離心模型試驗(yàn)在應(yīng)力場中的應(yīng)用

離心模型試驗(yàn)在應(yīng)力場中的應(yīng)用

1沉降變形能力在西部地區(qū)，尤其是西南許多地區(qū)的山區(qū)，有許多由中生界黑紫色碎屑巖（粗粒土）組成的混合土石材料。其主要原因是滑動沉積、傾斜滑動滑動滑動滑動滑動的殘留物或人工成因的。這是填埋的良好材料。隨著我國高速公路建設(shè)的發(fā)展,公路路堤的沉降變形問題是設(shè)計、施工單位非常關(guān)心的重點(diǎn)問題之一。因此,本文結(jié)合承擔(dān)的西部交通建設(shè)科技項目之子項目“土石混合料路用性能分級及質(zhì)量評價技術(shù)”的研究,利用四川大學(xué)巖土實(shí)驗(yàn)室的大型離心機(jī),采用離心模型試驗(yàn)來研究在不同設(shè)計干密度和含水量條件下路堤的沉降變形特征。2提高模型的改性在許多工程學(xué)科中,常需要小比例尺的物理模型去解釋和分析現(xiàn)象的本質(zhì)和機(jī)理,以驗(yàn)證理論和解決工程實(shí)踐問題。但在巖土工程中士自重引起的應(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)遠(yuǎn)低于原型,因而不能再現(xiàn)原型原有的特性,解決這一問題的唯一途徑是提高模型的自重,使它與原型等效。土工離心模型試驗(yàn)是將模型置于特制的離心機(jī)中使1/n縮尺的模型在ng離心加速度的空間進(jìn)行試驗(yàn),由于慣性力與重力絕對等效,且不會改變材料工程性質(zhì),從而使模型與原型的應(yīng)力、應(yīng)變相等,變形相似,破壞機(jī)理相同,能再現(xiàn)原型特性。2.1模型與原型的計算離心模型試驗(yàn)就是用離心機(jī)產(chǎn)生離心力場,提高模型土體的體積力,形成人工重力,以此來提高模型的重力,使模型重力達(dá)到與原型重力一致。比如原形和模型幾何尺寸比為n,原型的密度rp=Pg;式中:P——土體質(zhì)量,g——重力加速度,模型的密度為P(g+i)=Pa,式中:i——離心加速度,a——總加速度向量。若hp——原型深度,hm——離心模型中該點(diǎn)深度,如果要使模型和原型的應(yīng)力條件相一致,即σm=σpP·a·hm=P·g·hpa=(hp/hm)·g=ng利用離心機(jī)產(chǎn)生n倍重力加速度,就可達(dá)到模型和原型二者的重力完全相等以保持力學(xué)特性的相似性。表1列出常用物理量的相似常熟及其量綱。2.2離心模型試驗(yàn)本次試驗(yàn)采用的試驗(yàn)設(shè)備為四川大學(xué)巖土省級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的離心機(jī)試驗(yàn)設(shè)備,離心機(jī)轉(zhuǎn)動R1.5m,能提供的最大離心加速度約200g。該設(shè)備對國內(nèi)許多工程(如地基與基礎(chǔ)、邊坡穩(wěn)定性、土石壩、機(jī)場高填方等)進(jìn)行了離心模型試驗(yàn)研究,取得了良好的工程效果。與該離心機(jī)相配套的模型箱基本尺寸如下:b為47.7cm,d為29.7cm,h為31.3cm。路堤沉降變形與環(huán)境因素(尤其是地下水活動狀況)有密切聯(lián)系,考慮到實(shí)際工程中,路堤中地下水侵潤線埋藏較深。為了保持與原型條件一致,試驗(yàn)時模型沒有考慮地下水的作用。而模型的沉降變形則通過試驗(yàn)前后所布設(shè)的監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)變化來反映。3模型建立與參數(shù)為了盡可能地反映公路路堤填筑體的幾何尺寸,同時便于離心模型制樣,且使問題具有一定的代表性,公路路堤原型和離心模型試驗(yàn)采用了如圖4、5所示的對稱模型斷面。離心模型試驗(yàn)中需要的幾何物理參數(shù):試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭匦淖鴺?biāo)x=23.193cm、y=11.975cm。土樣原狀樣取自渝-黔路,為無粘性土石混合料,三軸試驗(yàn)試樣的級配見表2。試樣設(shè)計含水量和干密度參照黔渝路擊實(shí)曲線成果(見圖2),顆分根據(jù)模型尺寸要求,結(jié)合三軸試驗(yàn)的顆分基本資料,按照相似原理匹配原則等比例縮小,具體的顆分見表3。4干密度、含水量試驗(yàn)為了研究公路路堤填筑體在不同干密度和含水量條件下的沉降變形特征,以及沉降變形與填筑體的干密度和含水量之間的關(guān)系,我們共進(jìn)行了5組離心模型試驗(yàn)。為保證試驗(yàn)成果具有可比性,在進(jìn)行不同干密度、含水量條件下的離心模型試驗(yàn)時,原狀樣顆分曲線按照相似性原理等比例縮小,縮小倍率與試驗(yàn)?zāi)Ｐ吐室恢?。干密度、含水量的設(shè)計依據(jù)參照圖2擊實(shí)曲線成果。試樣配制時以圖2的擊實(shí)曲線為依據(jù),按照壓實(shí)度控制在0.90的原則配樣,得到試樣試驗(yàn)時的實(shí)際指標(biāo)如表4。試驗(yàn)時分六層夯實(shí),每層高度分別為3.48cm,5.00cm,5.00cm,5.00cm,5.00cm,2.00cm。5試驗(yàn)環(huán)境條件分析1#試樣試驗(yàn)后描述:(1)模型最大沉降點(diǎn)位于頂部對稱面中部,最大沉降位移為2.5mm;(2)監(jiān)測斷面上,總體趨勢是上部沉降位移大,向下逐漸減小。但是監(jiān)測斷面上的最大沉降位移(0.4mm)遠(yuǎn)小于模型的最大沉降位移(2.5mm),分析試驗(yàn)環(huán)境條件,可能是由于模型周邊與模型箱邊界的接觸摩擦效應(yīng)所致;(3)監(jiān)測斷面上,位于模型的第4層部位的坡體表部(對應(yīng)高度約16.0cm)有明顯的水平向外位移趨勢。2#試樣試驗(yàn)后描述:(1)模型頂部對稱面中心點(diǎn)附近總體下沉量2.8mm;(2)監(jiān)測斷面上,總體趨勢是上部沉降位移大,向下逐漸減小,但是監(jiān)測斷面上的最大沉降位移(0.4mm)遠(yuǎn)小于模型的最大沉降位移(2.8mm),分析試驗(yàn)環(huán)境條件,可能是由于模型周邊與模型箱邊界的接觸摩擦效應(yīng)所致;(3)監(jiān)測斷面上,位于模型的第4層附近的坡體表部(對應(yīng)高度約13.5cm)有明顯的水平向外位移趨勢。3#試樣試驗(yàn)后描述:(1)模型頂部對稱面中心點(diǎn)附近總體下沉量5.2mm;(2)監(jiān)測斷面上,總體趨勢是上部沉降位移大,向下逐漸減小,但是監(jiān)測斷面上的最大沉降位移(0.6mm)遠(yuǎn)小于模型的最大沉降位移(5.2mm),分析試驗(yàn)環(huán)境條件,可能是由于模型周邊與模型箱邊界的接觸摩擦效應(yīng)所致;(3)監(jiān)測斷面上,位于模型的第4層附近的坡體表部(對應(yīng)高度約13.5cm)有明顯的水平向外位移趨勢。4#試樣試驗(yàn)后描述:(1)模型頂部對稱面中心點(diǎn)附近總體下沉量9.4mm;(2)監(jiān)測斷面上,總體趨勢是上部沉降位移大,向下逐漸減小,但是監(jiān)測斷面上的最大沉降位移(1.5mm)遠(yuǎn)小于模型的最大沉降位移(9.4mm),分析試驗(yàn)環(huán)境條件,可能是由于模型周邊與模型箱邊界的接觸摩擦效應(yīng)所致;(3)監(jiān)測斷面上,位于模型的第4層下側(cè)附近的坡體表部(對應(yīng)高度約11.0cm)有明顯的水平向外位移趨勢。5#試樣試驗(yàn)后描述:(1)模型頂部對稱面中心點(diǎn)附近總體下沉量16.3mm。由于該試驗(yàn)配制的干密度較低、含水量較高,相應(yīng)的土體力學(xué)性質(zhì)較差,使得模型整體沉降趨勢較前面幾個模型顯著;(2)監(jiān)測斷面上,總體趨勢是上部沉降位移大,向下逐漸減小,但是監(jiān)測斷面上的最大沉降位移(4.6mm)遠(yuǎn)小于模型的最大沉降位移(16.3mm),分析試驗(yàn)環(huán)境條件,可能是由于模型周邊與模型箱邊界的接觸摩擦效應(yīng)所致;(3)監(jiān)測斷面上,位于模型的第4層下側(cè)附近的坡體表部(對應(yīng)高度約11.0cm)有明顯的水平向外位移趨勢。6路堤和斜坡表部沉降變形(1)由圖3可知,對于路堤中心線,不同干密度、含水量條件下的垂直位移(沉降)的總體趨勢均隨深度增加而遞減,這種變形特征與按不分層整體一次性填筑路堤的有限元計算位移分布特征保持一致。且路堤中心線沉降變形總體隨填筑體的干密度降低而遞增。由于填筑體的干密度降低,相應(yīng)孔隙比增加,使得填筑體的結(jié)構(gòu)逐漸疏松,相應(yīng)地,在離心力作用下對應(yīng)的沉降變形越顯著。(2)由圖4可知,對于路堤頂部,從路肩向路堤中心線方向,沉降變形總體趨勢是逐漸增大,且以路堤中心線位置附近的沉降量值最大,亦即,路堤中心線位置的沉降變形總體趨勢是較路肩兩側(cè)更為顯著。同樣,路堤頂部的沉降變形也隨干密度的降低而增大。(左側(cè)為路堤中心線位置,右側(cè)為路肩位置)(左側(cè)為路堤中心線位置,右側(cè)為坡腳位置)(3)由圖5可知,對于路堤及斜坡表部,產(chǎn)生水平位移最大值的部位主要位于路堤斜坡的1/2～1/3高度附近。同樣,路堤及斜坡表部的水平位移也隨干密度的降低而增大。(