土工離心機(jī)振動臺及其試驗技術(shù)

1、 作者簡介 高級工程師 主要從事巖土工程 土工離心模擬試驗研究土工離心機(jī)振動臺及其試驗技術(shù)侯瑜京巖土工程研究所 北京摘要 為此中國水利水電科學(xué)研究院計劃在現(xiàn)有 大型土工離心機(jī)基礎(chǔ)上 本文分析了部分國外離心機(jī)振動臺的主要特點(diǎn)和研究同時介紹了動力離心模型試驗所關(guān)鍵詞 土工離心機(jī) 土工離心機(jī)通過采用高速旋轉(zhuǎn)增加模型重力的方法 目前土工離心機(jī)的用途已十國際上自世紀(jì)年代以來建造了約特別是在地震多 發(fā)國家如日本 已經(jīng)建設(shè)了由于人們對于自然災(zāi)害和環(huán)境的關(guān)注 其計算結(jié)果受計算參數(shù)和本構(gòu)數(shù) 測資料并用于驗證數(shù)值分析結(jié)果 因此土析方法的同時 本文分水利水電科學(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

2、數(shù) 其各項技術(shù)指標(biāo)與國 文中同時簡要介紹了動力離心模型試驗常用的附屬實(shí)驗 美國和英國的 個離參加研究的單位有試 驗針對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 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只要振動裝置能夠產(chǎn)生符合要求的地震輸入和比較了以下動力分析程序 和 程序 間接耦合動力反應(yīng)程序 和年 月 日在美國山區(qū)發(fā)生了里氏 土石壩事先在壩趾和壩頂埋設(shè)安裝加速 該壩高 壩頂?shù)淖畲笏郊铀?度達(dá)到 離 心機(jī)對采用接近近年來日本在土工離心機(jī)及振動設(shè)備的制造和研究領(lǐng)域更為活躍 先后建造了大林組株式會社土 等人曾日本 等人還研究了傾斜地面由于地震液 日本東 由于

3、日本的離 心機(jī)振動臺較多香港科技大學(xué)于利用該離心機(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) 利用該雙向振動臺 清華大學(xué)于 小型離心機(jī)上研制安裝一 同濟(jì)大學(xué)也正在該校新建的 離心機(jī)上安裝一臺振動臺離心機(jī)振動臺主要類型及特點(diǎn)如果模型比尺原型 離心機(jī)加速度須達(dá)到 的模型負(fù)載將會相當(dāng)于原型根據(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加速度為原型的由劍橋大學(xué)的 由液壓裝置觸發(fā)振動 在模型最大加速度為動頻率取決于彈簧剛度和模型的質(zhì)量 難以滿足特定的震動要 這一裝置實(shí)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)以增加高頻的法國連接 當(dāng)藥室發(fā)生一系列微差爆炸

4、時其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)造價低其缺點(diǎn)于 等人在 波形軌道安裝在離心 機(jī)主機(jī)室的側(cè)壁 占整個側(cè)壁的使用這種裝置可以在離心機(jī)加速度和 其缺點(diǎn)是波形噪音大 振動頻率取決于離心利用壓電陶瓷極化后 這一概念 和 此后由 等于 年在加州大學(xué) 其優(yōu)點(diǎn)是體積較小 容易采用數(shù)字化準(zhǔn)確控制振 耗電量較大 另外難以日本 于 年介紹了用感應(yīng)繞阻產(chǎn)生磁場 該方法可日本清水公司的離心機(jī)振動臺采用 最大振動加速度為波形 具有較大的靈活性系統(tǒng)的關(guān)鍵部位是其高壓儲油器在瞬間釋放油壓 表 部分電液振動系統(tǒng)參數(shù)單位動力模型試驗離 最大振動 最大振動頻率最大負(fù)載備注美國加州理工學(xué)院美國科羅拉多大學(xué)日本大林組技術(shù)研究所日本清水公司日本大成公司日

5、本東京工業(yè)大學(xué)日本東京工業(yè)大學(xué)日本土木研究所日本港灣研究所日本東京大學(xué)防災(zāi)研究院香港科技大學(xué)南京水電科學(xué)研究院清華大學(xué)中國水利水電科學(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)中國水利水電科學(xué)研究院于 年建成的大型土工離心模擬試驗機(jī) 其有效負(fù)載為為了取得可靠的地震模擬試驗結(jié)果 振動臺需要 滿足以下要求振動波形應(yīng)具有可重復(fù)性 地面上輸入及輸出最大振動誤 差應(yīng)小于 振幅誤差應(yīng)小于表表 中國水利水電科學(xué)研究院離心機(jī)動力設(shè)備參數(shù)注 圖 支承在底座上 而且能相對于 底座產(chǎn)生可以控制的水平或垂直振動 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

6、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 該方法的 另一優(yōu)點(diǎn)是不需要液壓環(huán) 該振動臺布置在重新設(shè)計的配重 目前該大型 動力離心模型試驗附屬設(shè)備及試驗技術(shù) 模型設(shè)計與模型箱為了能夠模擬在地震方向無限延伸的地層和 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 模型箱的內(nèi)部尺寸模型箱除了各種柔性 同時還要考慮模型制作 為了減少側(cè)壁為固定式的模 側(cè)壁吸 土工離心機(jī)振動臺及其試驗技術(shù) 侯瑜京 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 等人設(shè)計 香港科技大學(xué)采用的層狀模型箱可用于 采用層狀的側(cè)壁結(jié)構(gòu)

7、每一薄層之間采用滾球或滾棒搭接 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 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 美國加州大學(xué) 離 心機(jī)動力模型試驗?zāi)Ｐ拖?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 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 ? 離心機(jī)加速度 而水在土體中的滲流時間比尺為原型的 ? 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

8、改變土的基本性質(zhì) 尤其不適合細(xì)粒土 實(shí)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 但使用硅油的最大缺點(diǎn)是增加的黏滯性有限 使用后設(shè)備難以清理 造 不會明顯影響土的力學(xué)性質(zhì) 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 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 其可以用更小的摻量達(dá)到液體黏滯性要求 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 的 粉末 即可使水在常溫下的粘稠度增大約 倍 離心機(jī)振

9、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 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 壓力降至 和 曾提出一種超低壓砂土飽和法 可將 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(yùn)動 因此 必須確保支架與滑臺同步振動 激光位

10、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?？梢杂行У赜^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 個垂直 方向分別布置 個加速度傳感器 以便真實(shí)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 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

11、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 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 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 結(jié)語 一些發(fā)達(dá)國家的研究經(jīng)驗表明 土工離心機(jī)振動臺是研究土工抗震或振動

12、問題的最先進(jìn)有效的技 術(shù)手段 因此近 年來在這一領(lǐng)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 目前籌建的大型水平 中國水利水電科學(xué)研究院 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)世界領(lǐng)先水平 而且具有特色 該離心機(jī)振動臺的建設(shè)已引起國內(nèi)外同行的關(guān)注 并將在巖土工程動力模型試驗研究領(lǐng)域發(fā)揮重要作 土工離心機(jī)振動臺及其試驗技術(shù) 侯瑜京 用 中國地震活動頻度高 強(qiáng)度大 震源淺 分布廣 是一個震災(zāi)嚴(yán)重的國家 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(fèi)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 參 考 文 獻(xiàn) 濮家騮 李樹勤 土工離心模型試