土工離心機(jī)通過采用高速旋轉(zhuǎn)增加模型重力的方法, 使模型土體產(chǎn)生與原型相同的自重應(yīng)力, 模型的變形及破壞機(jī)制與原型相似, 從而可以直接模擬復(fù)雜的巖土工程問題。目前土工離心機(jī)的用途已十分廣泛, 不僅可以用于解決常規(guī)的土力學(xué)問題, 如土石壩、邊坡、擋土墻、樁基、深基坑、地下洞室等, 而且利用離心機(jī)可以模擬原型應(yīng)力的特點, 研究人員將離心機(jī)用于凍土力學(xué)、環(huán)境土力學(xué)、土工抗震研究以及爆破工程研究等*域。離心模型試驗同時為深入認(rèn)識巖土力學(xué)的基本原理, 驗證數(shù)值分析成果提供了十分有效的手段。
 
G際上自 20 世紀(jì) 60 年代以來建造了約 200 多臺土工離心模擬試驗機(jī)。80 年代以來, 許多發(fā)達(dá)G家如英G、日本、美G、法G等還建造了各類離心機(jī)振動臺進(jìn)行土工抗震離心模型試驗, 研究內(nèi)容涉及堤壩抗震變形、邊坡抗震穩(wěn)定性、地震條件下土與結(jié)構(gòu)的相互作用、土體液化等方面^{[ 1,2]} 。特別是在地震多發(fā)G家如日本, 已經(jīng)建設(shè)了 20 余臺離心機(jī)振動臺, 在這方面的研究也十分活躍。由于人們對于自然災(zāi)害和環(huán)境的關(guān)注, 這一*域的研究工作將會更加引人注目。
 
對于巖土工程抗震問題, 通常只能采用數(shù)值計算的方法進(jìn)行分析, 其計算結(jié)果受計算參數(shù)和本構(gòu)數(shù)學(xué)模型的影響很大; 現(xiàn)場觀測通常耗資巨大, 而且由于實際地震的時空不確定性和復(fù)雜性, 無法取得實測資料并用于驗證數(shù)值分析結(jié)果; 地面上的振動臺模型試驗由于無法模擬巖土材料的重力作用, 因此多用于剛性材料的結(jié)構(gòu)試驗。而采用離心機(jī)振動臺, 則可以在原型應(yīng)力條件下, 在模型底部產(chǎn)生可控制的地震波, 從而可以通過各種監(jiān)測手段直接獲得地震引起的巖土結(jié)構(gòu)物的動力變形和穩(wěn)定特性。因此土工離心機(jī)振動臺被G內(nèi)外巖土工程界認(rèn)為是**有效的地震模擬試驗手段, 通過與數(shù)值模擬分析相互補(bǔ)充和驗證, 可以提高土工抗震研究水平, 解決相關(guān)的巖土工程抗震問題。
 
我G地域遼闊, 許多水電建設(shè)工程特別是西北、西南地區(qū)新建或擬建的高壩大庫多位于高發(fā)地震區(qū), 一旦在地震中被破壞, 將會給人民的生命財產(chǎn)造成巨大的損失。因此, 在研究巖土工程動力數(shù)值分析方法的同時, 我G更需要大力開展動力離心模擬試驗研究, 縮短與世界先進(jìn)水平之間的差距。本文分析了目前G內(nèi)外離心機(jī)振動臺試驗設(shè)備及其應(yīng)用情況, 各類離心機(jī)振動系統(tǒng)的優(yōu)缺點, **后介紹了中G水利水電科學(xué)研究院擬建的大型離心機(jī)振動臺經(jīng)過初步論證后的主要技術(shù)參數(shù), 其各項技術(shù)指標(biāo)與G外先進(jìn)的離心機(jī)振動臺相比, 居于**水平。文中同時簡要介紹了動力離心模型試驗常用的附屬實驗設(shè)備和試驗方法。
 1 G內(nèi)外離心機(jī)振動臺及研究概況
 
 
隨著動力離心模型試驗相似理論的發(fā)展, 振動臺模型試驗技術(shù)也日*成熟。美G和英G的 7 個離心模型試驗室曾經(jīng)利用各自的離心機(jī)動力試驗設(shè)備, 進(jìn)行了一次**的驗證數(shù)值分析方法的試驗, 項目名稱為/ 液化分析方法的離心模擬試驗驗證0 ( 簡稱VELACS) ^{[ 3]} 。參加研究的單位有 Davis 加州大學(xué)、加州理工學(xué)院、劍橋大學(xué)、科羅拉多 Boulder 分校、麻省理工學(xué)院、普林斯頓大學(xué)及 Rensselaer 理工學(xué)院。試驗針對9 個土工工程模型進(jìn)行振動液化試驗, 并利用試驗結(jié)果驗證數(shù)值分析結(jié)果, 試驗中輸入正弦地震波, 分別模擬 9 種堤壩或地層的動力反應(yīng)。在試驗完成之前由另外一組研究人員利用各自的本構(gòu)數(shù)學(xué)模型, 對同樣的結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬分析并提交分析結(jié)果。由于動力離心模型試驗中輸入的地震波與計算采用的地震波略有差別, 因此在試驗完成之后, 按照試驗采用的輸入地震波再次進(jìn)行數(shù)值分析預(yù)測,**終再與試驗結(jié)果進(jìn)行比較。
 
VELACS 的研究成果證明, 只要振動裝置能夠產(chǎn)生符合要求的地震輸入, 認(rèn)真設(shè)計和制作模型, 現(xiàn)有的技術(shù)水平已經(jīng)可以很好地實現(xiàn)各試驗室之間試驗成果的重復(fù)性。利用離心模型的試驗成果, 驗證和比較了以下動力分析程序: ( 1) 等效線性總應(yīng)力分析程序 QUAD_4、FEDAM、LUSH 和 FLUSH 程序; ( 2) 間接耦合動力反應(yīng)程序 DESRA 和 TARA; ( 3) 與比奧固結(jié)理論耦合的動力反應(yīng)分析程序 DYSACZ、 DYNAFLOW 和 SWANDYNE 程序。結(jié)果表明, 只有完全耦合的非線性有效應(yīng)力程序才能預(yù)測非剪脹土體的位移, 對于剪脹土的位移, 以上所有程序都無法耦合, 因此在動荷載作用下土的本構(gòu)關(guān)系, 還需要做更多深入細(xì)致的研究工作。VELACS 的這一研究成果對于利用動力離心模擬試驗認(rèn)識數(shù)值分析方法的缺陷、修改數(shù)值模型以及提高數(shù)據(jù)分析的精度意義重大。
 
美G科羅拉多大學(xué)用伺服液壓振動臺進(jìn)行動力離心模擬試驗^[4] , 研究評價不同密實度的堤壩在不同振幅和振動頻率下的地震反應(yīng), 并觀察土體的變形和液化特性。1989 年 10 月 17 日在美G Santa Cruz 山區(qū)發(fā)生了里氏 711 級的地震, 離震中不遠(yuǎn)的 O. Neill Forebay 土石壩事先在壩趾和壩頂埋設(shè)安裝加速度傳感器, 記錄到了大壩的動力反應(yīng), 該壩高 1813m, 底寬12210m, 壩頂寬 1017m。壩頂?shù)?*大水平加速度達(dá)到015g。現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)為驗證離心模型試驗提供了條件, Law 等人^{[ 5]} 采用科羅拉多大學(xué) 400g_t 離心機(jī)對4 個不同尺寸的模型土石壩進(jìn)行了動力離心模型試驗, 通過模擬模型的方法得到更為可信的試驗數(shù)據(jù), 這些試驗數(shù)據(jù)與原型觀測結(jié)果進(jìn)行了比較, 證明模型試驗結(jié)果與原型觀測結(jié)果十分接近。采用動力離心模型試驗可以較為精確地模擬原型地震情況。
 
英G劍橋大學(xué)在離心機(jī)中采用波軌顛簸道路( Bumping road) 的方法產(chǎn)生正弦振動, 研究邊坡在滲流條件下的地震穩(wěn)定性^[6] 。Steedman 和 Zeng 還研究了地震對懸臂梁式擋土墻的影響^{[ 7]} , 分析表明懸臂梁擋墻的地震反應(yīng)很大程度上取決于土和擋墻系統(tǒng)的剛度, 柔性懸臂梁擋墻的自振頻率與地震主頻比較接近, 通過動力離心模型試驗證明通常采用的擬靜力分析方法計算結(jié)果會大大低估地震的影響。
 
近年來日本在土工離心機(jī)及振動設(shè)備的制造和研究*域更為活躍, 先后建造了大林組株式會社土工離心機(jī)( 700g_t) 、土木研究所離心機(jī)( PWRI, 600g_t) 和竹中技術(shù)研究所( 400~ 500g_t) 。Suzuki 等人曾采用離心機(jī)振動臺研究抗液化地基的動力反應(yīng)^{[ 8]} , 對于松散的砂土地基, 現(xiàn)場采用深層水泥攪拌的方法按網(wǎng)格狀進(jìn)行固化, 模型試驗研究證明, 在振動方向上網(wǎng)格的尺寸大小對地基抗液化能力影響較大, 試驗也表明降低地下水位可以增加地基的抗液化能力。日本 Nagase 等人還研究了傾斜地面由于地震液化引起的**變形^{[ 9]} , 觀測到液化土層的厚度和地面**變形之間在對數(shù)坐標(biāo)中呈線性關(guān)系。日本東京大學(xué)防災(zāi)研究院曾采用中型離心機(jī)及振動臺研究剪切波在干砂土地層中的傳播^[10] 。由于日本的離心機(jī)振動臺較多, 近年來的抗震研究項目范圍更為廣泛。
 
香港科技大學(xué)于 2001 年投入使用一臺水平雙向離心機(jī)振動臺, 實驗室同時配備有兩個用于動力模型試驗的模型箱。利用該離心機(jī)振動臺曾經(jīng)對風(fēng)化花崗巖松散填土邊坡在地震情況下的變形和穩(wěn)定進(jìn)行了試驗研究^{[ 11]} , 試驗中可以模擬不同振幅的地震, 觀測不同邊坡高度或坡度條件下的震動變形、孔隙水壓力變化以及振動加速度變化等。利用該雙向振動臺, 還作了砂土地震液化試驗, 進(jìn)行了驗證砂土的本構(gòu)關(guān)系模型等方面的研究工作。
 
我G南京水利科學(xué)研究院于2002 年建成一個小型離心機(jī)振動臺^{[ 12]} , 利用該振動臺完成了新疆吉林臺水電站面板堆石壩的震動變形與穩(wěn)定研究。清華大學(xué)于 2003 年在其50g_t 小型離心機(jī)上研制安裝一臺電液壓振動臺, 目前已完成調(diào)試工作。同濟(jì)大學(xué)也正在該校新建的 150g_t 離心機(jī)上安裝一臺振動臺設(shè)備。
 
2 離心機(jī)振動臺主要類型及特點
 
 
在離心機(jī)高速運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生振動, 需要足夠的動力和激振設(shè)備。如果模型比尺 N = 100, 為模擬原型, 離心機(jī)加速度須達(dá)到100g( g 為重力加速度) , 400kg 的模型負(fù)載將會相當(dāng)于原型 40t 的重力, 同時根據(jù)模型相似率的要求, 振動臺輸入的震動頻率為原型地震頻率的 100, 震動歷時為原型的 1P100, 振動加速度為原型的 100 倍, 可見振動臺的技術(shù)難度和運行要求非常高。為達(dá)到以上目的, 世界各土工離心機(jī)試驗室研制了各種離心機(jī)震動系統(tǒng)。
 
由劍橋大學(xué)的Morries 等人研制了彈簧驅(qū)動系統(tǒng)^{[ 13]} , 利用板簧作振源, 由液壓裝置觸發(fā)振動, 在模型箱的另一側(cè)有一個反力板簧用于調(diào)整振動頻率。該設(shè)備曾用于劍橋大學(xué)的離心機(jī), 系統(tǒng)頻率為 61Hz, **大加速度為 a= 20g, 對應(yīng)振幅為 113mm。其特點是結(jié)構(gòu)簡單、造價低、重量輕, 但只能輸出正弦波, 振動頻率取決于彈簧剛度和模型的質(zhì)量, 出力小、振動頻率較低、頻率可調(diào)范圍窄, 難以滿足特定的震動要求。這一裝置實際上也可以考慮通過增加阻尼系統(tǒng)調(diào)整振動次數(shù), 也可以增加爆炸系統(tǒng)以增加高頻的成分。
 
法G Zelikson 則采用爆炸系統(tǒng)^{[ 14]} , 在模型箱前安置藥室, 藥室與模型箱通過有過濾作用的波反射箱連接, 當(dāng)藥室發(fā)生一系列微差爆炸時, 壓縮空氣就會推動活塞運動, 合成類似地震的地震輸入, 振動時間由一套類似汽車減震器的阻尼系統(tǒng)來控制。其優(yōu)點是系統(tǒng)造價低, 由于附加荷載小, 爆炸能量大, 可以激振較大的模型, 振動也可以采用數(shù)字化控制, 得到的振動頻率較高, 從而有利于模擬地震波。其缺點是很難精確控制振幅, 合成的波形與要求的振動波形常常相差較大, 需要特制的點火裝置, 每次試驗需要更換藥量。
 
用波軌顛簸道路( Bumping road) 模擬地震波的概念由 Schofield 于1981 年提出^{[ 15]} , 又由 Kutter 等人在
 
劍橋大學(xué)的離心機(jī)上裝配了該系統(tǒng)^{[ 16]} , 并用這一系統(tǒng)研究軟土堤壩的動力反應(yīng)。波形軌道安裝在離心機(jī)主機(jī)室的側(cè)壁, 占整個側(cè)壁的1P3, 轉(zhuǎn)臂上的裝置可以將沿波軌道路運行產(chǎn)生的振動轉(zhuǎn)換為切向方向,從而模擬正弦波振動。使用這種裝置可以在離心機(jī)加速度 100g 條件下, 產(chǎn)生頻率 120Hz、加速度 20g 的振動, Lee 和 Schofield 對這一系統(tǒng)作了更詳細(xì)的介紹^[17] 。其缺點是波形噪音大, 振動頻率取決于離心機(jī)轉(zhuǎn)速, 改變波形必須更換軌道, 缺乏靈活性。
 
利用壓電陶瓷極化后, 其應(yīng)變大小與電場電壓成正比的原理, 可以制造出壓電式振動臺, 這一概念**早由美G宇航局( NASA) 的 Giovannetti 和 Bakke 提出, 此后由 Arulanandan 等于 1982 年在加州大學(xué)
 
Davis 分校的小離心機(jī)( Schaevitz) 上研制了該系統(tǒng)^{[ 18]} 。其優(yōu)點是體積較小, 容易采用數(shù)字化準(zhǔn)確控制振動頻率, 造價低, 結(jié)構(gòu)相對比較簡單。缺點是模擬振幅越高, 需要的電壓也越高, 耗電量較大, 另外難以產(chǎn)生較低頻率的振動。
 
日本 Fujii 于 1991 年介紹了用感應(yīng)繞阻產(chǎn)生磁場, 從而使模型振動的電磁激振方法^{[ 19]} 。該方法可以直接采用數(shù)字信號控制振動, 能產(chǎn)生較大的激振力, 振動頻率范圍一般為 50~ 300Hz, 缺點是大功率的電磁作動器重量和體積都較大, 受離心機(jī)有效負(fù)載的限制較大。日本清水公司的離心機(jī)振動臺采用同樣的系統(tǒng)^{[ 20]} , **大振動加速度為 10g , 振動頻率 50~ 300Hz。
 
另外還有一些采用其它激振技術(shù)的振動臺系統(tǒng), 但G際上眾多的離心機(jī)振動臺及其測試結(jié)果表明,采用電液伺服振動系統(tǒng)是目前**理想的振動試驗系統(tǒng), 其優(yōu)點是可以模擬各種振幅及振動頻率的振動波形, 具有較大的靈活性, 能夠很好地滿足動力離心模型試驗的要求。該系統(tǒng)一般由信號輸出及反饋、伺服放大、油站、儲油器、作動器及滑臺等部分組成。系統(tǒng)的關(guān)鍵部位是其高壓儲油器在瞬間釋放油壓,驅(qū)動作動器完成預(yù)設(shè)的輸入地震波。該系統(tǒng)的缺點是造價高, 結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 需要較高的制造技術(shù)和維修維護(hù)技術(shù)。目前, 美G和日本是擁有離心機(jī)電液振動臺**多的G家。表 1 給出美G、日本和中G部分土工離心機(jī)配備的電液振動系統(tǒng)的主要參數(shù)。
 

	表 1	部分電液振動系統(tǒng)參數(shù)
單位	動力模型試驗離	**大振動	**大振動	**大	備注
	心機(jī)運轉(zhuǎn)加速度@ g	加速度@ g	頻率PHz	負(fù)載Pkg
美G Davis 加州大學(xué)	53	15	200	2700
美G Rensselar 理工學(xué)院	100	30	350	400	2_D水平
美G Rensselar 理工學(xué)院	100	30	500	400
美G Rensselar 理工學(xué)院	50	120	500	35
美G加州理工學(xué)院	75	30	1000	40
美G科羅拉多大學(xué)	87	48	500	50
日本大林組技術(shù)研究所	50	18	200	3000
日本清水公司	50	10	350	300
日本大成公司	50	20	300	180
日本東京工業(yè)大學(xué)	50	20	100	90
日本東京工業(yè)大學(xué)	50	20P10	200	70	2_D水平+ 垂直
日本土木研究所	100	40	400	> 300
日本港灣研究所	60	10~ 50	300	92
日本東京大學(xué)防災(zāi)研究院	50	80		< 120
香港科技大學(xué)	75	15	350	300	2_D水平
南京水電科學(xué)研究院	100	20	100	200
清華大學(xué)	50	20	250	100
中G水利水電科學(xué)研究院	120	30P20	400	400	建設(shè)階段 2_D水平+ 垂直

 
 
3 中G水利水電科學(xué)研究院正在建設(shè)的大型離心機(jī)振動臺及其技術(shù)參數(shù)
 
中G水利水電科學(xué)研究院于 1991 年建成的大型土工離心模擬試驗機(jī) LXJ_4_450^[21] , 其有效負(fù)載為 450g_t, 有效轉(zhuǎn)動半徑 5103m, **大設(shè)計加速度 300g , 有效模型負(fù)載 115t, 試驗吊籃尺寸長 @ 寬 @ 高= 115m @ 110m @ 115m, 有足夠的空間和負(fù)載能力加裝大型液壓振動模擬設(shè)備。一般來說, 模型越大, 離心加速度越高, 對振動臺及離心機(jī)性能的要求也就越高。為了取得可靠的地震模擬試驗結(jié)果, 振動臺需要滿足以下要求: 可以模擬輸入各類任意振動波型; 在垂直和水平方向振動, 在其它方向的震動干擾應(yīng)降****小; 可以在離心機(jī)運轉(zhuǎn)過程中連續(xù)起振; 振動波形應(yīng)具有可重復(fù)性; 地面上輸入及輸出**大振動誤差應(yīng)小于 6%, 在離心機(jī)運轉(zhuǎn)時, 振幅誤差應(yīng)小于 10%; 便于模型安裝及靜、動力模型吊籃的更換; 設(shè)備應(yīng)考慮模型箱、傳感器及數(shù)采系統(tǒng)安裝的需要; 設(shè)備應(yīng)耐久可靠, 便于維護(hù)。
 
綜合考慮G外先進(jìn)的離心機(jī)振動臺設(shè)計制造水平, LXJ_4_450 大型土工離心機(jī)的有效負(fù)載容量, 以及實際工程研究的需要, 提出了在 LXJ_4_450 離心機(jī)上建設(shè)一臺水平+ 垂直雙向振動臺, 其技術(shù)參數(shù)如表2 所示。
 

表 2	中G水利水電科學(xué)研究院離心機(jī)動力設(shè)備參數(shù)
項目	技術(shù)參數(shù)		項目	技術(shù)參數(shù)
動力試驗離心機(jī)運轉(zhuǎn)加速度@ g	120		振動波形	正弦波, 任意地震波
水平/ 垂直**大振動加速度@ g	30/20		振動臺面尺寸/ mm2	1 000 @ 700
**大振動頻率/ Hz	400		振動臺外形尺寸 L @  W @ HPmm3	1 500 @ 800@ 400
**大振動歷時/ s	3		**大振幅/ mm	10
**大振動負(fù)載/ kg	400		振動臺總質(zhì)量/ kg	< 800
振動方向	水平+ 垂直		數(shù)采通道	64

 
注: 控制精度為加速度波形失真度小于10% 、橫向加速度/ 水平加速度小于 10% 。
 
該振動臺設(shè)備基本可以滿足多數(shù)土工抗震試驗的要求, 但對于 100m 以上高壩的抗震問題, 由于模型箱體積和振動臺有效負(fù)載能力的限制, 仍需要通過模型試驗和數(shù)值仿真模擬相結(jié)合的方法進(jìn)行研究。
 
圖1 給出 LXJ_4_450 大型土工離心機(jī)振動臺系統(tǒng)初步設(shè)計布置方案( 美G ANCO 公司建議方案) 。振動臺系統(tǒng)部分主要包括臺體、電液激振系統(tǒng)、動力源( 油泵站和蓄能器) 和電控系統(tǒng)。
振動臺臺體由底座、臺面及其支承機(jī)構(gòu)等組成, 其臺面是支承負(fù)載( 模型箱) 的平臺, 它由支承機(jī)構(gòu)支承在底座上, 不僅可以在高離心加速度場中支承模型箱( 含土體) 的巨大荷載而不變形, 而且能相對于底座產(chǎn)生可以控制的水平或垂直振動, 這一結(jié)構(gòu)依靠幾組特殊設(shè)計的彈性鋼片和橡膠互層來實現(xiàn)。
 
電液激振系統(tǒng)由電液伺服閥和布置在不同方向的幾組作動器組成, 它是振動臺的核心, 作動器與振動臺是一個整體, 水平方向采用高強(qiáng)填縫材料固定。
 
離心機(jī)振動臺的動力油源系統(tǒng), 由外配油源、伺服控制系統(tǒng)和蓄能器組成。
 
振動臺的振動控制系統(tǒng), 主要由計算機(jī)、控制柜、集流環(huán)和分別安裝在作動器和振動臺上的電液伺服閥、位移傳感器和加速度傳感器等組成, 采用位移、速度和加速度三參數(shù)閉環(huán)控制方式。伺服閥根據(jù)計算機(jī)發(fā)出的振動信號和振動臺上的位移和加速度傳感器的信號反饋, 調(diào)整振動狀態(tài), 從而產(chǎn)生規(guī)則波或任意波的振動。位于主控室的數(shù)字信號控制器可以通過調(diào)頻遙感技術(shù)相互聯(lián)系。
 
蓄能器和一個小油泵放置在轉(zhuǎn)臂上, 這樣方便油泵循環(huán), 可以不用停機(jī)而連續(xù)激發(fā)地震。該方法的另一優(yōu)點是不需要液壓環(huán), 從而降低了總體造價并有利于后期維護(hù)。該振動臺布置在重新設(shè)計的配重吊蘭一邊, 不需要頻繁拆卸, 在做靜力試驗的時候, 可以采用特殊的固定塊將振動臺固定。目前該大型離心機(jī)振動臺正在籌建, 預(yù)計在2007 年初可投入使用。
 
4 動力離心模型試驗附屬設(shè)備及試驗技術(shù)
 
411 模型設(shè)計與模型箱 離心機(jī)振動臺模型試驗shou先需要根據(jù)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(jī)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(jīng)總結(jié)了理想的模型箱應(yīng)該具備的條件^{[ 22]} :
 
( 1) 振動過程中, 不影響剪切波或剪切應(yīng)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(yīng)保持不變; ( 3) 模型箱側(cè)壁應(yīng)具有足夠的剛度;
 
( 4) 盡量減少模型箱壁的質(zhì)量, 以減少邊界處側(cè)向動土壓力。
 
為了避免模型箱側(cè)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(cè)壁設(shè)計成柔性, 如Rensselear 理工學(xué)院、香港科技大學(xué)采用的層狀柔性模型箱。模型箱的內(nèi)部尺寸考慮了大部分模型試驗的需要、振動臺的負(fù)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(shè)計以外, 還包括用于模型飽和的密封設(shè)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(yīng)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(yīng)土體在振動方向的剪切變形**為重要。為了減少側(cè)壁為固定式的模型箱所引起的邊界效應(yīng), 目前用于動力模型試驗?zāi)Ｐ拖溆袀?cè)壁吸波、層狀、疊環(huán)及鉸接式四種。側(cè)壁吸波材料多采用油灰, 硅橡膠等涂于剛性模型箱的側(cè)壁, 以吸收應(yīng)力波的反射和折射。Van Laak 等人設(shè)計采用層狀的側(cè)壁結(jié)構(gòu), 每一薄層之間采用滾球或滾棒搭接^{[ 23]} 。香港科技大學(xué)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(xué)設(shè)計了一個等效剪切梁式模型箱^{[ 22]} , 為矩形框架的疊環(huán)結(jié)構(gòu), 采用橡膠和鋁板互層, 旨在使模型箱的動剛度與多數(shù)原狀土的動剛度平均值相同。美G加州大學(xué) Davis 離心機(jī)動力模型試驗?zāi)Ｐ拖?sup>[24] 設(shè)計采用了側(cè)壁鉸接式的模型箱, 每一層矩形空心鋁環(huán)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。
 
412 模型制作與觀測儀器 在動力離心模型試驗中, 根據(jù)模型律的要求, 振動時間比尺是原型的 1PN ( 離心機(jī)加速度= Ng) , 而水在土體中的滲流時間比尺為原型的 1PN ² , 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(guān)系得到滿足。由于減少顆粒粒徑容易改變土的基本性質(zhì), 尤其不適合細(xì)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(xué)性質(zhì)^{[ 25]} , 但使用硅油的**大缺點是增加的黏滯性有限, 使用后設(shè)備難以清理, 造成污染。另外有些學(xué)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^{[ 26]} , 經(jīng)過各種物理力學(xué)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(dá)到液體黏滯性要求^{[ 27]} , 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012% 的SCMC 粉末, 即可使水在常溫下的粘稠度增大約 50 倍。
 
離心機(jī)振動模型試驗采用的多為飽和模型, 由于模型的尺寸遠(yuǎn)大于常規(guī)靜動三軸試件的尺寸, 其飽和技術(shù)變得較為復(fù)雜。試驗室需配備去離子水、黏度測量設(shè)備 CO2 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^{[ 28]} , 可將壓力降**- 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(fā)展的各種光纖傳感器等。攝影攝像系統(tǒng)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(chǎn)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(shè)計, 應(yīng)慎重使用或進(jìn)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(shè)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(shè)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(cè)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(jīng)過地面上嚴(yán)格率定, 在埋入模型之后, 離心機(jī)起動之前仔細(xì)檢查各量測通道, 確保各類傳感器能夠正常工作。 413 模型試驗及數(shù)據(jù)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(wěn), 減少振動; 固定模型箱后, 連接數(shù)采系統(tǒng), 檢查數(shù)采通道; 啟動離心機(jī)及振動臺控制系統(tǒng), 同時啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng), 達(dá)到設(shè)計加速度后, 等待模型中由于離心機(jī)升速引起的超孔壓全部消散; 振動過程中數(shù)據(jù)采集頻率通常為 2 500~ 3 000Hz, 也可以根據(jù)試驗要求采用更高的數(shù)采頻率, 在調(diào)整數(shù)采頻率之后, 迅速輸入預(yù)設(shè)的地震波使模型產(chǎn)生振動。多數(shù)模型試驗, 振動在不到 1s 的時間內(nèi)完成, 因此大量的數(shù)據(jù)暫存在位于離心機(jī)轉(zhuǎn)軸附近的計算機(jī)中, 振動完成后可以通過滑環(huán)或無線傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)導(dǎo)入主控室的計算機(jī)中進(jìn)行處理分析。隨著計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展, 多數(shù)離心機(jī)振動臺開始采用以上數(shù)據(jù)傳輸方式。
 
5 結(jié)語
 
 
一些發(fā)達(dá)G家的研究經(jīng)驗表明, 土工離心機(jī)振動臺是研究土工抗震或振動問題的**先進(jìn)有效的技術(shù)手段, 因此近 20 年來在這一*域的研究十分活躍。隨著機(jī)械制造技術(shù)、量測技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)的長足發(fā)展, 動力離心模型試驗設(shè)備的性能將會更好地滿足工程和研究需求。中G水利水電科學(xué)研究院目前籌建的大型水平+ 垂直雙向振動臺, 經(jīng)大量論證, 其設(shè)計技術(shù)指標(biāo)達(dá)**水平, 而且具有特色,該離心機(jī)振動臺的建設(shè)已引起G內(nèi)外同行的關(guān)注, 并將在巖土工程動力模型試驗研究*域發(fā)揮重要作用。
 
中G地震活動頻度高、強(qiáng)度大、震源淺, 分布廣, 是一個震災(zāi)嚴(yán)重的G家。許多在建或擬建工程, 包括水電站、尾礦壩工程, 調(diào)水工程建筑物等多位于高發(fā)地震區(qū)。采用動力離心模型試驗方法, 可以節(jié)省在具體工程中埋設(shè)大量地震觀測設(shè)備的費用, 可以及時取得試驗觀測數(shù)據(jù)以改進(jìn)設(shè)計和計算方法, 可以更深刻地認(rèn)識土工結(jié)構(gòu)物振動的機(jī)理和震害造成的影響。