試析氣動潛孔錘使用情況

1、試析氣動潛孔錘使用情況論文摘要隨著我國巖土工程問題研究的不斷拓展， 新情況和新問題不斷出現(xiàn)，使得采用室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值分析方 法已不足以解決所有問題，這就使離心模型試驗(yàn)成為巖土工 程試驗(yàn)領(lǐng)域的一種重要方法。本文介紹了土工離心模型試驗(yàn) 的原理、方法，詳細(xì)闡述了該技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用，最1.在巖土工程中，土的自重引起的應(yīng)力通常占支配地位, 土的力學(xué)特性隨應(yīng)力水平而變化，常規(guī)小比例尺模型由于其 自重產(chǎn)生的應(yīng)力遠(yuǎn)低于原型，因此不能再現(xiàn)原型的特性，解 決這一問題的唯一途徑就是提高模型的自重，使之與原型等效，基于這種思想，1869年法國人EPhilips首次提出了離心 機(jī)做模型試驗(yàn)的設(shè)想。他根據(jù)彈性體平衡微

2、分方程，推導(dǎo)出 滿足原型與模型之間具有相同性狀的相似關(guān)系，在這些平衡 中，當(dāng)重力為主要因素時，他建議用離心機(jī)來增加模型的重土工離心模型試驗(yàn)是將土工模型谿于高速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī) 中，讓模型承受大于重力加速度的離心加速度的作用，補(bǔ)償 因模型縮尺帶來的土工構(gòu)筑物自重的損失。它比通常在靜力 （重力加速度）土是一種非線性變形材料， 它的性狀受應(yīng)力水平的影響。當(dāng)對土工構(gòu)筑物進(jìn)行物理模擬時，首要條件是保證模型的應(yīng) 力水平與原型相同。利用高速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)，在模型上施加超過重力n倍的離心慣性力，補(bǔ)償模型因縮尺n倍所造成的自重應(yīng)力的損失，達(dá)到與原型相同的應(yīng)力水平，這樣就可以 在模型中再現(xiàn)原狀土工構(gòu)筑物的性狀。根據(jù)近代

3、相對論的原理，重力與慣性力是等效的，而土的性質(zhì)乂不因加速度的變 化而改變，因此，離心模擬技術(shù)對于以重力為主要荷載的土2.為了滿足模型同原型的嚴(yán)格相似，模型試驗(yàn)必須在相似第一定理（正定理）：對于相似的現(xiàn)象，其相似指標(biāo)為1,第二定理（n定理）：設(shè)一物理系統(tǒng)有n個物理雖，其中有 k個物理雖的雖綱是獨(dú)立的，則它可表達(dá)為n-k個相似準(zhǔn)則的第三定理（逆定理）:對于同一類現(xiàn)象，如單值H相似,1.在濱海地區(qū)的軟土上建造建筑物時，由于其強(qiáng)度低、壓 縮性高，通常需要進(jìn)行改良加固處理，因此加固方法的效果 和機(jī)理也就成為巖土工作者最關(guān)注的課題之一。離心模型試 驗(yàn)是研究軟土地基改良加固后，在上部荷載作用下的穩(wěn)定和 變形

4、性狀。當(dāng)小比例尺模型放入離心機(jī)，讓其承受n倍重力加速度的離心加速度慣性力場作用時，模型與原型在對應(yīng)點(diǎn) 的應(yīng)力相同，與應(yīng)力水平密切相關(guān)的土的特性得到反映，原 型的性狀能在ng模型中再現(xiàn)，從而可以利用它模擬各種條件 或原型真實(shí)條件開展各種研究和預(yù)測。更具現(xiàn)實(shí)意義的是根 據(jù)固結(jié)理論，達(dá)到某一固結(jié)度，超靜孔隙水壓力消散所需的 時間與排水距離的平方成正比，所以模型所需的消散時間縮 短為原型的1/n。對一般軟土來說，其透水性很小，土層中超 靜孔壓產(chǎn)生后，往往需幾年或幾十年才能完全消散。如果用 離心模型試驗(yàn)研究固結(jié)現(xiàn)象，這一過程往往在幾十個小時甚 至更短的時間就能完成，所以離心模型試驗(yàn)技術(shù)可以很方便2.很多

5、研究人員成功地利用離心模型來研究土和擋土結(jié)構(gòu)的相互作用，對其性狀有了新的理解。例如， Bolton認(rèn)為加筋土擋土墻的狀態(tài)不符合通常大家接受的概念，應(yīng)按照拉錨 鋼板樁分析；Lyndon和Pearson對于砂基土的懸臂擋土墻試 驗(yàn)的結(jié)果表明主動土壓力相當(dāng)于Rankine的土壓力分布，而被動土壓力則與Rowe的拉錨板樁墻的觀察結(jié)果相似。這些試 驗(yàn)研究成果，對人們認(rèn)識擋土結(jié)構(gòu)的變形和破壞機(jī)理提供了3.利用離心模擬技術(shù)研究動力對工程的作用和影響已日益 受到人們的重視。例如縮小n倍的爆破模型在ng運(yùn)轉(zhuǎn)下爆破， 其質(zhì)雖和能雖將擴(kuò)大 n 3倍。這樣就可以在實(shí)驗(yàn)室模擬原 子彈爆破對土體的力學(xué)效應(yīng)；利用帶有振動模

6、擬設(shè)備和測試 的離心機(jī)，可以對地震等地面運(yùn)動進(jìn)行模型試驗(yàn)研究，這也 是目前土工離心模型試驗(yàn)研究的一個熱點(diǎn)。4.我國雖然開展離心試驗(yàn)工作稍晚，但在壩工方面也取得 了良好的成果，特別是對高土石壩的試驗(yàn)研究，像90m高的西北口混凝土面板堆石壩，151m高的小浪底斜墻堆石壩和186m高的瀑布溝心墻堆石壩，都通過模型試驗(yàn)了解了在施工 期、運(yùn)行期和水位驟降的情況下的性狀。其中小浪底和瀑布 溝這兩座高壩均處于 70m厚的覆蓋層上地質(zhì)條件極為復(fù)雜。在三峽工程中，利用模型試驗(yàn)技術(shù)對高 90m（其中水下60m）的 三峽圍堰工程堰體位移和防滲墻的工作特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，同時還進(jìn)行了 60m深水拋填花崗巖風(fēng)化砂料的密

7、度和坡 角試驗(yàn)，為工程設(shè)計提供了有益的參考數(shù)據(jù)。上述的試驗(yàn)工5.其他方面除了上述幾個方面的試驗(yàn)研究外，離心模型試驗(yàn)技術(shù)在 巖土的其他領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。如對有機(jī)污染物在包氣帶 的入滲和遷移的研究；土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的性狀研究；海上采 油平臺的工作性狀研究及大地構(gòu)造運(yùn)動研究等。三、土工離 心模型試驗(yàn)的若干問題1. 離心機(jī)啟動和制動誤差離心機(jī)啟動與制動時的加速和減速會引起切向加速度的 變化，對試驗(yàn)結(jié)果會有一定的影響。若模型加荷過快，地基抵抗變形的能力來不及充分發(fā)揮，則會產(chǎn)生過大的剪切變形；反之，快速減荷時，離心機(jī)受到慣性力的作用，對邊坡模型 的穩(wěn)定會產(chǎn)生不利影響。然而，若啟動或制動時間過長，則 會導(dǎo)致

8、模型受力狀態(tài)和原型受力狀態(tài)之間較大的差異，同樣 會引起試驗(yàn)結(jié)果的誤差。所以，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)研究的不同目的 選擇合適的啟動和制動速度。2. 邊界效應(yīng)問題離心模型試驗(yàn)中，由于模型箱側(cè)壁摩阻約束的影響，必 然會引起邊界受力條件或變形條件的改變。如對于地基承載 力試驗(yàn)的基礎(chǔ)底板，一般要求其寬度不超過模型箱最小邊長 的 1/5。3. 粒徑效應(yīng)問題Fuglsang和Ovesen的研究表明，對于直徑為1m的基礎(chǔ)底板，當(dāng)土料平均粒徑小于28mm即底板尺寸與材料平均粒徑的比值大于35時，尺寸效應(yīng)可以忽略， 但當(dāng)該比值小于15 時，則有明顯的尺寸效應(yīng)。對于條形及矩形基礎(chǔ)，這一界限 值分別在2575及2550之間。Cr

9、aig也認(rèn)為為了消除尺寸 效應(yīng)，對于淺基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)模型試驗(yàn)中的基礎(chǔ)尺寸與最大粒 徑之比應(yīng)大于40o其他一些研究者也給出了相近的界限范圍。白冰等人認(rèn)為這一要求對于一般的模型試驗(yàn)可以滿足，即可 用原型土樣制備模型。然而對于壩殼堆石材料等粗粒料的模 擬則必須按照幾何尺寸相似的準(zhǔn)則進(jìn)行縮尺制備。然而縮尺 制備必然會帶來模型土料與原型土料在物理力學(xué)性質(zhì)上的明 顯差異并導(dǎo)致模型與原型在力學(xué)機(jī)理上的差異。所以，既保 證兩者在性質(zhì)上不會有明顯的差異，乂能避免粒徑效應(yīng)是模 型制備時值得重視的研究課題。4. 時間的縮放比例問題同一試驗(yàn)中，對不同研究對象，一些物理雖的比尺因素不同，尤其是時間，在慣性力情況下比尺因素為1/n，對于滲流固結(jié)等因素為1/n2,對于蠕變則為1,如果這些問題同時發(fā)生，則很難正確模擬。參考文獻(xiàn):1:CraigWHEdouardPhillipsandtheideaofcentrifugemo