一种小比尺、非均质离心模型的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种小比尺、非均质离心模型的制备方法，首先通过数值模拟选择具有相同塑性变形状态的原型边坡的几何缩尺Ns；其次再对几何缩尺后的边坡进行常规重力缩尺n，使之在满足物理量相似比Lpg=(Nsn)Lmg条件时，离心模型和原型边坡具有相同的应力-应变特征；对坡体材料进行物理指标与力学指标的正交试验，获得初始含水率、初始密度与坡体材料抗剪强度的关系；通过控制填筑材料的含水率和密度来直接反映坡体材料的抗剪强度，使得离心模型的强度与原型边坡的强度相一致；最后按照物理量相似比逐一确定离心模型尺寸，并制作相应的离心模型。本发明方法具有原理清晰、可操作性强、适用性广、结果可信等优点。
【专利说明】一种小比尺、非均质离心模型的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及岩土工程实验的【技术领域】，尤其是指一种小比尺、非均质离心模型的制备方法。
【背景技术】
[0002]土工离心模型试验是迄今为止相似性最好的研究技术，特别是在反映重力场方面具有突出优点，因而在边坡稳定分析中得到了有效且广泛的应用。但该技术用于超大型尺寸和明显非均质坡体土的库岸边坡时会遭遇两方面的难题:一是由于离心机容量的限制使得边坡不能被完整复制；二是由于边坡土 (岩)体的非均匀使得强度不一致在离心模型中难以直接反映。虽然已有学者进行了研究，但从量化角度明确提出可被复制的此类离心模型的制备方法的报道还是鲜见。
[0003]土工离心模型试验原理是将原型缩尺后利用离心机形成的离心场提高模型的体积力，从而形成人工重力。当原型尺寸与模型尺寸之比为η时，离心机的加速度需达到a^ng，其中g为重力加速度。如果原型结构的尺寸过大，则会出现离心模型的几何尺寸与离心机容量的矛盾，即由于离心试验箱尺寸和离心机加速度容量的限制，使得大型边坡很难直接通过上述重力比尺进行全尺寸模拟。这是目前存在于大型原型结构离心模型试验领域中的最大难题。虽然有少量的研究报道`，但是由于土体材料和实际边坡破坏中的非线性特征，这些模拟方法很少具有普适性和可重复性。所以，要针对大尺寸试验原型进行离心模型试验首先需要发明一种具有很好力学相似的离心模型制备方法，以在满足离心机容量限制的前提下最能代表原型。该方法不仅要有理论支撑和验证，同时要具有可操作性和很好的重复性。
[0004]针对大型边坡进行离心模型试验的另一个难题是坡体材料的非均匀性如何复制的问题，由于不同的土 (岩)层具有不同的强度特性、且对边坡的稳定和变形具有最直接的影响，故在离心试验模型中需要最好的相似性。现有的研究大多采用均匀填筑边坡模型的方法，而某些采用了非均匀填筑方法的模型制备也较多采用经验比拟和对比的方法，缺乏量化控制标准。
[0005]经过广泛查阅有关资料，目前尚未发现能很好解决上述问题的方法，也没有发现与本发明一样的试验成果。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提供一种合理可靠的小比尺、非均质离心模型的制备方法。
[0007]为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为:一种小比尺、非均质离心模型的制备方法，首先，通过数值模拟选择具有相同塑性变形状态的原型边坡的几何缩尺Ns ;其次，再对几何缩尺后的边坡进行常规重力缩尺n，使之在满足物理量相似比Lpg= (Nsn) Lmg条件时，离心模型和原型边坡具有相同的应力-应变特征，其中，Lp为原型尺寸，Lm为离心模型的尺寸；接着，对坡体材料进行物理指标与力学指标的正交试验，获得初始含水率、初始密度与坡体材料抗剪强度的关系；再接着，通过控制填筑材料的含水率和密度来直接反映坡体材料的抗剪强度，使得离心模型的强度与原型边坡的强度相一致，实现坡体材料非均匀性的复制；最后，按照物理量相似比逐一确定离心模型尺寸，并制作相应的离心模型，至此便完成小比尺、非均质离心模型的制作。
[0008]本发明所述小比尺、非均质离心模型的制备方法，包括以下步骤:
[0009]I)采用相同的土 /岩本构关系和模型参数，通过数值模拟选择与原型边坡的等效塑性应变具有最好相似程度的缩尺边坡，即确认具有相同塑性变形状态的几何缩尺Ns ；
[0010]2)对几何缩尺后的边坡进行常规重力缩尺n，在上述缩尺范围内应力-应变关系仍可近似采用线弹性相似理论，从而给出基于小比尺相似原理的主要物理量相似比:Lpg= (Nsn) Lmg ；
[0011]3)针对原型边坡不同区域的土体，进行物理指标与力学指标的正交试验，获得初始含水率、初始密度与坡体材料抗剪强度的关系；
[0012]4)根据正交试验结果确定离心模型各区域的目标填筑物理指标，实现坡体材料非均匀性的复制；
[0013]5)按照物理量相似比逐一确定离心模型尺寸，并制作相应的离心模型，至此便完成小比尺、非均质离心模型的制作。
[0014]在步骤5)中，所述离心模型的制作流程为:备土一制作基岩一制作滑动带一制作坡体。
[0015]本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果:
[0016]1、基于等效力学状态建立几何比尺大于重力比尺的离心模型相似关系，基于物理指标与力学指标的正交试验结果建立土体强度与填筑含水率和干密度的量化经验关系、以通过控制不同区域填筑材料的物理特性直接反映该区域坡体材料的实际强度，上述方法被很好的用于超大型、非均质边坡的离心模型的制备，试验结果验证了制作方法的可行、结果的可信及试验方案的可重复，具有原理清晰、可操作性强、适用性广、结果可信等优点；
[0017]2、可用于一般岩土工程稳定问题，如:边坡、基坑、地基等的离心模型试验，具有很好的市场前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为原型边坡概况图。
[0019]图2为原型边坡的等效塑性应变图。
[0020]图3为与原型等效塑性应变具有最好相似的缩尺后边坡图。
[0021]图4为小比尺、材料非均匀的离心模型设计图。
[0022]图5为离心模型制作流程图。
[0023]图6为离心模型进行离心试验时的实时监控效果。
[0024]图7为天然边坡在水库蓄水至正常水位时的坡脚变形状态图。
[0025]图8为天然边坡在库水位从正常蓄水位降至汛限水位的坡脚滑动状态图。
[0026]图9为坡脚加固后的边坡在试验结束后的状态示意图。【具体实施方式】
[0027]下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0028]本实施例所述的小比尺、非均质离心模型的制备方法，是首先通过数值模拟选择具有相同塑性变形状态的原型边坡的几何缩尺Ns ;其次，再对几何缩尺后的边坡进行常规重力缩尺n，使之在满足物理量相似比Lpg= (Nsn)Lmg条件时，离心模型和原型边坡具有相同的应力-应变特征，其中，Lp为原型尺寸，Lm为离心模型的尺寸；接着，对坡体材料进行物理指标与力学指标的正交试验，获得初始含水率、初始密度与坡体材料抗剪强度的关系；再接着，通过控制填筑材料的含水率和密度来直接反映坡体材料的抗剪强度，使得离心模型的强度与原型边坡的强度相一致，达到分析非均匀边坡稳定和变形的试验目的；最后，按照物理量相似比逐一确定离心模型尺寸，并制作相应的离心模型，至此便完成小比尺、非均质离心模型的制作。下面结合图1至图9，对本发明方法进行具体说明，其具体情况如下:
[0029]如图1所示，图中的边坡具有尺寸大、边坡材料非均匀、强度不一致的特点。
[0030]针对上述边坡尺寸，采用相同的土 (岩)本构关系和模型参数，如图2所示的原型边坡的等效塑性应变，通过数值模拟选择与原型边坡的等效塑性应变具有最好相似程度的缩尺边坡，即确认具有相同塑性变形状态的几何缩尺Ns，图3为所选择的结果。
[0031]对几何缩尺后的边坡进行常规重力缩尺n，在上述缩尺范围内应力-应变关系仍可近似采用线弹性相似理论，从而给出基于小比尺相似原理的主要物理量相似比:Lpg= (Nsn) Lmg,式中各符号意义同前。
[0032]针对原型边坡不同区域的土体，进行物理指标与力学指标的正交试验，获得初始含水率、初始密度与坡体材料抗剪强度的关系，如下表1所示。
[0033]表1正交试验
【权利要求】
1.一种小比尺、非均质离心模型的制备方法，其特征在于:首先，通过数值模拟选择具有相同塑性变形状态的原型边坡的几何缩尺Ns;其次，再对几何缩尺后的边坡进行常规重力缩尺n，使之在满足物理量相似比Lpg= (Nsn) Lmg条件时，离心模型和原型边坡具有相同的应力-应变特征，其中，Lp为原型尺寸，Lm为离心模型的尺寸；接着，对坡体材料进行物理指标与力学指标的正交试验，获得初始含水率、初始密度与坡体材料抗剪强度的关系；再接着，通过控制填筑材料的含水率和密度来直接反映坡体材料的抗剪强度，使得离心模型的强度与原型边坡的强度相一致，实现坡体材料非均匀性的复制；最后，按照物理量相似比逐一确定离心模型尺寸，并制作相应的离心模型，至此便完成小比尺、非均质离心模型的制作。
2.根据权利要求1所述的一种小比尺、非均质离心模型的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)采用相同的土/岩本构关系和模型参数，通过数值模拟选择与原型边坡的等效塑性应变具有最好相似程度的缩尺边坡，即确认具有相同塑性变形状态的几何缩尺Ns ； 2)对几何缩尺后的边坡进行常规重力缩尺n，在上述缩尺范围内应力-应变关系仍可近似采用线弹性相似理论，从而给出基于小比尺相似原理的主要物理量相似比:Lpg= (NsIi)Lmg ; 3)针对原型边坡不同区域的土体，进行物理指标与力学指标的正交试验，获得初始含水率、初始密度与坡体材料抗剪强度的关系； 4)根据正交试验结果确定离心模型各区域的目标填筑物理指标，实现坡体材料非均匀性的复制； 5)按照物理量相似比逐一确定离心模型尺寸，并制作相应的离心模型，至此便完成小比尺、非均质离心模型的制作。
3.根据权利要求2所述的一种小比尺、非均质离心模型的制备方法，其特征在于:在步骤5)中，所述离心模型的制作流程为:备土一制作基岩一制作滑动带一制作坡体。
【文档编号】G01N1/28GK103884552SQ201410079117
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月5日 优先权日:2014年3月5日
【发明者】陈晓平, 黄井武, 罗庆姿, 刘动 申请人:暨南大学