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| 內容簡介： |
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《土工离心模拟试验技术》主要阐述土工离心模拟试验的相关知识、方法和技术要点，并介绍土工离心模拟试验在地质灾害机理研究等方面的应用研究成果。《土工离心模拟试验技术》共9章，主要包括绪论、量纲分析与岩土模拟试验的相似关系、岩土离心模拟试验的特点与相似关系、土工离心机及相关设备、离心模型的设计、离心模型的制作与试验开展、动力离心模拟试验、离心模拟试验的数据处理及离心模拟在地质灾害机理研究中的应用。
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| 目錄：
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目录第1章 绪论 11.1 模拟试验是探索自然规律的重要手段 11.1.1 普通岩土模拟试验的局限 21.1.2 影响岩土模型变形破坏规律的主要因素 41.2 土工离心模拟试验及其特点 71.3 土工离心模拟试验的主要步骤 71.4 土工离心模拟试验的应用 8第2章 量纲分析与岩土模拟试验的相似关系 102.1 量纲与量纲齐次性 102.1.1 物理量的类别和量纲 102.1.2 量纲齐次性原理 122.2 量纲分析与π定理 142.2.1 π定理 142.2.2 量纲分析的一般步骤和 项的形成 142.3 量纲分析在岩土工程中的应用 162.3.1 黏性土坡的稳定系数分析 162.3.2 土体固结的量纲分析 182.3.3 流体阻力的量纲分析 192.3.4 量纲分析在基础沉降变形模拟中的应用 212.3.5 量纲分析在基础承载力研究中的应用 242.3.6 考虑土体非线性性质时的量纲分析 252.3.7 滑块在斜坡上的滑动分析 262.4 模拟试验与相似定理 272.5 岩土模型的缩尺因子 292.5.1 长度 302.5.2 密度 312.5.3 加速度 312.5.4 刚度 322.5.5 应变 332.5.6 位移 332.5.7 渗透系数 342.5.8 水力梯度 352.5.9 时间尺度 362.5.10 剪切波速 382.6 岩土工程模拟中常见的结构缩尺关系 392.6.1 基础 392.6.2 承受水平荷载的桩 402.6.3 柔性挡土墙 422.6.4 埋地柔性涵洞 442.6.5 承受轴向荷载的桩 452.6.6 动力条件下土体-结构的相互作用 462.7 小结 47第3章 土工离心模拟试验的特点与相似关系 483.1 土工离心模拟试验的受力状态和应力场特性 483.1.1 土工离心模拟试验受力状态 483.1.2 离心应力场的特性 493.1.3 离心模型的有效离心半径 563.2 土工离心模拟试验中常用的相似关系 573.2.1 土工离心模拟试验的基本缩尺因子 573.2.2 土工离心模拟试验的相似判据 603.2.3 土工离心模拟试验中的固结和渗流问题 613.2.4 考虑非饱和土的模型缩尺问题 633.2.5 粒径效应与几何尺寸控制问题 643.2.6 离心模拟试验中的降雨模拟问题 663.2.7 土工离心模拟试验中的动力问题 693.3 土工离心模拟试验中常用的缩尺因子和相似问题索引 703.4 小结 78第4章 土工离心机及相关设备 794.1 土工离心机概述 794.2 土工离心机机械系统 834.2.1 传动系统 844.2.2 传动支撑 844.2.3 转动系统 854.3 土工离心机电气系统 874.3.1 拖动控制系统 874.3.2 视频监控系统 904.4 离心模拟试验测试系统 914.4.1 数据采集系统 914.4.2 图像采集系统 934.4.3 测量传感器 944.5 离心机机械手系统 994.5.1 多轴离心机械手装置 1014.5.2 锚固机械手装置 1024.5.3 隧洞开挖机械手装置 1024.6 离心机振动台系统 1034.7 离心试验模型箱 1054.8 离心模型检测装置 1064.9 碎屑流模拟滑槽装置 1084.10 离心机其他试验设备 1094.11 小结 111第5章 离心模型的设计 1125.1 开展岩土物理模拟的基本步骤 1125.2 明确离心模拟试验的目的 1135.3 确定模型率和模型范围 1145.3.1 确定模型率 1145.3.2 确定模型范围 1155.3.3 模型的模拟 1205.4 模型土和岩体材料的设计 1215.4.1 土料的模拟 1215.4.2 岩体和结构的模拟 1255.4.3 使用透明土开展离心模拟试验 1375.5 常用模型结构的模拟 1405.5.1 抗滑桩的模拟 1405.5.2 薄板状结构的模拟 1435.5.3 土钉与抗滑锚杆的模拟 1445.5.4 重力式挡土墙的模拟 1485.5.5 隧道开挖的模拟 1515.5.6 层状复合岩体力学的相似模拟 1565.6 模型测量 1595.6.1 模型观测断面的选择 1595.6.2 模型表面位移监测 1605.6.3 模型内部物理量监测 1615.6.4 应变测量 1625.7 绘制模型制作图 1635.8 斜坡填筑过程变形的模拟 1645.9 小结 168第6章 离心模型的制作与试验开展 1696.1 模型材料制备 1696.1.1 模型土料制备 1696.1.2 混凝土材料配制 1716.1.3 模型构件制备 1716.2 制模操作 1736.2.1 模型地基制备 1746.2.2 土体模型的制作 1746.2.3 岩体模型的制作 1806.2.4 模型细部构件的装配 1836.3 降低边界效应与侧壁摩擦 1846.4 斜坡水位变化的模拟 1866.5 开挖和加载模拟 1876.6 观测仪器的安装与埋设 1896.6.1 表面位移观测仪器的安装 1896.6.2 内部物理量监测仪器的埋设 1906.6.3 电阻应变片的粘贴 1916.7 模型试验的实施 1936.7.1 模型吊装与配重 1936.7.2 离心机启动与运行 1996.7.3 试验结束判定 2026.7.4 模型拆除 2036.7.5 离心机设备的安全检查与防护 2036.8 土工离心模拟试验的虚拟仿真 2056.8.1 土工离心模拟试验虚拟仿真系统概况 2056.8.2 土工离心模拟仿真试验过程 2056.9 小结 213第7章 动力离心模拟试验 2157.1 动力事件模拟概述 2157.2 动力缩尺关系 2167.2.1 频率比尺关系 2177.2.2 速度缩尺关系 2177.2.3 时间缩尺关系 2177.3 普通时间缩尺关系与动力时间缩尺关系的差异 2187.3.1 使用黏性孔隙流体 2187.3.2 改变土体渗透性 2207.4 离心机地震模拟 2217.4.1 常见的离心机地震模拟器 2217.4.2 TLJ-500-ZDXT伺服液压振动台系统 2247.4.3 离心机振动台系统的发展趋势 2277.4.4 振动试验模型箱 2277.5 离心模型的饱和 2297.6 动力条件下土体-结构相互作用问题的离心模拟 2317.6.1 塔架-土体相互作用 2327.6.2 隧道-土体相互作用 2327.6.3 浅基础的摇摆振动 2357.7 液化问题的离心模拟 2367.7.1 可液化土与桩基础的相互作用 2367.7.2 场地地震液化灾变评价 2387.7.3 饱和砂土地基边坡地震响应研究 2397.8 斜坡动力响应规律的离心模拟 2417.8.1 隧道洞口段边坡动力响应及破坏规律研究 2417.8.2 岩质斜坡动力响应及失稳机理研究 2457.9 小结 247第8章 离心模拟试验的数据处理 2498.1 离心模拟试验数据的整理 2498.2 离心模拟试验过程中的误差 2528.3 测量误差及分类 2548.3.1 真值与误差 2548.3.2 误差的分类 2558.3.3 随机误差 2558.3.4 系统误差 2588.3.5 粗大误差及其判别和剔除 2608.4 测量结果的处理方法 2618.5 测量结果的表示方法 2648.5.1 列表法 2648.5.2 作图法 2658.5.3 逐差法 2668.5.4 函数法 2668.6 动态测试数据的处理 2688.6.1 动态测试数据的特点 2688.6.2 随机数据处理的步骤 2688.7 试验结果的总体可靠性和数据资料整编分析质量控制 2718.7.1 离心模拟试验结果总体可靠性的控制 2718.7.2 试验资料整编分析质量控制 2728.8 小结 272第9章 离心模拟在地质灾害机理研究中的应用 2739.1 奉节三马山滑坡形成机理的离心模拟试验 2739.1.1 原型概况及试验目的 2739.1.2 模型规划设计、制作与试验方法 2749.1.3 试验成果及其分析 2769.2 复杂层状软岩楔形体滑坡变形演化的离心模拟试验 2789.2.1 原型概况及试验目的 2789.2.2 模型规划设计、制作与试验方法 2799.2.3 试验成果及其分析 2809.3 反倾层状岩质斜坡倾倒变形的离心模拟试验 2849.3.1 原型概况及试验目的 2849.3.2 模型规划设计、制作与试验方法 2859.3.3 试验结果及分析 2869.4 吹填土地基沉降规律的离心模拟试验 2939.4.1 原型概况及试验目的 2939.4.2 模型规划设计、制作与试验方法 2949.4.3 试验成果及其分析 2969.5 碎屑流运动距离与重力加速度关系的离心模拟试验 3009.5.1 原型概况及试验目的 3009.5.2 模型规划设计、制作与试验方法 3009.5.3 试验成果及其分析 3029.6 小结 308参考文献 309附录 320附录1 分层夯实法制备模型 320附录2 离心模拟试验信息备案表 323附录3 离心模拟试验设备检查备案表 324附录4 离心模拟试验过程记录表 325附录5 离心模拟试验传感器数据记录表 326附录6 离心模拟试验仪器使用情况记录表 327
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第1章 绪论 1.1 模拟试验是探索自然规律的重要手段 为了探索自然现象的规律性，人们通过长期实践总结，将所研究对象(原型)依据某种关系或条件制成模型系统，就可以对研究对象(原型)复杂的、尚未或难以建立准确数学模型的现象或行为进行研究，再将研究结果用于指导对原型的探索，这就是模拟试验方法。研究对象(原型)和模型系统之间的特定关系或条件被称为两个系统间的相似关系或相似准则。 开展模拟试验，*先应该明确所研究的原型问题，常见的岩土工程原型问题有岩土体变形过程规律和发展趋势预测研究、影响因素(参数)研究、数学模型验证及工程结构与岩土体的相互作用关系等。确定原型问题后，将所有物理变量形成变量集合，列出与原型问题有关的物理量之间的数学关系式，如。结合试验约束条件(如试验场地大小、加载装置所能提供的最大荷载量等)和体系的基本物理力学机理确定模型范围和几何缩尺比，推导模型相关物理量的缩尺因子。然后，选择材料制作试验模型，根据原型问题设计模拟试验环境和约束条件，开展模拟试验，探索各物理量的相关关系。*后，根据模型与原型之间的缩尺因子，将模拟试验规律映射到原型中，以分析研究原型问题，建立原型系统中该物理规律的关系(图1.1.1)。 图1.1.1 模拟试验的一般过程 模拟试验的优点如下。 (1)便于控制主要参数。模拟试验作为一种研究手段，可以严格控制试验对象的主要参数而不受外界条件的限制，做到结果准确。 (2)利于突出主要矛盾。模拟试验有利于在复杂的原型问题演化过程中突出主要矛盾，略去次要因素，便于把握、发现特定现象的内在关联，并且可用来校验原型研究所得的结论。 (3)可用来预测结果。利用岩土体变形全过程模拟对未尽了解的现象、材料或特定参数的极限状态进行探索，模拟试验能预测尚未建造出来的对象或现实难以直接研究的对象的性能。 (4)节约成本。模型与原型相比，多是按比例缩小的。模型的制造加工更加方便，较之原型研究，能极大地节省资金、人力和时间。 (5)其他优点。当采用其他各种分析方法都不能获得满意的结果时，通过相似关系建立起模拟试验系统进行多场耦合研究，再与其他手段所得结果相互验证，以获得更接近本质的一般规律。 模拟试验方法已被广泛应用于岩土工程、地质工程、结构工程、流体力学、热力学、气象、航天等各个领域，应用前景广阔。 1.1.1 普通岩土模拟试验的局限 岩土模拟试验的主要研究对象是自然界中的岩土体。因此，岩土模拟试验的主要任务是分析岩土体在不同环境及条件下的变形特征，研究其规律，揭示其失稳机理，以及验证新的岩土力学理论，或结合已有岩土力学理论来解决工程实际问题(如与工程结构的相互作用)等。 岩土体是不同地质作用的产物，它们经历过漫长地质历史时期的沉积、变质、构造、风化及搬运等过程，形成了*特的性质，如不均匀性、各向异性和特定的结构等。此外，岩土体中还存在较大的地应力，这是岩土体在长期地质历史中遭受重力和地质构造作用的结果。岩土体中的各种组分、各种结构面的展布及其组合特征，以及原始应力状态决定了岩土体的工程地质性质和力学性状。 岩土体自身的复杂性使常规小比例尺模型(应力环境和规模都较原型发生改变)难以真实再现原型的受力变形特征。具体原因有以下几个方面。 (1)缩尺模型中岩土体所承受的应力水平减小。对于主要受重力作用的岩土体(如地基土、滑坡体、土石坝等)，其竖向自重应力为 (1.1.1) 式中，?为土的重度；h为所求自重应力点距离地表的距离。 设岩土原型的尺寸与模型的比值为N(N为模型率)，采用原型岩土材料制作模型，对应深度处的竖向自重应力为 (1.1.2) 式中，为模型中所求自重应力点距离模型表面的距离。 对应点的自重应力是原型的1/N，即模型中的应力水平极大地减小了。根据材料力学知识，当应力水平达到材料特定的强度指标时，材料才会发生塑性变形、屈服甚至破坏。当原型应力达到材料压缩*线的塑性阶段，甚至达到峰值时，由于模型缩尺，岩土模型中的应力水平可能仅处于该*线的弹性阶段，因此模型应变也达不到原型的水平，岩土模型不能反映原型的变形破坏特征。 (2)普通模型中应力水平降低会使岩土材料的力学性质发生改变。土体所受的围压应力环境是影响岩土材料力学性质指标的重要因素。由于土骨架由碎散的固体颗粒组成，土的宏观变形主要是颗粒间位置的变化造成的。这样在不同应力水平下由相同应力增量引起的应变增量就不会相同，即表现出非线性。以图1.1.2为例，A、B两土样密度相同(孔隙比e相同)。*初位于临界状态线(criticalstateline，CSL)下方的土样A，在相对较低的围压(如在1g下的小模型试验中，g?9.8m/s2)下被剪切时，会朝向临界状态线(CSL)发生剪胀。而对于样本B，在较高的平均有效应力p作用下受剪时会发生剪缩(Ng，2014)。 图1.1.2 密度相同的两个土样在不同围压下受剪时的不同表现 对于岩体来说，它是岩石和结构面的复合体，在低应力条件下，具有明显的不连续性，而在高应力条件下可转化为连续介质体。不规则的凹凸不平的结构面也会在不同应力环境下表现出不同的特性：正应力较低时，岩体在剪切过程中出现剪胀现象；正应力较高时，结构面凸起的锯齿被剪断，不再发生剪胀。 岩土体的性质与应力水平密切相关。无论开展何种模拟试验，正确模拟岩土体的应力水平至关重要。 (3)常规重力条件下，岩土模型中的渗流场不能真实反映原型的渗流过程。在岩土模型中，虽然水力坡降i可以与原型保持一致，但是岩土体中任意两点间的水头差被缩小至1/N，地下水的势能大幅缩小，使渗透力大幅降低，严重影响地下水的渗流梯度场。此外，由于模型缩尺后粒径等均被缩小，岩土颗粒间的孔隙也变小，在原型中以重力水形态赋存的地下水，在模型中可能仅以毛细水形态赋存。为了解决这一问题，有些研究人员会通过增大模型中含水率的方式来改变渗流形态。这些都导致模型中的渗流场不能真实反映原型的渗流场。 (4)从几何比例尺角度分析，岩土模型中的毛细水位高于原型，且难以按照比例尺缩小。毛细水对模型的影响不可忽视。设岩土原型是由直径约为20mm的块石组成的碎石土，若按1/100缩小到模型中，其粒径变为0.2mm，碎石土变成了砂土。砂土的孔隙尺寸远小于碎石土，所形成的毛细管作用使得毛细水沿孔隙上升到一定高度： (1.1.3) 式中，T为水气间的表面张力；?为液-气界面的接触角；d为毛细管的管径；为水的重度。 由式(1.1.3)可知，毛细水沿孔隙上升的高度与毛细管管径成反比。缩尺模型中土骨架间的孔隙尺寸被缩小，造成模型毛细水位高度通过模型率还原后高于原型毛细水位高度，模型土中的吸力大于原型，使模型的整体性能优于原型。 综上所述，普通岩土模拟试验存在一定的局限性。 1.1.2 影响岩土模型变形破坏规律的主要因素 研究人员普遍认为，模型的材料特性、所处的应力环境(围压)、岩土体结构和几何形态等是影响岩土模型变形破坏规律的主要因素。为了克服岩土模拟试验的局限，使模型能够反映原型的真实性状，研究人员一般认为制作岩土模型应满足材料特性(本构关系)一致、应力环境(围压)一致，以及岩土体结构和几何形态一致等条件。 1.材料特性(本构关系)一致 在内外动力地质作用及各种人为营力的影响下，岩土体的成分、结构特征和应力史等各有差异，岩土材料呈现出明显的不连续性、不均质性和各向异性等复杂非线性特性。岩土体的本构关系十分复杂，其主要应力-应变特性有非线性、弹塑性和剪胀(缩)性等(图1.1.3)。岩土体强度也受到各种因素的影响。例如，环境围压对土体强度的影响；土颗粒间的相互作用对土体强度的控制作用；土体中不仅有孔隙水压力的作用，吸应力对土体强度的作用同样很大；岩土结构的多变性、结构性和各向异性等。这样，不同岩土体材料的物理特性不同，应力史不同，变形累积直到破坏的发展历程也不同。 图1.1.3 不同本构模型的应力-应变关系*线 严格地说，当原型材料和模型材料具有相同的物理特征(如含水率、级配、内部结构、重度、孔隙比等)时，在任意加载和卸载方式和途径下，作为本构关系的无量纲化后的应力-应变关系都相同，才能说原型材料和模型材料是能够相互模拟的。因此，开展岩土力学模拟试验，需要模型与原型采用相同材料，才能保证二者的变形破坏规律相似。 2.应力环境(围压)一致 从不同围压条件下土的三轴试验*线(图1.1.4)可以看出，在高围压条件下，土的应力随应变增大而增大，但增大速率越来越慢，*后趋于稳定，表现出应变硬化特性；而在低围压条件下，应力一般是开始时随应变增大而增大，达到峰值之后，应力随应变增大而减小，表现出应变软化特性。应变软化过程常伴随着应变的局部化—剪切带的出现，并呈现出强烈的剪胀，尤以粗粒土为甚。此外，在低围压下土的强度指标(如内摩擦角φ)有明显的增大。 图1.1.4 不同围压条件下土的三轴试验*线 因此，岩土模型还需保证模型与原型所受的应力水平一致，才能使模型材料的应力状态与原型相同；模型材料的变形与屈服过程相似，才能使模型材料变形累积直到破坏的发展历程与原型是相同的。 对斜坡体而言，原型斜坡后部坡脚水平线上圆点处的自重应力为[图1.1.5(a)，忽略斜坡临空面对坡体内部应力的影响]；将模型缩小到原型的1/N[图1.1.5(b)]，模型中与原型对应点处的应力为?h/N，即模型中应力仅为原型应力的1/N。普通模型与原型对应部位的应力水平不一致(远小于原型应力水平)，模型不能模拟原型的应力状态(例如，当原型的应力状态达到临界峰值强度时，模型的应力可能只位于应力-应变*线的弹性或塑性阶段)，即模型的变形累积直到破坏的发展历程与原型是有差异的。 图1.1.5 斜坡模型缩尺示意图 这样，当模型的应力状态远小于原型时，模型的变形破坏规律必然会与原型存在较大差异。因此，需要模型与原型的应力状态一致。 3.岩土体结构和几何形态一致 土体结构由单个颗粒的性质、空间排列情况和颗粒间的相互关系构成；岩体结构由岩体内部结构面和结构体的性质、形状、规模及其组合关系构成。它们的结构特征在很大程度上决定了岩土体在荷载作用下的变形机制和破坏方式，以及岩土体的宏观力学性质。因此，应充分认识内部结构对岩土体力学性质和变形机制的影响，确保模型材料与原型材料在几何对应点上的结构类型和材料特性相同。 此外，还应确保原型与模型间的几何形态相似：①外形相似，各对应几何量的比例都应是N，对应几何面的面积之比都应是N2；②选定坐标系原点后，原型中不同性质的岩土体、结构面、软弱带或构筑物的空间坐标与模型中的空间坐标之比也都应为N。 以均质土坡为例，由于不同几何位置上土体单元的受力状态不同，使坡体展现出不同的变形破坏特征。坡脚处的土体单元受剪应力最大，*先进入剪切破坏阶段。图1.1.6中，在坡体自重应力的作用下，第1时刻，a的剪应力达到峰值状态，而b和c处于弹塑性阶段，剪切面在a处形成；第2时刻，在重力作用下土体剪切变形持续增大，a进入残余变形阶段，b所受的剪应力达到峰值，c仍处于弹塑性阶段，塑性破坏区由a处扩展至b处；第3时刻，a已被剪坏，且残余强度保持在一个较小的数值，b进入残余变形阶段，c所承受的剪应力达到峰值，塑性破坏区扩展至c处，滑动面基本贯通，斜坡开始失稳。 图1.1.6 不同时刻坡体上土体的剪切应力状态示意图 注：a、b、c分别为圆弧形滑动面上的三个受剪土体单元编号；1、2、3分别为滑动面由底部向上扩展的三个时间点编号。 在斜坡岩土体中，不同位置的受力状态不一致，导致各点的变形破坏特征
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