（環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)論文）建筑機(jī)械開(kāi)挖溝槽的穩(wěn)定性研究.pdf

建筑機(jī)械開(kāi)挖溝 巹的穩(wěn)定性研究 建筑機(jī)械開(kāi)挖溝槽的穩(wěn)定性研究 摘要 近年來(lái)，隨著我國(guó)城市基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善與建設(shè)、舊城改造和住宅小區(qū)的 持續(xù)開(kāi)發(fā)，給排水、供熱、供氣、電纜及輸油等市政管線(xiàn)工程日益增多。與此同 時(shí)，隨著建筑機(jī)械在我國(guó)土木建筑工程施工中的不斷應(yīng)用，在市政管線(xiàn)的溝槽開(kāi) 挖工程中，挖掘機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越普遍。挖掘機(jī)在開(kāi)挖溝槽過(guò)程中，由于溝槽壁坍 塌、挖掘機(jī)傾倒，造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失的事故時(shí)有發(fā)生。如何預(yù)防此類(lèi)施工 坍塌事故是亟待研究的課題。 本文討論挖掘機(jī)等建筑機(jī)械在開(kāi)挖溝槽過(guò)程中對(duì)溝槽穩(wěn)定性的影響。首先， 根據(jù)挖掘機(jī)荷載的特點(diǎn)將挖掘機(jī)荷載簡(jiǎn)化為條形荷載。通過(guò)在離心場(chǎng)中模擬溝槽 開(kāi)挖過(guò)程的模型試驗(yàn)，討論了地基條件、挖掘機(jī)荷載條件( 荷載大小、挖掘機(jī)荷 載與槽壁的距離及偏心距) 等因素對(duì)開(kāi)挖深度及槽壁破壞機(jī)理和形態(tài)的影響。其 次，基于離心模型試驗(yàn)結(jié)果，建立溝槽槽壁的許可破壞模式及速度場(chǎng)，利用極限 分析上限理論求解開(kāi)挖深度上限解。根據(jù)槽壁的破壞特點(diǎn)對(duì)開(kāi)挖深度上限解表達(dá) 式進(jìn)行簡(jiǎn)化，并利用離心模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)開(kāi)挖深度簡(jiǎn)化式進(jìn)行了驗(yàn)證。最后，利 用溝槽坍塌時(shí)滑動(dòng)土體的寬度表達(dá)式得到了挖掘機(jī)荷載影響區(qū)劃分圖，從而直觀 地給出了挖掘機(jī)荷載的影響區(qū)和非影響區(qū)。當(dāng)挖掘機(jī)荷載作用在非影響區(qū)時(shí)，挖 掘機(jī)荷載對(duì)開(kāi)挖深度不產(chǎn)生影響，則此情況下的開(kāi)挖深度等于無(wú)挖掘機(jī)荷載作用 時(shí)的開(kāi)挖深度，可利用開(kāi)挖深度簡(jiǎn)化式求得此情況下的開(kāi)挖深度；當(dāng)挖掘機(jī)荷載 作用在影響區(qū)時(shí)，挖掘機(jī)荷載對(duì)開(kāi)挖深度產(chǎn)生影響，可利用開(kāi)挖深度簡(jiǎn)化式計(jì)算 開(kāi)挖深度與無(wú)挖掘機(jī)荷載時(shí)的開(kāi)挖深度之比。另外，對(duì)開(kāi)挖深度簡(jiǎn)化式討論的結(jié) 果表明，偏心距對(duì)開(kāi)挖深度的影響程度因挖掘機(jī)的接觸壓力大小不同而不同，即 挖掘機(jī)接觸壓力越大，偏心距對(duì)開(kāi)挖深度的影響也越大。 關(guān)鍵詞：建筑機(jī)械；開(kāi)挖；溝槽；穩(wěn)定性；離心模型試驗(yàn)；上限解 建筑機(jī)械開(kāi)挖溝槽的穩(wěn)定性研究 s t a b iit yo ft r e n c he x c a v a tio nu n d e rc o n s t r u c tio n m a c h i n e r yl o a d a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ec i t yi n 矗鼉s h u c _ m sr e h a b i l i t a t i o na n dc o n s t r u c t i o n , t h e m o d i f i c a t i o nw o r k so f o l dc i t i e sa n dt h ed e v e l o p m e n to f r e s i d e n t i a ld i s 位i c t si nt h e r e c e n ty e a r s ，m u n i c i p a lp i p e l i n ew o r k sj 1 1 s ta st h ew 鼬盯s u p p l ya n ds e w e r a g e w o r k s ，h e a ts u p p l y , a i rs u p p l y , f i b e ro p t i cc a b l e ，e l e c t r i cc a b l ea n do i lp i p e l i n e i n c r e a s i n gd a ya f t e rd a y i nt h es a m et i m e , t h ed r a gs h o v e li si ng e n e r a lu s ei nt h e e x c a v a t i o nw o r k so ft h em u n i c i p a lp i p e l i n e s ，o w i n gt ot h eg e n e r a lu s eo ft h e c o n s t r u c t i o nm a c h i n c r yi nt h ec o n s t r u c t i o no ft h ec i v i le n g i n e e r i n gi nc h i n a t r e n c hc o l l a p s ec a u s e sac o n s i d e r a b l en u m b e ro fd e a t h sa n di n j u r i e so fw o r k e r s e v e r yy e a ri nt h ep r o c e s so f 血 c n c he x c a v a t i o n h o wt oa v o i dt h i sk i n do f c o n s t r u c t i o nc o l l a p s ea c c i d e n t si sas u b j e c tw h i c hs h o u l db es t u d i e da ss o o n 勰 p o s s i b l e t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ei n f l u e n c eo ft h ec o n s t r u c t i o nm a c h i n e r ys u c h a st h ed r a gs h o v e lo nt h et r e n c hs t a b i l i t yi nt h ep r o c e s so ft h et r e n c he x c a v a t i o n f i r s t l y , t h ec o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yl o a dw a ss i m p l i f i e di n t os t r i pl o a d t h ee f f e c t s o fg r o u n dc o n d i t i o n , m a g n i t u d ea n dl o c a t i o no ft h ec o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yl o a d a n de c c e n t r i cd i s t a n c eo nt h ee x c a v a t i o nd e p t h , t h ef a i l u r em e c h a n i s ma n dt h e f a i l u r ep a t t e r no f t h et r e n c hw a l lw e r ei n v e s t i g a t e db yas e r i e so f c e n t r i f u g em o d e l t e s t sw h i c hs i m u l a t e dt h ep r o c e s so ft r e n c h e x c a v a t i o n a c c o r d i n g t ot h e c e n t r i f u g et e s tr e s u l t s t h ef a i l u r ep a t t e r no f t h e 缸e n e hw a l la n dt h ev e l o c i t yf i e l d w e r es e t u p t h eu p p e r - b o u n dv a l u eo fe x c a v a t i o nd e p t hw a sg i v e nb y u p p e r - b o u n ds o l u t i o n t h eu p p e r - b o u n ds o l u t i o ne x p r e s s i o no ft h ee x c a v a t i o n d e p t hw a ss i m p l i f i e da c c o r d i n gt ot h ef a i l u r ef e a t u r e so f t h et r e n c hw a l l ，a n dt h e n v e r i f i e dt h i ss i m p l i f i e de x p r e s s i o nb yt h ec e n t r i f u g et e s tr e s u l t s f i n a l l y , t h e i n f l u e n c ea r e ad i v i s i o no ft h em a c h i n e r yl o a dw a sm a d eb yt h ew i d t he x p r e s s i o n f o rt h es l i d i n gs o i ln l a s s ，a n dt h ei n f l u e n c ea r e aa n dn o n i n f l u e n c ea r e no ft h e m a c h i n e r yl o a do nt h ee x c a v a t i o nd e p t hw e r ev i s u a l l yr e p r e s e n t e d i ft h e m a c h i n e r yl o a di si nt h en o n - i n f l u e n c ea r e a , i t sn oi n f l u e n c eo nt h ee x c a v a t i o n r r 建筑機(jī)械開(kāi)挖溝榴的穩(wěn)定性研究 d 叩i h ，a n dt h ev a l u eo f t h ee x c a v a t i o nd e p t hg i v e nb yt h es i m p l i f i e de x p r e s s i o no f u p p e r - b o u n ds o l u t i o ne q u a l st ot h a to fn om a c h i n e r yl o a d i ft h em a c h i n e r yl o a d i si nt h ei n f l u e n c ea r e a , t h em a c h i n e r yl o a dh a si n f l u e n c eo nt h ee x c a v a t i o nd e p t h , a n dt h er a t i oo f t h ev a l u eo f t h ee x c a v a t i o nd e p t ht ot h a to f n om a c h i n e r yl o a dc a l l b eg i v e nb ys i m p l i f i e de x p r e s s i o no fu p p e r - b o u n ds o l u t i o n i na d d i t i o n , t h e d i s c u s s i o no f t h es i m p l i f i e de x p r e s s i o no f u p p e r - b o u n ds o l u t i o ni n d i c a t e dt h a tt h e i n f l u e n c eo ft h ee c c e n 仃i cd i s t a n c eo nt h ee x c a v a t i o nd e p t hi n c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s eo f t h eb e a r i n gp r e s s u r eo f m a c h i n e r yl o a d k e y w o r d s ：c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y ；e x c a v a t i o n ；t r e n c h ；s t a b i l i t y ；c e n t r i f u g em o d e l t e s t ；u p p e r - b o u n ds o l u t i o n i i l 獨(dú)創(chuàng)聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成 果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā) 表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含未獲得( 注i 墊潑直墓他 盂要掛別岜明的：奎攔豆空2 或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)使用過(guò)的材料。與我一同 工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示謝意。 學(xué)位論文作者簽名：7 豸峨簽字日期：0 7 年月j 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保留并向國(guó) 家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)( 如中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所等) 送交論文的復(fù)印件和磁盤(pán)，允許 論文被查閱和借閱。本人授權(quán)學(xué)?？梢詫W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù) 進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。( 保密的學(xué)位 論文在解密后適用本授權(quán)書(shū)) 學(xué)位論文作者簽名： 歷明 導(dǎo)師簽字： 幅骺蠢、 簽字日期：訂年6 月1 日簽字日期：b 7 年j ；月f 日 學(xué)位論文作者畢業(yè)后去向： 工作單位： 通訊地吐： 電話(huà)： 郵編 建筑機(jī)械開(kāi)挖溝榴的穩(wěn)定性研究 0 日i j置 近年來(lái)，隨著我國(guó)城市基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善與建設(shè)、舊城改造和住宅小區(qū)的 持續(xù)開(kāi)發(fā)，給排水、供熱、供氣、電纜及輸油等市政管線(xiàn)工程日益增多。與此同 時(shí)，隨著建筑機(jī)械在我國(guó)土木建筑工程施工中的不斷應(yīng)用，在市政管線(xiàn)的溝槽開(kāi) 挖工程中，挖掘機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越普遍。挖掘機(jī)在開(kāi)挖溝槽過(guò)程中，由于溝槽壁坍 塌、挖掘機(jī)傾倒，造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失的事故時(shí)有發(fā)生。如何預(yù)防此類(lèi)施工 坍塌事故是亟待研究的課題。 本文討論挖掘機(jī)等建筑機(jī)械在開(kāi)挖溝槽過(guò)程中對(duì)溝槽穩(wěn)定性的影響。首先， 將挖掘機(jī)荷載簡(jiǎn)化為條形荷載。通過(guò)在離心場(chǎng)中模擬溝槽開(kāi)挖過(guò)程的模型試驗(yàn)， 討論了地基條件、建筑機(jī)械荷載條件等因素對(duì)開(kāi)挖深度及槽壁破壞機(jī)理和形態(tài)的 影響。其次，基于離心模型試驗(yàn)結(jié)果，建立溝槽槽壁的許可破壞模式及速度場(chǎng)， 利用極限分析上限理論求解開(kāi)挖深度上限解。根據(jù)槽壁的破壞特點(diǎn)對(duì)開(kāi)挖深度上 限解表達(dá)式進(jìn)行簡(jiǎn)化，并利用離心模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)該簡(jiǎn)化式進(jìn)行了驗(yàn)證。最后， 通過(guò)討論溝槽坍塌時(shí)滑動(dòng)土體的寬度表達(dá)式得到了挖掘機(jī)荷載影響區(qū)劃分圖，直 觀地給出挖掘機(jī)荷載的影響區(qū)和非影響區(qū)，具有較高的工程實(shí)用價(jià)值。 回顧已開(kāi)展的工作，本文進(jìn)行了開(kāi)拓性的嘗試，并取得了一些初步的認(rèn)識(shí)。 論文建筑機(jī)械開(kāi)挖溝槽的穩(wěn)定性研究已被巖土工程學(xué)報(bào)( e i 源刊，2 0 0 7 ) 錄用；論文建筑機(jī)械偏心荷載對(duì)開(kāi)挖過(guò)程中溝槽穩(wěn)定性的影響研究己投稿巖 工程學(xué)報(bào)( e i 源刊) ；英文論文s t a b i l i t yo ft r e n c he x c a v a t i o nu n d e r c o n s l r u c t i o nm a c h i n e r yl o a d 及s t a b i l i t yo ft r e n c he x c a v a t i o nu n d e re c c e n t r i c l 0 a do fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y ) ) 投稿中。正如已有的研究成果和本文將呈現(xiàn)出 的，建筑機(jī)械荷載作用下開(kāi)挖溝槽的穩(wěn)定性研究還不深入，一些問(wèn)題還有待于進(jìn) 一步探討。 本文作者水平有限，文中的紕漏與錯(cuò)誤在所難免，懇請(qǐng)各位同行專(zhuān)家提出寶 貴意見(jiàn)。 建筑機(jī)械開(kāi)挖溝榴的穩(wěn)定性研究 1緒論 1 1 研究背景及現(xiàn)狀 安全生產(chǎn)和勞動(dòng)保護(hù)是黨和國(guó)家的一項(xiàng)重要政策，是社會(huì)主義企業(yè)管理的一 項(xiàng)基本原則。 近年來(lái)，隨著我國(guó)城市基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善與建設(shè)、1 日城改造和住宅小區(qū)的 持續(xù)開(kāi)發(fā)，給排水、供熱、供氣、電纜及輸油等市政管線(xiàn)工程e l 益增多。與此同 時(shí)，隨著建筑機(jī)械在我國(guó)土木建筑工程施工中的不斷應(yīng)用，在市政管線(xiàn)的溝槽開(kāi) 挖工程中，挖掘機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越普遍。挖掘機(jī)在開(kāi)挖溝槽過(guò)程中，由于溝槽壁坍 塌、挖掘機(jī)傾倒，造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失的事故時(shí)有發(fā)生，如圖1 - 1 所示。如 何預(yù)防此類(lèi)施工坍塌事故是亟待研究的課題。 ( a ) 挖掘機(jī)在溝槽一側(cè)施工 ( b ) 挖掘機(jī)橫跨在溝槽上施工 圖1 - i建筑機(jī)械在溝槽開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生傾倒事故的實(shí)例 建筑機(jī)械開(kāi)挖溝槽的穩(wěn)定性研究 一般來(lái)說(shuō)，挖掘機(jī)等建筑機(jī)械通過(guò)履帶板傳遞到地面的壓力( 本文稱(chēng)為挖掘 機(jī)接觸壓力或簡(jiǎn)稱(chēng)接觸壓力) 相對(duì)開(kāi)挖巖土體本身的強(qiáng)度很小，所以，挖掘機(jī)開(kāi) 挖溝槽過(guò)程中的槽壁坍塌問(wèn)題仍屬于以巖土體自重為主要荷載的開(kāi)挖穩(wěn)定性問(wèn) 題。 開(kāi)挖溝槽與開(kāi)挖基坑、邊坡一樣，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，溝槽的形狀和深度在不 斷的變化。形狀和深度的變化，以及由于卸荷所導(dǎo)致的巖土體中應(yīng)力及應(yīng)變狀態(tài) 的變化，均使巖土體的穩(wěn)定性不斷降低。同時(shí)，開(kāi)挖行為將擾動(dòng)一定范圍內(nèi)的巖 土體，降低巖土的強(qiáng)度參數(shù)( 姚裕春，2 0 0 5 ) 。如果在地下水位以下施工，開(kāi)挖 還可能使?jié)B流場(chǎng)發(fā)生變化( 水偉厚，2 0 0 1 ) 。挖掘機(jī)開(kāi)挖溝槽過(guò)程中的槽壁坍塌 問(wèn)題與開(kāi)挖過(guò)程中的穩(wěn)定性問(wèn)題一樣，屬于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性問(wèn)題。 另一方面，使用挖掘機(jī)開(kāi)挖溝槽時(shí)，挖掘機(jī)往往在槽邊作業(yè)，挖掘機(jī)荷載作 為槽邊荷載直接影響槽壁土體的穩(wěn)定性。槽邊荷載不僅包括靜荷載，即挖掘機(jī)重 量以及在開(kāi)挖過(guò)程中，挖掘機(jī)動(dòng)臂循環(huán)往復(fù)的提升和下降產(chǎn)生的偏心荷載，還包 括挖掘機(jī)在槽邊工作時(shí)的行走、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)荷載( 趙荒，1 9 9 6 ) 。此 外，挖掘機(jī)的動(dòng)荷載還可導(dǎo)致巖土體疏松( 趙荒，1 9 9 6 ) ，從而降低巖土強(qiáng)度參 數(shù)；在飽和土中的施工，挖掘機(jī)的動(dòng)荷載也可能使地基土體的孔隙水應(yīng)力上升 ( h o s o it ，2 0 0 0 ) 。 綜上所述，總結(jié)影響建筑機(jī)械開(kāi)挖溝槽穩(wěn)定性的因素，如表1 1 所示。 表1 - 1影響建筑機(jī)械開(kāi)挖溝槽穩(wěn)定性的因素 影響因素影響結(jié)果 巖土體的自重荷載占支配地位 擾動(dòng)導(dǎo)致巖士強(qiáng)度參數(shù)降低 開(kāi)挖行為導(dǎo)致溝槽形狀和深度不斷變化 導(dǎo)致巖土體中應(yīng)力及應(yīng)變狀態(tài)不斷變化 靜荷載槽邊靜荷載 建筑機(jī)械荷載槽邊動(dòng)荷載 動(dòng)荷載 擾動(dòng)導(dǎo)致巖士強(qiáng)度參數(shù)降低 有關(guān)挖掘機(jī)靜荷載作為槽邊靜荷載對(duì)槽壁穩(wěn)定性的影響問(wèn)題，在建筑工程 預(yù)防坍塌事故若干規(guī)定( 2 0 0 3 ) 中規(guī)定，各類(lèi)施工機(jī)械距基坑( 槽) 、邊坡和 建筑機(jī)械開(kāi)挖溝榴的穩(wěn)定性研究 基礎(chǔ)樁孔邊的距離不得小于1 5 m 。然而挖掘機(jī)挖土往往在槽邊作業(yè)，很難滿(mǎn)足 這一要求。挖掘機(jī)開(kāi)挖溝槽的方式通常有兩種，如圖1 2 ( a ) 與圖1 2 ( b ) 所 示。圖1 2 ( a ) 是挖掘機(jī)在溝槽一側(cè)作業(yè)的情況，在開(kāi)挖過(guò)程中隨著開(kāi)挖深度的 增大，受挖掘機(jī)動(dòng)臂長(zhǎng)度的限制很難保證挖掘機(jī)與槽壁的距離大于1 5 m ，并且 大于1 5 m 的距離限制了挖掘機(jī)操作人員的視角。圖1 2 ( b ) 是挖掘機(jī)橫跨在溝 槽上方的施工方法。兩條履帶板之間的凈間距以1 s i n 居多( 參見(jiàn)第三章，圖3 ，i o 、 3 1 1 ) ，若溝槽的寬度為0 8 m ，則履帶板與槽壁的距離為0 5 m ，所以該施工方 法也很難滿(mǎn)足挖掘機(jī)與槽壁的距離大于1 5 m 的規(guī)定。給水排水管道工程施工 及驗(yàn)收規(guī)范( g b 5 0 2 6 8 9 7 ) 規(guī)定在軟土溝槽坡頂不宜設(shè)置靜載或動(dòng)載；需要 設(shè)置時(shí)，應(yīng)對(duì)土的承載力和邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。但是未明確如何進(jìn)行驗(yàn)算。 邊坡工程技術(shù)規(guī)范( g b 5 0 3 3 0 2 0 0 2 ) 和現(xiàn)場(chǎng)施工安全防護(hù)管理規(guī)則中 僅對(duì)在槽、坑、溝邊的堆載對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定。鑒于以上規(guī)定 較不明確或在實(shí)際工程中缺乏可操作性，使得在挖掘機(jī)開(kāi)挖溝槽過(guò)程中時(shí)有發(fā)生 溝槽壁坍塌、挖掘機(jī)傾倒的事故。 履 ( a ) 挖掘機(jī)在溝槽一側(cè)施工 ( b ) 挖掘機(jī)橫跨在溝槽上施工 圖1 - 2 挖掘機(jī)開(kāi)挖溝槽的開(kāi)挖方式 土工離心模型是一種行之有效的物理模型，它是以相似理論為理論基礎(chǔ)，將 原型材料按一定比尺制成模型后，置于由離心機(jī)生成的離心場(chǎng)中，通過(guò)加大土體 的體積力，使模型達(dá)到與原型相等的應(yīng)力狀態(tài)，從而使原型與模型的變形和破壞 過(guò)程保持良好的相似性，并以此來(lái)研究原型的變形和破壞( 吳慶勇，2 0 0 6 ) 。土 工離心模型試驗(yàn)已經(jīng)成為巖土工程中最為重要的模型試驗(yàn)手段( 李廣信，2 0 0 4 ) 。 4 艷一 爭(zhēng) 建筑機(jī)械開(kāi)挖溝柏的穩(wěn)定性研究 有很多學(xué)者( k u s a k a b e ，1 9 8 2 ：t a y l o r ，1 9 8 4 ；木村孟等，1 9 8 8 ：t o y o s a w a e ta 1 1 9 9 4 ) 已經(jīng)開(kāi)展了利用離心模型試驗(yàn)研究邊坡開(kāi)挖的穩(wěn)定性及其破壞機(jī)理的研 究，但是利用離心模型試驗(yàn)開(kāi)展建筑機(jī)械荷載作用下溝槽開(kāi)挖的穩(wěn)定性及破壞機(jī) 理的研究( t o y o s a w ae ta 1 2 0 0 5 ；房明等，2 0 0 7 ) 尚少。由于在離心場(chǎng)中模擬溝 槽開(kāi)挖的模型試驗(yàn)結(jié)果，是上述影響開(kāi)挖溝槽穩(wěn)定性的各因素( 見(jiàn)表1 1 ) 同時(shí) 作用產(chǎn)生的結(jié)果，所以利用離心模型試驗(yàn)技術(shù)模擬建筑機(jī)械開(kāi)挖溝槽的過(guò)程是十 分有效的。 對(duì)于巖土的承載力或穩(wěn)定性問(wèn)題，傳統(tǒng)分析方法主要有三類(lèi)：一類(lèi)是以彈塑 性有限元法為代表的數(shù)值方法，即根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、具體問(wèn)題的初始與邊界條 件、荷載歷史逐步求得問(wèn)題的解。由于微分方程的復(fù)雜性；巖土本構(gòu)關(guān)系的多樣 性；彈塑性區(qū)分界線(xiàn)的不確定性等因素導(dǎo)致彈塑性法計(jì)算過(guò)程比較復(fù)雜。另一類(lèi) 是以條分法為代表的極限平衡法，它是將結(jié)構(gòu)物分成若干條塊，根據(jù)力的平衡理 論求解。雖然條分法簡(jiǎn)單易懂，并在工程中廣泛應(yīng)用，但是，由于各條塊之間的 相互作用力復(fù)雜，從而影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性；另外，平衡微分方程、流動(dòng)法則 也不能在巖土中的每一點(diǎn)得到滿(mǎn)足。再一類(lèi)是滑移線(xiàn)理論。對(duì)許多巖土結(jié)構(gòu)物來(lái) 講，有時(shí)并不需要知道應(yīng)力和應(yīng)變隨外荷載如何變化，只需要求出最終達(dá)到塑性 流動(dòng)狀態(tài)( 即開(kāi)始產(chǎn)生無(wú)限制塑性流動(dòng)) 時(shí)所對(duì)應(yīng)的破壞荷載或穩(wěn)定性程度( 盧 廷浩等，2 0 0 6 ) 。在這種思想的指導(dǎo)下，d r u c k e r 和p m g e r 把靜力場(chǎng)和速度場(chǎng)結(jié) 合起來(lái)并提出極值理論，建立巖土結(jié)構(gòu)物的極限分析方法，w e c h e n ( 1 9 7 5 ) 為 巖土結(jié)構(gòu)物的極限分析理論奠定了基礎(chǔ)。如今，極限分析方法在巖土工程中廣泛 應(yīng)用。極限分析法是解決彈塑性體( 或剛塑性體) 處于極限狀態(tài)的普遍定理，是 運(yùn)用上限定理和下限定理求解極限荷載的一種分析方法。通過(guò)兩個(gè)定理的分析， 可以近似得到極限荷載值，而且還可以知道誤差的范圍( 盧廷浩等，2 0 0 6 ) 。 與水平地面承載力問(wèn)題相比，邊坡附近地基承載力的研究更加困難。因?yàn)榇?時(shí)地基承載力同邊坡穩(wěn)定性分析形成不可分割的整體。在巖土工程實(shí)踐中，邊坡 穩(wěn)定性問(wèn)題既可作為經(jīng)典的承載力問(wèn)題( 日下部治，1 9 7 5 ；中瀨明男等，1 9 7 5 ： 音藤邦夫等，1 9 8 1 ；g e m p c r l i n e ，m c e t a l 1 9 8 4 ；日下部治，1 9 8 5 ；中島英治等， 1 9 8 53 毛尸秀幸等，1 9 8 9 ：岡原美智夫等，1 9 9 0 ；前田良刀，1 9 9 1 ) 來(lái)處理，也 可以作為邊坡穩(wěn)定性分析問(wèn)題進(jìn)行處理。對(duì)于同一個(gè)問(wèn)題，采用不同的設(shè)計(jì)方法， 建筑機(jī)械開(kāi)挖溝楷的穩(wěn)定性研究 可能會(huì)存在差異性。由于極限分析方法可以繞過(guò)土體復(fù)雜的本構(gòu)關(guān)系，獲得理論 上嚴(yán)格的計(jì)算結(jié)果，故而借助極限分析方法，便可以避免這種潛在的差異性( d e b u b _ a npe ta 1 1 9 9 8 ) 。有許多學(xué)者已經(jīng)利用極限分析上限理論開(kāi)展了邊坡開(kāi)挖穩(wěn) 定性的研究( k u s a k a b e o 1 9 8 2 ：t a y l o r , r n 1 9 8 4 ：t o y o s o w a , ye ta 1 1 9 9 4 ) 。 此外，也有一些學(xué)者利用極限分析上限定理對(duì)作用在臨近邊坡淺基礎(chǔ)的地基承載 力進(jìn)行了研究( 王紅雨等，2 0 0 5 王紅雨等，2 0 0 6 ：y a m a m o t o ，k 2 0 0 6 ) 。而利 用極限分析上限定理開(kāi)展建筑機(jī)械荷載對(duì)溝槽開(kāi)挖穩(wěn)定性影響的研究尚少 ( t o y o s o w a , yc ta 1 1 9 9 4 ：房明等，2 0 0 7 ) 。 1 2 研究?jī)?nèi)容 本文主要討論挖掘機(jī)等建筑機(jī)械在開(kāi)挖溝槽過(guò)程中對(duì)溝槽穩(wěn)定性的影響。本 文的研究?jī)?nèi)容分為三部分： ( 1 ) 論述了土工離一t l , 模型試驗(yàn)在巖土工程中的應(yīng)用。主要從土工離心模型 試驗(yàn)的發(fā)展概況、原理、誤差分析及其存在的問(wèn)題這三個(gè)方面進(jìn)行論述。 ( 2 ) 設(shè)計(jì)了建筑機(jī)械開(kāi)挖溝槽的離心模型試驗(yàn)。討論了地基條件、挖掘機(jī) 荷載條件( 荷載大小、挖掘機(jī)荷載與槽壁的距離及偏心距) 等因素對(duì)開(kāi)挖深度及 槽壁破壞機(jī)理和形態(tài)等的影響。 ( 3 ) 利用極限分析上限理論對(duì)溝槽進(jìn)行穩(wěn)定性分析。首先，基于離心模型 試驗(yàn)結(jié)果，建立溝槽槽壁許可破壞模式及速度場(chǎng)，利用極限分析上限理論求解開(kāi) 挖深度上限解。其次，根據(jù)槽壁破壞特點(diǎn)對(duì)開(kāi)挖深度上限解表達(dá)式進(jìn)行簡(jiǎn)化。并 利用離心模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)開(kāi)挖深度簡(jiǎn)化式進(jìn)行了驗(yàn)證。由開(kāi)挖深度簡(jiǎn)化式可討論 得到槽壁坍塌時(shí)滑動(dòng)土體的寬度表達(dá)式。利用該寬度表達(dá)式得到的挖掘機(jī)荷載影 響區(qū)劃分圖，直觀地給出挖掘機(jī)荷載的影響區(qū)和非影響區(qū)。 6 建筑機(jī)械開(kāi)挖溝槽的穩(wěn)定性研究 2土工離心模型試驗(yàn)在巖土工程中的應(yīng)用 2 1概述 在許多工程學(xué)科中，常常需要用小尺寸的物理模型去揭示和分析現(xiàn)象的本質(zhì) 和機(jī)理，以驗(yàn)證理論和解決工程實(shí)際問(wèn)題，如水利工程中的水力學(xué)模型，航空工 程中的風(fēng)洞試驗(yàn)都是行之有效的物理模型，巖土工程也不例外。巖土工程中的小 尺寸物理模型試驗(yàn)包括：重力場(chǎng)縮尺模型試驗(yàn)和離心場(chǎng)縮尺模型試驗(yàn)兩種。重力 場(chǎng)縮尺模型試驗(yàn)由于將土工建筑物或地基及基礎(chǔ)縮小櫛倍，自重和荷載及應(yīng)力水 平同樣也縮小力倍。由于土并不是線(xiàn)彈性材料，所以重力場(chǎng)縮尺模型中土中的應(yīng) 力水平很低。而在很低的圍壓下，土的應(yīng)力、應(yīng)變、強(qiáng)度性狀與常規(guī)圍壓下又有 很大不同( 李廣信，2 0 0 4 ) 。由于對(duì)土工構(gòu)筑物進(jìn)行物理模擬時(shí)，首要條件是保 證模型的應(yīng)力水平與原型相同( - - - - 笠正人，1 9 8 0 ；山口柏樹(shù)，1 9 8 0 ；足立紀(jì)尚， 1 9 9 2 ；包承綱等，1 9 9 8 ) ，所以重力場(chǎng)縮尺模型試驗(yàn)一般意義不大。所謂離心場(chǎng) 縮尺模型試驗(yàn)就是將土工建筑物或地基與基礎(chǔ)尺寸縮小到1 n 制成模型，并將模 型置于特制的離心機(jī)中，使1 加縮尺的模型在恕g 離心加速度的空間進(jìn)行試驗(yàn)， 如圖2 1 所示。由于慣性力與重力絕對(duì)等效，且高加速度不會(huì)改變工程材料的性 質(zhì)。這樣在保證原型與模型幾何相似的前提下，可保持它們的力學(xué)特性相似，應(yīng) 力應(yīng)變相同，破壞機(jī)理相同，變形相似( 李廣信，2 0 0 4 ：濮家騮，1 9 9 6 ) 。因此， 離心模擬技術(shù)對(duì)于以重力為主要荷載的巖土工程問(wèn)題是十分有效的( 包承綱等， 】9 9 8 ) 。 且1 0 ( a ) 離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)前( b ) 離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中 圖2 - 1士工離心模型試驗(yàn)的原理示意圖 7 聾n )慟姍離重涪 建筑機(jī)械開(kāi)挖溝榴的穩(wěn)定性研究 2 2 土工離心模型試驗(yàn)的發(fā)展簡(jiǎn)史及趨勢(shì) 2 2 1 土工離心模型試驗(yàn)的發(fā)展簡(jiǎn)史 離心模型試驗(yàn)的設(shè)想是法國(guó)人菲利普斯( e p h i l l i p s ) 于1 8 6 9 年提出的，他 推導(dǎo)了離心模型和原型的相似關(guān)系，并對(duì)試驗(yàn)設(shè)備作了概括性的描述。他建議用 離心機(jī)所產(chǎn)生的慣性力來(lái)增加模型的重力，以達(dá)到這種相似，并提出用離心模型 試驗(yàn)研究在英吉利海峽跨海大鐵橋建設(shè)中可能遇到的地基基礎(chǔ)問(wèn)題。不過(guò)他的設(shè) 想當(dāng)時(shí)未能夠得到實(shí)現(xiàn)。 真正用離心機(jī)研究巖土工程問(wèn)題則始于2 0 世紀(jì)3 0 年代初，即在美國(guó)和前蘇 聯(lián)土工離心模型試驗(yàn)這一概念重新被提出，并開(kāi)展了試驗(yàn)工作。首次離心模型試 驗(yàn)由美國(guó)的eb u e k y 子1 9 3 1 年在哥倫比亞大學(xué)完成，他對(duì)礦山工程地下巷道頂 板完整性進(jìn)行了分析，并于1 9 4 0 年將離心模型試驗(yàn)引入光測(cè)彈性力學(xué)。隨后， 前蘇聯(lián)學(xué)者p o k r o v k i i 和f i o d o r o v 于1 9 3 2 年提出用離心力作為慣性力模擬土工 建筑物，他們?cè)谀箍扑O(shè)計(jì)院首次用離心機(jī)研究了土工建筑物的穩(wěn)定，并且 繼續(xù)發(fā)展土工離心模型試驗(yàn)，在理論上也有相當(dāng)建樹(shù)。 6 0 年代末是土工離心模型試驗(yàn)發(fā)展新時(shí)期的開(kāi)始，日本、英國(guó)等國(guó)家采用 先進(jìn)的技術(shù)建造了專(zhuān)門(mén)用于土工模型試驗(yàn)的離心機(jī)。1 9 6 5 年，日本大阪大學(xué)的 三笠教授開(kāi)始用土工離心機(jī)研究軟土固結(jié)問(wèn)題。隨后在日本分別建成多臺(tái)容量不 等的離心機(jī)，開(kāi)展多種研究工作。在英國(guó)，1 9 6 9 年s c h o f i e l d 在曼徹斯特理工大 學(xué)設(shè)計(jì)并建成一臺(tái)大型土工離心機(jī)。隨后曼徹斯特大學(xué)和劍橋大學(xué)分別于1 9 7 1 、 1 9 7 3 年建成大型土工離心機(jī)。7 0 年代在英國(guó)形成了上述三個(gè)土工離心模型試驗(yàn) 中心，對(duì)北海石油平臺(tái)的建設(shè)起了很大的作用。他們的工作對(duì)歐洲和美國(guó)產(chǎn)生了 重大的影響，并在一定程度上對(duì)世界范圍內(nèi)土工離心模型試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展起了推 動(dòng)作用。 到了8 0 年代，土工離心模型試驗(yàn)又有進(jìn)一步發(fā)展，其數(shù)量和容量以及技術(shù) 和應(yīng)用領(lǐng)域都有了極迅速的發(fā)展，成為巖土力學(xué)的新的學(xué)科前沿和焦點(diǎn)。僅8 0 年代后期就建成容量1 0 0 9 t 以上的土工離心機(jī)1 0 臺(tái)，例如在科羅拉多大學(xué)建有 4 0 0 9 - t 的大型土工離心機(jī)。加州大學(xué)d a v i s 分校則建有世界上最大的土工離心機(jī) 之一，該離心機(jī)旋轉(zhuǎn)半徑達(dá)到9 1 4 m ，是美國(guó)國(guó)家離心機(jī)。1 9 8 1 年國(guó)際土力學(xué)及 建筑機(jī)械開(kāi)挖溝榴的穩(wěn)定性研究 基礎(chǔ)工程學(xué)會(huì)成立了離心試驗(yàn)技術(shù)委員會(huì)，并先后在1 9 8 4 、1 9 8 8 、1 9 9 1 、1 9 9 4 、 1 9 9 8 、2 0 0 2 及2 0 0 6 年組織召開(kāi)了一系列離心模型試驗(yàn)技術(shù)方面的國(guó)際會(huì)議。土 工離心模型試驗(yàn)的作用，正如黃文熙( 院士) 指出：“土工離心模型試驗(yàn)已成為 驗(yàn)證計(jì)算方法和解決土工問(wèn)題的一種強(qiáng)有力手段”，是“土工模型發(fā)展的里程碑”。 八十年代我國(guó)對(duì)土工離心模型試驗(yàn)給予了充分的重視。從1 9 8 3 年到現(xiàn)在， 我國(guó)已建和再建的土工離心機(jī)近十臺(tái)。其中，于1 9 9 1 年投入運(yùn)行的中國(guó)水利水 電科學(xué)研究院和南京水利科學(xué)研究院的4 5 0 9 - t 和4 0 0 9 4 的大型離心機(jī)的建成， 標(biāo)志著我國(guó)離，f = l 機(jī)的研制己達(dá)到世界先進(jìn)水平。 2 2 2 土工離心模型試驗(yàn)的發(fā)展趨勢(shì) ( 1 ) 1 9 9 0 年以來(lái)，土工離心機(jī)的數(shù)量、容量、種類(lèi)在世界范圍內(nèi)有繼續(xù)增 長(zhǎng)的趨勢(shì)。從1 9 9 0 年以來(lái)，又建成了一批大容量、多功能的大型土工離心機(jī)( 包 括中國(guó)水科院和南京水科院兩臺(tái)) ，其中美國(guó)陸軍工程師團(tuán)水道試驗(yàn)站建置的土 工離心機(jī)，在加速度為1 4 3 9 時(shí)最大有效荷重8 t ，有效半徑6 5 m ，總?cè)萘繛?1 4 4 9 - t ， 它的研究領(lǐng)域包括了海岸，巖土、環(huán)境、結(jié)構(gòu)，水利等工程和軍事領(lǐng)域。中、小 型土工離心機(jī)向標(biāo)準(zhǔn)化和普及化方向發(fā)展。此外，鼓式離心機(jī)近年來(lái)日益多功能 化，預(yù)計(jì)在未來(lái)將有顯著發(fā)展。 ( 2 ) 模擬技術(shù)、測(cè)試儀器和數(shù)采系統(tǒng)發(fā)展極為迅速。土工離心模型能否再 現(xiàn)原型特性，以及能否從試驗(yàn)中取得更多信息和可靠的數(shù)據(jù)，是土工離心模型試 驗(yàn)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵。具體表現(xiàn)在以下四個(gè)方面： ( d 土料的模擬。地基土模型可采用原狀試樣，但小尺寸的原狀試樣在離心 試驗(yàn)中往往不能代表整個(gè)地基剖面的物理力學(xué)性質(zhì)，再加上原狀樣中存在的宏觀 組構(gòu)，如結(jié)構(gòu)、裂隙、夾層等在模型中不能按比例縮小，因此另一發(fā)展趨勢(shì)是根 據(jù)原位測(cè)試和室內(nèi)原狀樣試驗(yàn)結(jié)果，重塑具有代表性的土樣( 濮家騮，1 9 9 6 ；白 冰等，2 0 0 1 ) ，但模擬土的結(jié)構(gòu)性及固化膠結(jié)效應(yīng)仍是當(dāng)前的一大技術(shù)難題，其 中通過(guò)提高固結(jié)的溫度制備結(jié)構(gòu)性土是其思路之一。如何模擬堆石料是土料模擬 中的一大難題，以往采用的準(zhǔn)相似級(jí)配法，力學(xué)指標(biāo)相似法等方法，有待進(jìn)一步 驗(yàn)證和發(fā)展。為了避免砂土模擬中的尺寸效應(yīng)，僅限制基礎(chǔ)尺寸與砂顆粒粒徑的 比值，對(duì)研究剪切帶等問(wèn)題是不夠的，可能有必要進(jìn)一步限制剪切帶寬度與砂土 9 建筑機(jī)械開(kāi)挖溝槽的穩(wěn)定性研究 粒徑的比值。 巖土工程施工、運(yùn)行過(guò)程的模擬。巖土工程的性狀在很大程度上與施工、 運(yùn)行過(guò)程有關(guān)，就是由于諸如入樁方式、開(kāi)挖順序、分層填筑、受荷水位變化等 因素將直接影響土體的應(yīng)力歷史、應(yīng)力水平和應(yīng)力路徑。所以，施工過(guò)程的模擬 是提高離心模型試驗(yàn)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵技術(shù)，也是預(yù)測(cè)旌工安全的重要措施之一( 濮 家騮，1 9 9 6 ) 。如利用機(jī)載機(jī)器人在離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中將模型樁插入砂中模擬入 樁過(guò)程，模擬基坑開(kāi)挖( s b t a m r a k a re ta 1 2 0 0 5 ) 等已經(jīng)在具體試驗(yàn)中得到了 應(yīng)用，并取得了良好的試驗(yàn)成果。但這些設(shè)備大都僅能在低g 值情況下運(yùn)行，而 且這些設(shè)備在使用過(guò)程中如何控制其施工精度，最大限度地接近原型的施工過(guò) 程，而且在施工過(guò)程中如何減小和分析科氏加速度的影響，仍是目前有待解決的 問(wèn)題。目前在運(yùn)行中對(duì)單樁和群樁的入樁、地基自動(dòng)分層開(kāi)挖、盾構(gòu)法隧洞施工、 砂土拋填等方面都取得了明顯的進(jìn)展，但還缺乏在離心機(jī)運(yùn)行中防滲土料的分層 填筑碾壓等模擬技術(shù)。 大型巖土工程的土工離心模擬。一些大型工程由于尺寸太大，以致無(wú)法 在已有離心機(jī)上作整體模擬；為此可采用針對(duì)具體研究對(duì)象選取局部模型；或用 一系列小比尺模型試驗(yàn)結(jié)果外延；或用幾何與加速度比尺不同的模型的方法進(jìn)行 試驗(yàn)。局部模型的邊界條件與原型的相似性，以及幾何與力學(xué)比尺不同的試驗(yàn)的 相似理論和等效材料的研制等，正在作進(jìn)一步的探討和驗(yàn)證( 濮家騮，1 9 9 6 ) 。 測(cè)試儀器和數(shù)采系統(tǒng)。近年來(lái)，非接觸的激光位移計(jì)( 精度可達(dá)2 i t m ) 可同時(shí)量測(cè)法向，切向力的土壓力傳感器和非接觸的光纖滑環(huán)、無(wú)線(xiàn)電地區(qū)網(wǎng)絡(luò) ( l a n s ) 已在土工離心模型試驗(yàn)中應(yīng)用。隨著有關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，測(cè)試儀 器數(shù)采系統(tǒng)將從土工離心模型中獲得更多的信息和可靠的數(shù)據(jù)。 ( 3 ) 動(dòng)力土工離心模型試驗(yàn)將繼續(xù)占有重要地位。地震工程缺少高質(zhì)量的 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料，同時(shí)對(duì)一些諸如液化引起的永久變形的機(jī)理不甚了解，動(dòng)力土工 離心模型試驗(yàn)提供了一個(gè)解決上述問(wèn)題的可靠途徑。該領(lǐng)域的模擬技術(shù)已取得了 系統(tǒng)的進(jìn)展，如采用粘滯系數(shù)大的液體替代水來(lái)解決慣性和固結(jié)耦合的時(shí)間比尺 問(wèn)題：研制了電液伺服等激振裝置，實(shí)現(xiàn)了高頻率、高加速度和高峰值動(dòng)力的輸 入；開(kāi)發(fā)了剛性邊壁吸波的模型箱和等效剪切梁式迭環(huán)模型箱，減少了模型應(yīng)力 0 建筑機(jī)械開(kāi)挖溝槽的穩(wěn)定性研究 場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和地震波的失真。這些技術(shù)都已綜合地應(yīng)用“液化分析方法的離心實(shí) 驗(yàn)驗(yàn)證”( u e l a c s ) 項(xiàng)目中。該項(xiàng)目于1 9 8 9 年到1 9 9 3 年耗資數(shù)百萬(wàn)美元，用美、 英七所大學(xué)進(jìn)行不同剖面的振動(dòng)土工離心模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)已有的預(yù)測(cè)液化的模 型和程序進(jìn)行了檢驗(yàn)，算得上是土動(dòng)力學(xué)本構(gòu)關(guān)系驗(yàn)證工作的里程碑。 ( 4 ) 環(huán)境工程、凍土工程、巖石工程及軍事領(lǐng)域離心模型試驗(yàn)將得到廣泛 應(yīng)用。在固體廢料處理時(shí)，要研究污染物在舫滲層和非飽和土層遷移轉(zhuǎn)化的規(guī)律， 而土體中水流、電流、化學(xué)物質(zhì)和熱流的遷移是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的各種梯度作用交 叉影響的耦合流動(dòng)問(wèn)題。在離心機(jī)中模擬污染物遷移過(guò)程，不僅可顯著地縮短時(shí) 間，模擬由重力引起的熱對(duì)流、毛細(xì)現(xiàn)象等，并能模擬邊晃可控制的二維、三維 問(wèn)題以及利用改變離心加速度從而改變有效瑞利數(shù)r 。的方法，進(jìn)行熱和污染物 耦合遷移問(wèn)題機(jī)理的研究。目前己進(jìn)行了一定數(shù)量的環(huán)境工程離心模型試驗(yàn)。凍 土工程離心模型試驗(yàn)?zāi)壳罢谄鸩?，已?duì)凍土蠕變、管道凍脹融沉問(wèn)題進(jìn)行了離 心試驗(yàn)，并研制了離心機(jī)運(yùn)行中的制冷裝置和專(zhuān)用模型箱。針對(duì)凍土離心試驗(yàn)存 在不同長(zhǎng)度比尺和時(shí)間比尺耦合問(wèn)題，其模擬技術(shù)尚需開(kāi)發(fā)?？紤]到凍土地區(qū)占 陸地面積的1 5 ，以及人工地層凍結(jié)法加固地基的推廣應(yīng)用，凍土離心模型試驗(yàn) 將有廣闊的發(fā)展前景。巖石工程離心模型試驗(yàn)得到了廣泛的應(yīng)用，國(guó)外曾用帶有 節(jié)理的人工等效材料對(duì)礦坑支護(hù)錨固問(wèn)題進(jìn)行了試驗(yàn)，我國(guó)近年來(lái)對(duì)大型巖石工 程中的開(kāi)挖、邊坡穩(wěn)定、傾倒等問(wèn)題進(jìn)行了大量離心模型試驗(yàn)，對(duì)機(jī)理研究、數(shù) 學(xué)模型建立和實(shí)際巖石工程項(xiàng)目的論證等發(fā)揮了重要作用。同時(shí)尚需對(duì)巖石工程 離心試驗(yàn)的模擬理論和模擬技術(shù)作進(jìn)一步研究。至于土工離心機(jī)在至事領(lǐng)域的應(yīng) 用，隨著軍事預(yù)算的減少和迫于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)污染環(huán)境受到的壓力，將有所增加。 展望未來(lái)，隨著工離心模型試驗(yàn)設(shè)備的迅速發(fā)展和普及，模擬技術(shù)的提高 和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，必將對(duì)巖土工程的理論、分析、工程技術(shù)的發(fā)展發(fā)揮更大的 作用。 2 3 土工離心模型試驗(yàn)的原理 2 3 1離心模型試驗(yàn)的相似比尺 離心模型試驗(yàn)中的各項(xiàng)參數(shù)應(yīng)與原型有一定的相似關(guān)系，才能保證模型反映 原型的性狀。這種相似關(guān)系稱(chēng)為比尺關(guān)系。比尺關(guān)系，可由控制物理現(xiàn)象的微分 l j 建筑機(jī)械開(kāi)挖溝榴的穩(wěn)定性研究 方程或量綱分析推導(dǎo)出來(lái)。用模型來(lái)模擬原型，就是使模型與原型有相同的力學(xué) 表現(xiàn)。 如用上標(biāo)p 表示原型，m 表示模型，則模型與原型的力學(xué)平衡方程為 原型仃，+ p 9 ( 彰一考，”) = 0 ( 2 - 1 ) 模型a ，m 。+ p “( 曠一號(hào)，卅) = o ( 2 - 2 ) 式中，為應(yīng)力：p 為單位質(zhì)量；舒為場(chǎng)加速度( 重力加速度) ；f 為位移。對(duì)任 一物理變量工，q 可以是以p ，g 及1 等) ，定義其模型值與原型值之比為 亍一x m 3 一，p ( 2 3 ) 把式( 2 2 ) 代入式( 2 1 ) ，得 虧- o p 。- r p p ，( 季7 彰一手丁- - 2 亭) = o ( 2 - - 4 ) 式( 2 4 ) 是通過(guò)模型方程得到的原型方程，如果模型與原型有相同力學(xué)表 現(xiàn)，或者說(shuō)要用模型模擬原型的話(huà)，式( 2 - - 4 ) 與式( 2 1 ) 相同，事實(shí)上，式( 2 - 4 ) 與式( 2 1 ) 相同的條件就是模型相似的條件 i = p 一季- ， ( 2 - 5 ) i f 4 = 萬(wàn)號(hào)， ( 2 - 6 ) 對(duì)于線(xiàn)彈性問(wèn)題來(lái)說(shuō)，只要合理設(shè)計(jì)模型，使其滿(mǎn)足式( 2 5 ) 和( 2 6 ) 的 條件，就可以實(shí)現(xiàn)用模型模擬原型的目的，并無(wú)特別的限制條件。而在巖土工程 中，土的力學(xué)特性呈彈塑性和非線(xiàn)性，且取決于應(yīng)力水平，即不同的應(yīng)力水平條 件下土體的力學(xué)特性不同( 李廣信，2 0 0 4 ) 。因此，滿(mǎn)足i = 1 ，即模型應(yīng)力水平 與原型應(yīng)力水平相等，是巖土力學(xué)模型試驗(yàn)的基本要求，也是離心模型試驗(yàn)方法 的特點(diǎn)。 式( 2 5 ) 中，如果選用原狀土制模，即可實(shí)現(xiàn)萬(wàn)= 1 ，再選取如下的條件 季，= l ( 2 7 ) 即可實(shí)現(xiàn)i = 1 的目標(biāo)。在離心模型試驗(yàn)中我們可以這樣選擇試驗(yàn)條件： 蠶引 ；f = ，胛為模型比尺，即把模型的幾何尺寸縮小到原型的1 ，把模型 的場(chǎng)加速度( 離心加速度) 增大到重力加速度( 1 9 = 9 8 1 m s 2 ) 的行倍，就可得到 1 2 建筑機(jī)械開(kāi)挖溝榴的穩(wěn)定性研究 虧= l ，也就確保了模型的每一點(diǎn)應(yīng)力與原型相同，從而實(shí)現(xiàn)用模型表現(xiàn)原型的 耳的。 多年來(lái)，一些學(xué)者如b u c k y ( 1 9 3 1 ) 、p o k r o v s k i i ( 1 9 3 4 ) 、h u b e r t ( 1 9 3 7 ) 、 s c h o f i c l d ( 1 9 7 6 ) 及o v e s e n ( 1 9 7 9 ) 等都曾反復(fù)討論了離心模擬原理。s c h o f i e l d 對(duì)土工離心模型試驗(yàn)中所遵循的兩個(gè)最重要的原理作了簡(jiǎn)要的概括： ( 1 ) 為了在小比例模型中相應(yīng)點(diǎn)產(chǎn)生與原型相同的應(yīng)力，模型重量必須以 模型尺寸對(duì)原型減小的比例增加。 ( 2 ) 由于原型所有應(yīng)力在模型上確切再現(xiàn)，模型比原型小投倍，因此水力 坡降為原型的”倍，加之滲透路徑縮短n 倍，所以模型中滲透過(guò)程發(fā)生的相對(duì)速 率為原型的，1 2 倍。 表2 - 1離心模型試驗(yàn)中常見(jiàn)參數(shù)的比尺關(guān)系 模型模型 內(nèi) 內(nèi) 與原與原 容容 物理量量綱型的物理量量綱 型的 分分 比尺比尺 類(lèi)類(lèi) 關(guān)系關(guān)系 幾長(zhǎng)度 l1 ：h速度l t 11 ：1 何面積l 21 ：p 2外加速度u 2 ；1 量體積p1 ：? 3部 集中力 m l l 廣21 ：? 2 含水量l ：1條均布荷載m l = i r 2l ：i 密度m l 41 ： 件 能鷲、力矩m l 2 q - 21 ： 容重m l - 2 f以：1頻率 丁l n ：1 材 不排水強(qiáng)度、粘聚力ml 。t o 1 ：l應(yīng)力 m l o t 。l ：1 料內(nèi)摩擦角 l ：1應(yīng)變 l ：1 性 性變形系數(shù) m l 。i - 2l ：】位移ll ：盯 狀 質(zhì) 抗彎剮度 m l 3 r 1 ：? 4 時(shí)間： 反 抗壓剛度 m l l “1 ：f 2 慣性( 動(dòng)態(tài)過(guò)程) 1 ：h 應(yīng)t 滲透系數(shù) l ，r l門(mén)：1 滲流、固結(jié)或擴(kuò)散 1 ：”2 質(zhì)量ml ：礦蠕變、粘滯流 l ：1 建筑機(jī)械開(kāi)挖溝榴的穩(wěn)定性研究 f u g l s a n g 和o v e s e n ( 1 9 8 8 ) 根據(jù)土工離心模型試驗(yàn)的需要，己總結(jié)了若干 工程問(wèn)題中常見(jiàn)參數(shù)的比尺關(guān)系，見(jiàn)表2 1 。該表基于模型采用與原型相同的材 料，模型長(zhǎng)度為原型長(zhǎng)度的1 n 和模型承受放大 倍的加速度作用。 土工離心模型試驗(yàn)中，顆粒尺寸不滿(mǎn)足相似關(guān)系，會(huì)導(dǎo)致尺寸效應(yīng)產(chǎn)生的誤 差。但對(duì)于粘土或砂土，一般在分析中可按連續(xù)體考慮，顆粒尺寸影響不大。相 反，對(duì)于不能按連續(xù)體對(duì)待的情況，例如砂礫在水中沉積等課題，則會(huì)帶來(lái)一定