時(shí)監(jiān)控效果。
[0024]圖7為天然邊坡在水庫蓄水至正常水位時(shí)的坡腳變形狀態(tài)圖。
[0025]圖8為天然邊坡在庫水位從正常蓄水位降至汛限水位的坡腳滑動(dòng)狀態(tài)圖。
[0026]圖9為坡腳加固后的邊坡在試驗(yàn)結(jié)束后的狀態(tài)示意圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0028]本實(shí)施例所述的小比尺、非均質(zhì)離心模型的制備方法，是首先通過數(shù)值模擬選擇具有相同塑性變形狀態(tài)的原型邊坡的幾何縮尺Ns ;其次，再對幾何縮尺后的邊坡進(jìn)行常規(guī)重力縮尺n，使之在滿足物理量相似比Lpg= (Nsn)Lmg條件時(shí)，離心模型和原型邊坡具有相同的應(yīng)力-應(yīng)變特征，其中，Lp為原型尺寸，Lm為離心模型的尺寸；接著，對坡體材料進(jìn)行物理指標(biāo)與力學(xué)指標(biāo)的正交試驗(yàn)，獲得初始含水率、初始密度與坡體材料抗剪強(qiáng)度的關(guān)系；再接著，通過控制填筑材料的含水率和密度來直接反映坡體材料的抗剪強(qiáng)度，使得離心模型的強(qiáng)度與原型邊坡的強(qiáng)度相一致，達(dá)到分析非均勻邊坡穩(wěn)定和變形的試驗(yàn)?zāi)康?；最后，按照物理量相似比逐一確定離心模型尺寸，并制作相應(yīng)的離心模型，至此便完成小比尺、非均質(zhì)離心模型的制作。下面結(jié)合圖1至圖9，對本發(fā)明方法進(jìn)行具體說明，其具體情況如下:
[0029]如圖1所示，圖中的邊坡具有尺寸大、邊坡材料非均勻、強(qiáng)度不一致的特點(diǎn)。
[0030]針對上述邊坡尺寸，采用相同的土 (巖)本構(gòu)關(guān)系和模型參數(shù)，如圖2所示的原型邊坡的等效塑性應(yīng)變，通過數(shù)值模擬選擇與原型邊坡的等效塑性應(yīng)變具有最好相似程度的縮尺邊坡，即確認(rèn)具有相同塑性變形狀態(tài)的幾何縮尺Ns，圖3為所選擇的結(jié)果。
[0031]對幾何縮尺后的邊坡進(jìn)行常規(guī)重力縮尺n，在上述縮尺范圍內(nèi)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系仍可近似采用線彈性相似理論，從而給出基于小比尺相似原理的主要物理量相似比:Lpg= (Nsn) Lmg,式中各符號意義同前。
[0032]針對原型邊坡不同區(qū)域的土體，進(jìn)行物理指標(biāo)與力學(xué)指標(biāo)的正交試驗(yàn)，獲得初始含水率、初始密度與坡體材料抗剪強(qiáng)度的關(guān)系，如下表1所示。
[0033]表1正交試驗(yàn)
【權(quán)利要求】
1.一種小比尺、非均質(zhì)離心模型的制備方法，其特征在于:首先，通過數(shù)值模擬選擇具有相同塑性變形狀態(tài)的原型邊坡的幾何縮尺Ns;其次，再對幾何縮尺后的邊坡進(jìn)行常規(guī)重力縮尺n，使之在滿足物理量相似比Lpg= (Nsn) Lmg條件時(shí)，離心模型和原型邊坡具有相同的應(yīng)力-應(yīng)變特征，其中，Lp為原型尺寸，Lm為離心模型的尺寸；接著，對坡體材料進(jìn)行物理指標(biāo)與力學(xué)指標(biāo)的正交試驗(yàn)，獲得初始含水率、初始密度與坡體材料抗剪強(qiáng)度的關(guān)系；再接著，通過控制填筑材料的含水率和密度來直接反映坡體材料的抗剪強(qiáng)度，使得離心模型的強(qiáng)度與原型邊坡的強(qiáng)度相一致，實(shí)現(xiàn)坡體材料非均勻性的復(fù)制；最后，按照物理量相似比逐一確定離心模型尺寸，并制作相應(yīng)的離心模型，至此便完成小比尺、非均質(zhì)離心模型的制作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小比尺、非均質(zhì)離心模型的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)采用相同的土/巖本構(gòu)關(guān)系和模型參數(shù)，通過數(shù)值模擬選擇與原型邊坡的等效塑性應(yīng)變具有最好相似程度的縮尺邊坡，即確認(rèn)具有相同塑性變形狀態(tài)的幾何縮尺Ns ； 2)對幾何縮尺后的邊坡進(jìn)行常規(guī)重力縮尺n，在上述縮尺范圍內(nèi)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系仍可近似采用線彈性相似理論，從而給出基于小比尺相似原理的主要物理量相似比:Lpg= (NsIi)Lmg ; 3)針對原型邊坡不同區(qū)域的土體，進(jìn)行物理指標(biāo)與力學(xué)指標(biāo)的正交試驗(yàn)，獲得初始含水率、初始密度與坡體材料抗剪強(qiáng)度的關(guān)系； 4)根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果確定離心模型各區(qū)域的目標(biāo)填筑物理指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)坡體材料非均勻性的復(fù)制； 5)按照物理量相似比逐一確定離心模型尺寸，并制作相應(yīng)的離心模型，至此便完成小比尺、非均質(zhì)離心模型的制作。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種小比尺、非均質(zhì)離心模型的制備方法，其特征在于:在步驟5)中，所述離心模型的制作流程為:備土一制作基巖一制作滑動(dòng)帶一制作坡體。
【文檔編號】G01N1/28GK103884552SQ201410079117
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月5日
【發(fā)明者】陳曉平, 黃井武, 羅慶姿, 劉動(dòng) 申請人:暨南大學(xué)