【文章內(nèi)容簡介】 第四章 離心模型試驗在工程上的應用167。在前面的三個章節(jié)之中筆者對土工離心機模型試驗的原理進行了敘述，緊接著有討論了離心機的結(jié)構和類型，并對離心模型試驗的試驗結(jié)果產(chǎn)生的因素進行了研究。通過前面三章的基礎研究后，我們對離心機和土工離心模型試驗將會有一個整體的了解。而本章節(jié)的將會舉幾個特例，通過對他人試驗的分，將會對土工離心模型試驗有一個更好的理解。167。水壩作為截水、擋水和蓄水的建筑物。其一旦發(fā)生破壞，其造成的損失不論是大小水壩都是不小的，危機生命和財產(chǎn)安全。而裂縫對大壩的影響極大，由于裂縫的存在，引起應力集中，裂縫將會擴大，最終會導致水壩的毀壞。而在水庫大壩中，約39%的裂縫問題屬于土石壩，小型水庫土壩裂縫破壞則更多。因此，分析土石壩裂縫的成因、探討其發(fā)生和發(fā)展的機制、研究裂縫的預測方法和防治措施，無疑是土石壩工程中的重要研究課題。工程經(jīng)驗表明，岸坡坡度的突變常常是導致壩體產(chǎn)生橫向裂縫的主要原因之一。張炳印的土石壩橫向裂縫離心模型試驗針對此種情況，以土石壩心墻縱剖面的不均勻沉降變形導致心墻發(fā)生橫向裂縫的現(xiàn)象為研究背景，對不同岸坡坡度發(fā)生轉(zhuǎn)折的情況進行了土工離心機模型試驗。結(jié)合工程中常用的裂縫分析方法對試驗結(jié)果進行了分析，討論了這些分析方法的適用性。本次試驗用到的所采用模型箱的凈空尺寸為60 cm20 cm50 cm。采用混凝土塊來模擬基巖坡度的變化。為了量測試樣在試驗過程中的變形，在模型頂部安裝了多個位移傳感器，用于量測試樣頂部在試驗過程中的變形。為了監(jiān)測壩體裂縫的發(fā)生和發(fā)展過程，分別在試樣的頂部和正前面安裝了攝像系統(tǒng)，可適時觀察并錄制試樣頂部和側(cè)面發(fā)生裂縫的情況。為了真實模擬平面應變的邊界條件以及減少模型箱邊界效應的影響，采用的模型箱在其側(cè)壁上放置2層聚四氟乙烯薄膜，并在薄膜和模型箱以及兩層薄膜之間均勻涂抹具有潤滑作用的硅油，從而使得試樣在加載的過程中能自由向下變形。最后試驗結(jié)果再對土石壩裂縫進行估算，目前估算土石壩裂縫的方法主要有3種：變形傾度法、Leonards法和有限元數(shù)值計算方法。（1）變形傾度法：是由南京水利科學研究院等根據(jù)壩體沉降觀測資料提出的預測壩體裂縫的一種方法。該方法是在同一水平距離?y上設兩個觀測點a、b，通過觀測這兩點在得出其在某一段時間Tj上的累積乘降量Sa、Sb之差，通過Sa、Sb的沉降量之差對a、b兩點間的水平距離?y求導乘以100%得出其計算傾度γ（γ≈tanγ=?S?Y100%=SaSbyayb100%）。 離心機模型試驗模型箱模型圖 (單位: cm) 變形傾度法設土體的臨界破壞傾度為γc ，如果計算傾度γγc，則認為該處的土層要產(chǎn)生錯動破壞面。目前關于γc的取值還研究不多。根據(jù)國內(nèi)一些發(fā)生裂縫土石壩的計算結(jié)果，γc值約在1 %左右（2）Leonards法：是Leonards等在1963年根據(jù)土體拉伸破壞時的特性，近似用線性變形理論來處理壩體沉降資料，得到了近似計算壩頂各處水平應變的公式。1979年南京水利科學研究院對該法進行了改進，得到壩頂沿壩軸線方向水平應變的計算公式εxx≈1Hn=1kFnbnsinnπXL。如果εxx≥εTC，則認為該處壩頂可能會產(chǎn)生橫向裂縫，容許拉應變εTC可由拉伸試驗或土粱彎曲試驗確定。（3）有限元應力法：從土體變形機制看，壩體張拉裂縫發(fā)生的根本原因是壩體該處的拉應力大于土體的抗拉強度。有限元法是目前分析土石壩應力和變形狀態(tài)的主要方法，因此有限元法提供了分析土石壩體裂縫發(fā)生可能性的有效手段?！?水平應力的計算結(jié)果。為了對比方便，圖中用粗黑線標示出了試驗中裂縫發(fā)生的位置。（a）試樣1 （b）試樣2 （c）試樣3 水平應力圖本文以土石壩心墻縱剖面由于不均勻沉降變形導致心墻發(fā)生橫向裂縫的現(xiàn)象為研究背景，針對土石壩心墻橫向裂縫發(fā)生的機制進行了土工離心機模型試驗研究，在試驗中再現(xiàn)了由于岸坡坡度變化導致壩頂發(fā)生橫向裂縫的現(xiàn)象。結(jié)合工程中3種常用的裂縫分析方法：傾度法、Leonards法、有限元應力法對試驗結(jié)果進行了分析，討論了上述分析方法的適用性。通過上述研究可以得到如下結(jié)論：（1）在土工離心機模型試驗中，再現(xiàn)了由不均勻沉降導致壩體產(chǎn)生橫向裂縫的現(xiàn)象，表明土工離心機模型試驗對于模擬土石壩裂縫問題的適用性。（2）變形傾度法雖并不準確反映土壩裂縫產(chǎn)生的機制，但通過對離心機試驗結(jié)果的分析表明，用該法進行壩體裂縫分析大體上是可行的，臨界破壞傾度值取1 %也基本合適。（3）分析結(jié)果表明， Leonards法可大致反映拉應變的范圍，當沉降測點較少時，該法的計算精度較差，另外，該法有可能低估壩體發(fā)生橫向裂縫的可能性。（4）有限元法反映了土體發(fā)生裂縫的機制，使用有限元計算的應力結(jié)果來分析土體裂縫的發(fā)生是可行的。167。隨著社會的發(fā)展，近年來地下工程的數(shù)量迅速增加，同時針對地鐵等地下地下結(jié)構的恐怖襲擊時有發(fā)生。對于地下結(jié)構物一旦遭受破壞的危害主要表現(xiàn)于地下結(jié)構物本身和對周邊巖土及建筑物上。不僅如此，就拿西部城市重慶來說，由于重慶為基巖城市，在修建地鐵的過程中，鉆爆法常被大量應用到工程中。在傳統(tǒng)的鉆爆施工中，對于爆破試驗往往是先根據(jù)圍巖等級、爆破形式、炸藥類型來確定最小抵抗線、炮孔的布置以及炸藥用量。對這些參數(shù)確定完成后，再對炸藥進行生產(chǎn)。最后在施工爆破前，把一定量的炸藥在周邊的場地進行爆破試驗，通過爆破漏斗來確定炸藥的威力與設計采用的是否一致來確定爆破是否會成功。在傳統(tǒng)的爆破試驗中，我們無法知道爆破對隧道產(chǎn)生影響，常常是在爆破開挖后才能知道。因此通過爆炸離心模型試驗進行研究具有重要意義。土工離心機模擬爆炸沖擊的原理是Schmit和Holapple根據(jù)質(zhì)量、動量、能量守恒定律得出了基本的理論，得到了如炸藥量、離心加速度等一系列的相關比尺關系。我國的馬立秋和他的研究同伴曾做過多次爆炸離心模型試驗，其試驗的研究內(nèi)容有以下幾個方面：，通過對爆炸發(fā)生后，對彈坑輪廓的觀察和測量，可以得出彈坑半徑與埋深的關系，且通過地沖擊效應的研究來獲取地沖擊的參數(shù)。，對爆炸離心試驗的邊界進行研究，通過對邊界效應的研究找到減小邊界效應的方法。張應剛也通過在隧道口周圍埋設炸藥，多次改變炸藥與隧道口的距離，進行多次試驗，來研究土體的變形以及對結(jié)構的影響（1）在隧道口爆炸模型試驗中需要的試驗材料為黑火藥、試驗用土、Q235鋼。試驗采用Model 3032 A1型加速度計。，加速傳感器器與藥包處以同一水平面。隧道模型用Q235鋼管制作。（2）黏性土爆炸離心模型試驗所需要的材料為粉質(zhì)粘土，所用的傳感器為M352C65壓電陶瓷加速傳感器。（3）在爆炸離心模型試驗的邊界效應試驗中，所用到的材料有試驗用土、邊界材料、黑火藥。以及試驗用的加速度計。試驗布置如下：，設置優(yōu)選材料試驗，優(yōu)選材料試驗布置中，炸藥與試驗材料處于同一水平面，傳感器感應方向正對爆心，材料的前后各放一只。 隧道口爆炸模型試驗試驗布置圖 黏性土爆炸離心模型試驗試驗布置圖在優(yōu)選材料試驗中，對材料的分析最終會得到一系列的加速度曲線圖，通過式吸收（散射）=A前峰A后峰A前峰100%可以求出各方案對應材料及組合的吸收（散射）波的性能。，再進行邊界效應研究實驗。將炸藥放置于模型箱中心，邊界材料鋪設于模型箱內(nèi)側(cè)周圍一圈，傳感器正對爆心，邊界效應試驗布置。 優(yōu)選材料試驗布置圖 在隧道口爆炸離心模型試驗中，炸藥爆炸后，土體在表面爆炸荷載作用下，藥包周圍土體會發(fā)生變形，根據(jù)變形情況。通過對土體水平位移等值線圖（）的分析，可以得知爆點與隧道中心距離h對塑性區(qū)邊界的影響。并得出結(jié)論相比于藥包與隧道間的距離，塑性區(qū)與結(jié)構的相對位置對于結(jié)構的影響更大。 土體水平位移等值線圖在工離心機黏性土爆炸成坑和地沖擊相關試驗中，得到了黏性土爆炸成坑結(jié)果以及加速度實測波形曲線，對結(jié)果進行了分析，得到以下結(jié)論：(1)彈坑形成過程基本不受科氏加速度影響，但彈坑拋出物以及分布形態(tài)受科氏加速度影響。(2)在小于最優(yōu)埋深條件下，彈坑體積隨埋深的增大而增大；相同埋深條件下，彈坑體積隨炸藥量的增大而增大；彈坑體積大小明顯與重力加速度有關，小比尺模擬必須增加重力加速度來模擬。(3)比例彈坑半徑與比例埋深關系曲線以及加速度峰值與比例距離的關系曲線基本呈線性，規(guī)律較好。(4)從剪切波到達時間的關系可以得出，在此條件下黏土的剪切波傳播速度大約為184 m/s。從結(jié)果分析可知，試驗數(shù)據(jù)存在一定離散性，這主要是由于制樣過程以及測量元件的精度、埋設等原因造成的；但不可否認，在研究爆炸相關效應問題中，土工離心機是一種有效的試驗工具。在爆炸離心模型試驗邊界效應研究中，針對爆炸離心模型試驗的邊界效應進行了相應試驗，得出，選擇適合爆炸離心模型試驗邊界條件的材料，通過對該材料的試驗可知，布置邊界材料對減少波的反射效應非常明顯，添加2層該材料，可以吸收或者散射80%的波能。167。隨著人類太空領域的探索，對于月球的了解。人們發(fā)現(xiàn)月球是一個能源寶庫。在月球上蘊藏著豐富的鈦、鐵、鈾、釷、稀土、鎂、磷、硅、鈉、鉀、鎳、鉻、錳等礦產(chǎn)，僅月海玄武巖中含有可開采利用的鈦金屬至少就有100萬億噸。從目前采集來的月球巖石標本中測明，月球不僅含有地球上的全部元素，還有大量分布的55種礦物，其中6種礦物是地球沒有的。除了月球巖石中的豐富礦產(chǎn)，月球表面上穩(wěn)定的太陽能可供人們利用外，月球的塵埃中也富含著由太陽風粒子積累而形成的氣體，如氫、氦、氖、氬、氮等有用氣體。月球還是研究宇宙科學、天體化學、空間物理、生命科學、觀測科學與材料科學的理想場所。因此，美國、俄羅斯、日本、印度、歐盟、中國等多個國家都在對探月工程進行空間資源的開發(fā)和維護。 在我國第二、三期的探月工程中，月球著陸器著陸沖擊、月球車行走、月壤原位勘察測試取樣和月球基地建設，都存在人工裝置與月壤相互作用的問題。月壤的物理力學性質(zhì)和工程性質(zhì)對這些相互作用有重要的影響。在地球上研究月球上的與月壤相互作用相關的問題，需要采用能較好地模擬月壤主要物理力學性質(zhì)的模擬月壤，并研究不同重力場對模擬月壤工程性質(zhì)的影響。因此，月壤的土工離心模型試驗不論是在月球開發(fā)還是月球探索方面都有著重要的研究意義。在地球上研究月面探測與月壤相互作用相關的問題需要大量能較好地模擬月壤主要物理力學性質(zhì)的模擬月壤。目前己經(jīng)有美國的JSC1， MLS1， MLS日本的MKS1， FJS1和中國的CAS1等模擬月壤，然而目前應用最多的只有JSC1和MLS1兩種模擬月壤。在本次試驗中，李志剛通過在1g、3g、6g三個不同重力場下進行了推板試驗、拉板試驗、貫入試驗、荷載板試驗以及沖擊試驗。通過這幾個試驗來研究月球土壤的性質(zhì)和相互作用。模擬月壤用土應與Apollo或Luna各次采樣點平均組成或某個月球樣品具有相似的化學成分。根據(jù)鄭永春等的研究，靖宇火山灰為低鈦堿性橄欖玄武巖，主要礦物成分是橄欖石、輝石、長石等，并含有30%以上的玻璃體。而月壤主要是含有橄欖石、輝石、長石、鈦鐵礦、尖晶石等礦物，玻璃體含量也較高。所以，靖宇火山灰與月壤在礦物組成上也比較接近。因此，初步選定吉林靖宇火山灰作為模擬月壤的原材料。四個試驗的布置如下：，推板系統(tǒng)由豎板、橫板、位移傳感器、汽缸、斜撐、滑槽六個主要部分組成。推板一部分深度埋入土壤，試驗開始時，通過向汽缸通氣，給推板提供一個水平推力，由于位移傳感器的頂部跟推板相接觸，底部與豎板上直徑為22mm的通孔通過塞一些竹簽和橡膠來固定，進而測得推板位移。通過汽缸逐級加壓，測得相應的推板推力、推板位移。 貫入系統(tǒng)試驗布置圖 ，拉板系統(tǒng)由拉板、夾具、吊索、汽缸、位移傳感器五個主要部分組成。在拉板兩面貼上砂紙，用于增大板與土之間的摩擦位移傳感器通過鋼夾具固定汽缸上，試驗時，將拉板一部分埋設于土壤中，通過對汽缸逐級加壓，固定在汽缸推桿上的有機玻璃片上的傳感器外伸桿，能隨著汽缸推桿運動，因此位移傳感器能量測汽缸推桿的位移，即拉板上升時測得拉板試驗的拉力與相應的拉板位移。、汽缸、位移傳感器三個主要部分組成。試驗時氣缸推動貫入器，由于位移傳感器通過鋼夾具固定汽缸上，傳感器外伸桿頂在有機玻璃片上。該有機玻璃片固定在汽缸推桿上，能隨著汽缸推桿運動，因此位移傳感器能量測汽缸推板的位移。通過汽缸逐級加壓，測得相應的壓力、貫入器沉降量，即貫入器入土的深度，載荷板系統(tǒng)由載荷板、汽缸、位移傳感器三個主要部分組成。試驗時，氣缸逐級加壓，推動荷載板，由于有機