土工离心模型的试验原理
土工离心模型试验技术
土工离心模型试验技术
土工离心模型试验技术是一种新型的建筑技术，它能够帮助我们更好地研究地基的变形特性和抗滑性能，提高建筑工程的安全性和可靠性。
土工离心模型试验技术是指在高速旋转的平台上，通过离心力产生的模拟载荷，测试土体和岩体的抗滑性能和变形特性。
这种技术在建筑安全性方面的应用非常重要。
因为它能够有效地模拟地面的抗滑性能，可以帮助建筑工程师更好地设计地基结构，确保建筑物的安全性。
此外，这种技术可以更好地模拟地基沉降，从而更好地检测和预测地基的变形特性，以及地基和建筑物之间的相互作用，也可以为建筑提供安全性和可靠性。
土工离心模型试验技术可以将实验装置设置在模型场地上，并且可以在有限的时间和费用内完成复杂的试验，并且可以更好地实现实际场地试验的仿真。
当然，土工离心模型试验技术还可以有效地提高实验数据的准确性，从而更好地解决建筑工程的抗滑性能和变形特性的问题。
总之，土工离心模型试验技术是一种重要的建筑技术，可以有效地模拟地基抗滑性能和变形特性，从而提高建筑物的安全性和可靠性，也可以节省经济成本，提高实验数据的准确性，从而为建筑工程提供有效的保障。
离心模型试验报告
土工格室加筋边坡离心模型试验研究报告1、引言土工结构物中，土的自重产生的自重荷载对结构的性态的影响十分突出。
一般的模型试验的自重应力水平很低，毛细现象的影响突出，因此，模型试验结果不能逼真地重现原型的特性，难怪过去很多土力学家建议使用现场细致的观测和调查来解决土力学和岩土工程问题。
随着电子技术的发展，土工测试技术和测试手段的不断完善，有的学者提出，单纯地依靠有限的野外观测资料是不够的，只有通过充分数量室内试验才能对土的复杂的特性进行研究。
上述两个方面的矛盾现在可以依靠离心模型试验技术得到满意的解决。
所谓的离心模型试验即是采用较小比例的模型，通过离心机产生的离心力来模拟土结构物所受到的自重应力，使模型中的应力水平与原型相同，从而达到分析原型结构物的特性的目的。
最早提出离心模型试验思想的是法国工程师Phillip，他从弹性体系的平衡微分方程的角度推导了一些必要的相似比例关系，并提出了一系列的离心机设计原则。
1931年美国哥伦比亚大学的Bucki首先应用于矿山硐室的研究，开创了土工离心模型研究的新时代。
从此，世界各国充分认识到土工离心模拟技术的重要性，大力发展离心机，进行了各个方面的研究，如堤坝边坡的稳定性、地基基础与地下硐室、振动与冲击效应，并取得了相当大的研究成就。
二十世纪八十年代，我国开始开展了土工离心模拟技术的研究工作，并相继在南京水利科学研究院、长江水利水电科学研究院、北京水利水电科学研究院、上海铁道大学(现同济大学)和四川大学(原成都科技大学)等建设了专用的土工离心机，并进行了大量的试验研究。
本报告在综述离心模拟技术在土工合成材料加筋结构研究方面的应用基础，重点介绍利用西南交通大学的离心机所进行的土工格室加筋边坡的离心模型试验。
2、土工合成加筋边坡的离心模型试验研究回顾采用离心模型试验技术研究加筋结构由来已久，可以追溯至20世纪80年代。
至今已有许多学者在这方面进行了多项的研究工作。
表2-1给出了主要的多位学者的工作。
离心模型试验在土木工程中的应用
离心模型试验在土木工程中的应用离心模型试验是土木工程中常见的一种实验手段，它通过将真实尺寸的结构模型缩小并以高速旋转的方式进行试验，来模拟真实环境下的工程行为。
离心模型试验在土木工程中广泛应用，可以用于研究建筑物、桥梁、隧道等结构在地震、风载、水工等各种外力作用下的力学行为，为工程设计提供科学依据。
一、地震工程中的应用地震是土木工程中重要的考虑因素之一，离心模型试验可以模拟真实地震波谱，通过观察结构的动力响应情况，可以评估抗震性能。
离心模型试验可以研究建筑物、桥梁等结构在不同地震荷载下的受力情况，优化结构的设计，提高其抗震能力。
二、风工程中的应用风是影响建筑物稳定性的重要因素之一，离心模型试验可以模拟不同风速下的风载作用，研究建筑物的风振问题。
通过离心模型试验，可以观察结构的位移、变形情况，了解结构在风作用下的响应规律，进而优化设计，提高结构的安全性。
三、水工程中的应用水文条件对水工结构的稳定性和安全性有着重要影响，离心模型试验可以模拟水流的作用，研究各类水工结构在流速、水位变化等情况下的受力性能。
通过离心模型试验，可以观察结构在水流冲击下的反应，并针对水工结构的设计做出相应的优化和改进。
四、桥梁工程中的应用桥梁是土木工程中重要的建筑物类型，离心模型试验在桥梁工程中也有广泛应用。
通过离心模型试验，可以研究桥梁结构在不同荷载下的受力性能，包括自重、交通荷载、地震荷载等。
通过模拟实际情况，并观察结构的变形和破坏情况，可以对桥梁的结构设计进行改进和调整，提高桥梁的承载能力和安全性。
总的来说，离心模型试验是土木工程中的重要实验手段之一，可以模拟真实环境下的力学行为。
通过离心模型试验，我们可以更好地了解土木工程结构在不同力学作用下的行为规律，为工程设计提供科学依据。
离心模型试验的应用范围广泛，可以用于地震工程、风工程、水工程、桥梁工程等多个领域，对于提高结构的安全性和可靠性具有重要意义。
在未来的土木工程发展中，离心模型试验将继续扮演重要角色，为工程设计和建设提供更加准确可靠的依据。
土工离心模型试验原理与若干问题分析
建筑物尺寸 B 相对土粒直径 D 很大 , 一般不考虑 土 粒直径的作用和影响 。但模型试验 , 一般直接用原型 土料并保持与原型土相同的状态 。这样在模型试验中 由于结构物按模型比缩小而使得与土体颗粒接触的结 构物模型尺寸减小 , 土体的不均匀和随机性可能会明 显地显露出来 , 模型试验结果可能受粒径效应的影 响 。Fuglsang 和 Ovesen[1] 的研究表明 , 对于直径为 1 m 的基础底板 , 当填料平均粒径 < 28 mm 时 , 即底板 尺寸与土粒平均粒径比值 > 35 时 , 颗粒大小的粒径 尺寸效应可以忽略 , 但当该比值 < 15 时 , 则有明显 的尺寸效应 。对于条形基础及矩形基础 , 这一界限值 分别在 25～75 及 25～50 之间 。Craig[2] 也认为 , 为了 消除尺寸效应 , 对于浅基础和桩基础模型试验中的基 础尺寸与最大粒径之比应 > 40 。 31 3 边界效应问题
·8 ·
全国中文核心期刊 路基工程 2007 年第 3 期 (总第 132 期)
地形对路堤沉降影响的有限元分析
杨旭毅 支喜兰
(长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室 陕西西安 710064)
摘 要 利用 Ansys 有限元程序建立路堤及地基模型 , 在填土高度 、地基土质和填土容重等参数 相同的前提下 , 分别计算出路堤处于三种不同地形时的地表沉降值 。计算结果及分析表明 : 对于路 堤 , 尤其是高路堤 , 地形因素对沉降量的影响不容忽视 。
另外 , 在离心模型试验中可采取合适的技术措 施 , 最大可能地降低模型箱边界效应的影响 。如在模 型箱内壁涂以硅胶并贴一层塑料膜的方法可一定程度 减小侧壁摩阻力的影响 。 31 4 工况模拟和动力模拟问题
岩土离心模拟技术的原理和工程应用
岩土离心模拟技术的原理和工程应用岩土离心模拟技术是一种重要的材料试验手段，广泛应用于土工、岩工、地基工程、地震工程等领域。
它通过模拟真实场地中土体的应力状态和变形特性，对土工材料、工程结构的力学性质和稳定性进行评估和研究。
本文将从原理和工程应用两个方面进行介绍。
一、离心模拟的原理离心模拟实验是将土体放在离心机设备中，借助离心机的高速旋转产生的离心力，使土体获得高达1000倍于重力的加速度，从而模拟真实场地的应力状态，获得各种状态的土体力学性质和变形特性。
离心模拟实验具有以下几个特点：1. 加速度较大：离心机可产生高达1000倍于重力的加速度，对土体施加强烈的加速载荷，能够模拟真实场地较为复杂的地震、风等载荷。
2. 实验精度高：离心实验是一种非常精密的试验方法，可以测量微小的力和变形，实验数据精度高、可靠性好。
3. 处理土体样品多样化：通过控制离心机旋转速度和加速度，可以模拟不同土层深度和不同地质环境下的土体状态，从而得到更真实、可靠的试验结果。
二、离心模拟的工程应用离心模拟技术已经广泛应用于土力学、岩石力学、地基工程、地震工程等领域，其主要应用方向包括：1. 工程结构的稳定性分析：运用离心模拟试验技术，对各种道路桥梁、隧道、堤防、地基及地铁车站等工程结构的稳定性进行评估和研究，建立地下结构的安全边界条件。
2. 地基和岩土工程的研究：离心模拟实验成为评估工程地基和岩土工程的力学性质和变形特性的标准方法。
通过利用离心模拟试验得到的数据，可以确定地基工程中土体失稳破坏的机制，进一步发展土体力学理论。
3. 地震工程的研究：离心模拟试验为研究地震过程中土体的动力响应、变形破坏机制、动力稳定性等问题提供了一种有效手段。
离心模拟试验能够模拟遇有多重地震场地，研究相关的动力特性和应力应变响应。
4. 其它领域的应用：离心模拟技术的应用同样在液固相变、废物处理、地下能源和水利工程等领域得到逐步推广。
总之，离心模拟技术是一种非常重要的材料试验手段，其在各个领域的应用推广将有着更加广泛的意义。
土工离心模型试验原理与若干问题分析
建筑物尺寸 B 相对土粒直径 D 很大 , 一般不考虑 土 粒直径的作用和影响 。但模型试验 , 一般直接用原型 土料并保持与原型土相同的状态 。这样在模型试验中 由于结构物按模型比缩小而使得与土体颗粒接触的结 构物模型尺寸减小 , 土体的不均匀和随机性可能会明 显地显露出来 , 模型试验结果可能受粒径效应的影 响 。Fuglsang 和 Ovesen[1] 的研究表明 , 对于直径为 1 m 的基础底板 , 当填料平均粒径 < 28 mm 时 , 即底板 尺寸与土粒平均粒径比值 > 35 时 , 颗粒大小的粒径 尺寸效应可以忽略 , 但当该比值 < 15 时 , 则有明显 的尺寸效应 。对于条形基础及矩形基础 , 这一界限值 分别在 25～75 及 25～50 之间 。Craig[2] 也认为 , 为了 消除尺寸效应 , 对于浅基础和桩基础模型试验中的基 础尺寸与最大粒径之比应 > 40 。 31 3 边界效应问题
度为ω, 转动半径 R 处质点 m 将受到离心力与重力的
联合作用 。设其合力为 F , 则 F = ma
(7)
其中 a 为合加速度 , 其值为 a = (ω2 R) 2 + g2
(8) 式中的ω2 R 为离心机旋转至水平方向时的离心加 速度 。记合加速度 a 与水平面的夹角为α, 则有
t
a
nα
=
g ω2 R
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全国中文核心期刊 路基工程 2007 年第 3 期 (总第 132 期)
地形对路堤沉降影响的有限元分析
杨旭毅 支喜兰
(长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室 陕西西安 710064)
摘 要 利用 Ansys 有限元程序建立路堤及地基模型 , 在填土高度 、地基土质和填土容重等参数 相同的前提下 , 分别计算出路堤处于三种不同地形时的地表沉降值 。计算结果及分析表明 : 对于路 堤 , 尤其是高路堤 , 地形因素对沉降量的影响不容忽视 。
离心模型试验技术应用的新进展
３ 离 心模 型 技 术 在传 统 工 程领 域 的应 用
土 工 离 心模 型 试 验 在 岩 土 工 程 领 域 的应 用 相 当广 泛 ． 传
在岩土工程领域 ， 常用来 对实际工程状 况进行考察 的手 段主要是原型 现梗 、 Ｉ模型试验和数值方法。原型观梗 是 研究 Ｉ 结构物性状 的最直 接 、 结果最 有说服 力 的方 法 ， 是原 型试 但 验步骤 繁杂 、 资巨大 ， 耗 仅应 用于较步 的工程实 践中。常规
反 应 和 裂 缝 轨 迹 的 观 察 ． 了解 原 墅 的性 状 提 供 了 有 力 的 帮 为 助 。在 我 国 ， 文献 ＿ 进 行 了瀑 布 沟 坝 基 骑 渗墙 的 离 心 摸 型 试 ３
２ 发展 历 程 ：
早 在 １６ ８９年 ，Ｉｌ ｓ 提 出 了 土 工 离 ， 拟 试 验 技 术 Ｐｉｉ 就 ｔｐ ｌ ｔ模 Ｌ 的基 本 思 想 。本 世 纪 ３ Ｏ年 代 ， 国 和 前 苏 联 重 新 提 出 这 一 美
为了研究水坝的开裂 变形对 坝体 的安全 构成 的巨大威
胁 ． 国科 罗拉 多 大 学 … 进行 了 现 浇 混 凝 土重 力 式 水 坝 的离 美 心 模 型 试 验 ， 将 试 验 结 果 与用 基 于 断 裂 力 学 的 有 限 元 方 法 并
数值预最 进行 了对比 ， Ｉ 用来验证谈数值方 法的有 效性和台理
振 动 台试 验 比 较 多 的在 结 构 试 验 中 应用 ． 是 由 于 它不 能 满 但 足 模 型 与原 型 应力 水平 相 同 的 相似 性 条 件 ， 岩 土工 程 研 究 在
统 上主要涉及土石坝 、 地下支挡结 构 、 土地 基 、 软 土工 合成材
料 加筋 挡 墙 、 石 边 坡 稳 定 等 诸 多 方 面 的 研 究 在 这 些 方 岩 面， 离心 模 型 的应 用 日益 广 泛 和 深 入 ， 技 术 水 平 也 越 来 越 其 高。
土工离心模型试验研究现状
一、离心模型试验概况1.1土工离心模型试验简介土工离心模型试验（geotechnical centrifugal model test）是把小比例尺模型放在离心试验机所形成的加速度场中，以获取全比例尺模型的变形破坏机理的模拟试验技术。
其基本原理是：将土工模型置于高速旋转的离心机中，让模型承受大于重力加速度的离心加速度作用，来补偿模型因为尺寸缩小而导致的土工构筑物自重的损失。
所以，它对模拟以重力为主要荷载的岩土结构物性状的研究就显得特别有效。
在岩土工程中，土体自重引起的应力常常占支配地位，土的力学特性随着应力大小的变化而变化，常规小尺寸模型试验由于其自重产生的应力远小于原型，因而无法再现原型的特性。
解决这个问题的唯一途径就是提高模型的自重，使之与原型等效。
把模型放置于特制的离心机中，使1/N缩尺的模型在Ng离心加速度的空间进行试验，由于惯性力与重力绝对等效，并且高加速度不会改变工程材料的性质，从而使模型与原型的应力应变相等，变形相似、破坏机理相同，能再现原形的特性。
由于其能再现自重应力场以及与自重有关的变形过程，直观揭示变形破坏的机理，并能为其它分析方法提供真实可靠的参数依据，而得到越来越广泛的应用。
1.1.1国外发展状况虽然早在1869年法国人Edouard Phillips就提出了离心模型试验的设想，并建议用其对横跨英吉利海峡的大钢桥进行验证，根据弹性体的平衡方程推导出原型与模型之间的相似关系，提出利用离心机产生的惯性力来增加模型的重力，用来研究结构的特性，但限于当时的条件，没有得到应用。
此后一直沉寂了60余年，直到20世纪30年代，这一概念才在美国和前苏联重新提出并开始进行试验工作。
1931年，美国哥伦比亚大学Philip Bueky将此技术应用于煤矿坑顶稳定性的模型试验中，所用的离心机半径仅25em，因离心机的半径过未取得有价值的成果，在土木工程界并未引起应有的重视。
与此同时，前苏联以鲍克洛夫斯基(Pokrovsky)和费德洛夫(E．C．Fedorov)为代表的学者们开始在大中型离心机上对离心模拟技术进行了广泛的研究。
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第 2期
包承纲等 土工离心模型的试验 原理
3
一个坐标系, 如图 2( a ) 所示。于是模型中任一点的 坐标可以用极坐标表达为 x = r cos H y = r sin H 将式( 8) 对 t 两次求导 , 得 d 2x d2 r dr cos H- 2 2 = dt d t2 dt dH sin H dt ( 9) ( 8)
l
模 型 律
比例 因数 n 1/ n 1 1 1 1 1 1 1/ n 1 n 1 1 1 1 1/ n 1/ n2 1
Q l
Rt hc G k U Rc c E t1 t2 t3
Q l
N R= N QN aN d N l =
- 1N - 1N - 1 N c = N RN Q a d = 1/ 2 1/ 2 = N G= N QN d N a Nl - 1 N k= N 2 d N QN aN G =
Q ld
kG d 2Q a U Rc Q al c Q al E Q al
al
NU = N R= N QN aN l = N c= N Q N aN l = N E= N QN aN l =
2 - 1/ 2 = N t= N 1/ l Na 1 N t= N l ・ N k =
t t k l
a l
1 离心模型试验的比尺关系
根据土工离心模型试验的需要, 已总结了
若干工程问题中常见参数的比尺关系 , 见表 1。 表中 N 为模型与原型两者相应变量之比, 并基于模型采 用与原型相同的材料 , 模型长度为原型长度的 1/ n
收稿日期 : 1997-02-20
作者简介 : 包承纲 男 长江科学院 教授级高工 主要从事岩土工程研究
4. 1 离心机起动与制动时的误差 离心机起动与制动时的加速和减速所引起的切 向加速度是原型中没有的 , 它对试验结果会有一定 的影响。若模型加荷过快 , 地基土抵抗变形的性能 来不及充 分发挥 , 就会 产生过大 的剪切变 形; 同 理, 快速减荷时 , 离心机受到惯性的作用, 对边坡 的稳定性也会产生不利的影响。然而 , 若起动与制 动的时间过长 , 就会与边坡实际的受力状况差别很 大。所以试验中应根据研究目的的不同, 选择一种 合适的起动速度。 4. 2 模型尺寸与模型箱大小的关系 由于模型箱周壁的约束作用, 离心模型试验中 必须对模型的尺寸有一定的限制。对于地基承载力 试验的基础底板, 一般要求其宽度不超过模型箱最 小边长的 1/ 5。对于平面应变问题 , 若取断面作模 型, 则应注意保证断面有足够的宽度, 同时尽量减 小侧壁的摩擦力。 4. 3 模型材料颗粒尺寸与模型尺寸的关系 据 Fuglsang [ 1] 等人的研究 , 对于直径为 1m 的 基础底板 , 当土粒平均粒径为 28mm 左右, 即比值 ( D/ d ) 为 35 时, 颗粒大小的尺寸效应不存在 , 但当 该比值为 15 时 , 就有颗粒的尺寸效应了。另外, 对 于条形基础, 若( D / d ) 在 25 ～75 之间时 , 或者对矩 形基础, 当( B / d ) 为 25～ 50 时, 也未发现有比尺效
第 15 卷 第 2 期 1 9 9 8 年4 月
长 江 科 学 院 院 报
Journal of Y an gtz e River S cient ific R esearch Ins t itu te
V o l. 15 N o. 2
A p r.承纲 饶锡保
0 前 言
土工离心模型试验是将土工模型置于高速旋转 的离心机中 , 让模型承受大于重力加速度的离心加 速度的作用 , 补偿因模型缩尺带来的土工构筑物自 重的损失。它比通常在静力 ( 重力加速度) 条件下的 物理模拟更接近于实际。 土是一种非线性变形材料, 它的性状受应力水 平的影响。 当对土工构筑物进行物理模拟时 , 首要条 件是保证模型的应力水平与原型相同。 利用高速旋转 的离心机, 在模型上施加超过重力 n 倍的离心惯性 力, 补偿模型因缩尺 1/ n 所造成的自重应力的损失, 达到与原型相同的应力水平 , 这样就可以在模型中 再现原状土工构筑物的性状。根据近代相对论的原 理, 重力与惯性力是等效的 , 而土的性质又不因加速 度的变化而改变 , 因此, 离心模拟技术对于以重力为 主要荷载的土工构筑物来说就特别有效。
( 长江科学院 ) ( 土工研究所 ) 摘 要 简要阐述了土工离心模型试验的原 理 , 包括土工离心模型试验一系列常用的比尺关系、 离心力场的特性、 模型在离心力场中的运动状态及离心模型试 验中若干误差问题。 关键词 土工离心机 模型试验 相似性关 系 离心力场 误差
和模型承受放大 n 倍的加速度作用。
离心模型试验中的各项参数应与原型有一定的 相似关系, 才能保证模型反映原型的性状。这种相 似关系称为比尺关系。比尺关系 , 可以通过物理方 程 或 量 纲 分 析 确 定 下 来。 Fuglsang 和 Ovesen ( 1988)
[ 1]
15. 层流时间 16. 蠕变时间
由表 1 可见 , 土工离心模型试验中 , 第 4 项颗 粒尺寸不满足相似关系, 会导致尺寸效应产生的误 差。但对于粘土或砂土, 一般在分析中可按连续体 考虑 , 颗粒尺寸影响不大。相反 , 对于不能按连续 体对待的情况, 例如砂砾在水中沉积等课题, 则会 带来一定的误差 [ 2] 。 另外第 14, 15 和 16 项同为时间 t , 但它们的比
表 1 离心 模型试验中的比尺因素
变 量 1. 加速度 2. 模型长度 3. 土密度 4. 颗粒尺寸 5. 孔隙比 6. 饱和度 7. 液体密度 8a. 表面张力 8b . 毛细管高度 9a . 粘滞性 9b . 渗透性 10. 颗粒摩阻力 11. 颗粒强度 12. 粘聚力 13. 压缩性 14. 惯性时间 符号 a l Q d e Sr d/ l e Sr Q Rt Q ad l hc Q l ad Rl G 无量 纲数 N a= N l= NQ = N d= N e= N s= N Q= N Q=