【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 第四章 離心模型試驗(yàn)在工程上的應(yīng)用167。在前面的三個(gè)章節(jié)之中筆者對(duì)土工離心機(jī)模型試驗(yàn)的原理進(jìn)行了敘述，緊接著有討論了離心機(jī)的結(jié)構(gòu)和類型，并對(duì)離心模型試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的因素進(jìn)行了研究。通過(guò)前面三章的基礎(chǔ)研究后，我們對(duì)離心機(jī)和土工離心模型試驗(yàn)將會(huì)有一個(gè)整體的了解。而本章節(jié)的將會(huì)舉幾個(gè)特例，通過(guò)對(duì)他人試驗(yàn)的分，將會(huì)對(duì)土工離心模型試驗(yàn)有一個(gè)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(jī)生命和財(cái)產(chǎn)安全。而裂縫對(duì)大壩的影響極大，由于裂縫的存在，引起應(yīng)力集中，裂縫將會(huì)擴(kuò)大，最終會(huì)導(dǎo)致水壩的毀壞。而在水庫(kù)大壩中，約39%的裂縫問(wèn)題屬于土石壩，小型水庫(kù)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(jī)制、研究裂縫的預(yù)測(cè)方法和防治措施，無(wú)疑是土石壩工程中的重要研究課題。工程經(jīng)驗(yàn)表明，岸坡坡度的突變常常是導(dǎo)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(yàn)針對(duì)此種情況，以土石壩心墻縱剖面的不均勻沉降變形導(dǎo)致心墻發(fā)生橫向裂縫的現(xiàn)象為研究背景，對(duì)不同岸坡坡度發(fā)生轉(zhuǎn)折的情況進(jìn)行了土工離心機(jī)模型試驗(yàn)。結(jié)合工程中常用的裂縫分析方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，討論了這些分析方法的適用性。本次試驗(yàn)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(lái)模擬基巖坡度的變化。為了量測(cè)試樣在試驗(yàn)過(guò)程中的變形，在模型頂部安裝了多個(gè)位移傳感器，用于量測(cè)試樣頂部在試驗(yàn)過(guò)程中的變形。為了監(jiān)測(cè)壩體裂縫的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程，分別在試樣的頂部和正前面安裝了攝像系統(tǒng)，可適時(shí)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(shí)模擬平面應(yīng)變的邊界條件以及減少模型箱邊界效應(yīng)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(rùn)滑作用的硅油，從而使得試樣在加載的過(guò)程中能自由向下變形。最后試驗(yàn)結(jié)果再對(duì)土石壩裂縫進(jìn)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(jì)算方法。（1）變形傾度法：是由南京水利科學(xué)研究院等根據(jù)壩體沉降觀測(cè)資料提出的預(yù)測(cè)壩體裂縫的一種方法。該方法是在同一水平距離?y上設(shè)兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)a、b，通過(guò)觀測(cè)這兩點(diǎn)在得出其在某一段時(shí)間Tj上的累積乘降量Sa、Sb之差，通過(guò)Sa、Sb的沉降量之差對(duì)a、b兩點(diǎn)間的水平距離?y求導(dǎo)乘以100%得出其計(jì)算傾度γ（γ≈tanγ=?S?Y100%=SaSbyayb100%）。 離心機(jī)模型試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖淠Ｐ蛨D (單位: cm) 變形傾度法設(shè)土體的臨界破壞傾度為γc ，如果計(jì)算傾度γγc，則認(rèn)為該處的土層要產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)破壞面。目前關(guān)于γc的取值還研究不多。根據(jù)國(guó)內(nèi)一些發(fā)生裂縫土石壩的計(jì)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(shí)的特性，近似用線性變形理論來(lái)處理壩體沉降資料，得到了近似計(jì)算壩頂各處水平應(yīng)變的公式。1979年南京水利科學(xué)研究院對(duì)該法進(jìn)行了改進(jìn)，得到壩頂沿壩軸線方向水平應(yīng)變的計(jì)算公式εxx≈1Hn=1kFnbnsinnπXL。如果εxx≥εTC，則認(rèn)為該處壩頂可能會(huì)產(chǎn)生橫向裂縫，容許拉應(yīng)變?chǔ)臫C可由拉伸試驗(yàn)或土粱彎曲試驗(yàn)確定。（3）有限元應(yīng)力法：從土體變形機(jī)制看，壩體張拉裂縫發(fā)生的根本原因是壩體該處的拉應(yīng)力大于土體的抗拉強(qiáng)度。有限元法是目前分析土石壩應(yīng)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(yīng)力的計(jì)算結(jié)果。為了對(duì)比方便，圖中用粗黑線標(biāo)示出了試驗(yàn)中裂縫發(fā)生的位置。（a）試樣1 （b）試樣2 （c）試樣3 水平應(yīng)力圖本文以土石壩心墻縱剖面由于不均勻沉降變形導(dǎo)致心墻發(fā)生橫向裂縫的現(xiàn)象為研究背景，針對(duì)土石壩心墻橫向裂縫發(fā)生的機(jī)制進(jìn)行了土工離心機(jī)模型試驗(yàn)研究，在試驗(yàn)中再現(xiàn)了由于岸坡坡度變化導(dǎo)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(yīng)力法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，討論了上述分析方法的適用性。通過(guò)上述研究可以得到如下結(jié)論：（1）在土工離心機(jī)模型試驗(yàn)中，再現(xiàn)了由不均勻沉降導(dǎo)致壩體產(chǎn)生橫向裂縫的現(xiàn)象，表明土工離心機(jī)模型試驗(yàn)對(duì)于模擬土石壩裂縫問(wèn)題的適用性。（2）變形傾度法雖并不準(zhǔn)確反映土壩裂縫產(chǎn)生的機(jī)制，但通過(guò)對(duì)離心機(jī)試驗(yàn)結(jié)果的分析表明，用該法進(jìn)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(yīng)變的范圍，當(dāng)沉降測(cè)點(diǎn)較少時(shí)，該法的計(jì)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(jī)制，使用有限元計(jì)算的應(yīng)力結(jié)果來(lái)分析土體裂縫的發(fā)生是可行的。167。隨著社會(huì)的發(fā)展，近年來(lái)地下工程的數(shù)量迅速增加，同時(shí)針對(duì)地鐵等地下地下結(jié)構(gòu)的恐怖襲擊時(shí)有發(fā)生。對(duì)于地下結(jié)構(gòu)物一旦遭受破壞的危害主要表現(xiàn)于地下結(jié)構(gòu)物本身和對(duì)周邊巖土及建筑物上。不僅如此，就拿西部城市重慶來(lái)說(shuō)，由于重慶為基巖城市，在修建地鐵的過(guò)程中，鉆爆法常被大量應(yīng)用到工程中。在傳統(tǒng)的鉆爆施工中，對(duì)于爆破試驗(yàn)往往是先根據(jù)圍巖等級(jí)、爆破形式、炸藥類型來(lái)確定最小抵抗線、炮孔的布置以及炸藥用量。對(duì)這些參數(shù)確定完成后，再對(duì)炸藥進(jìn)行生產(chǎn)。最后在施工爆破前，把一定量的炸藥在周邊的場(chǎng)地進(jìn)行爆破試驗(yàn)，通過(guò)爆破漏斗來(lái)確定炸藥的威力與設(shè)計(jì)采用的是否一致來(lái)確定爆破是否會(huì)成功。在傳統(tǒng)的爆破試驗(yàn)中，我們無(wú)法知道爆破對(duì)隧道產(chǎn)生影響，常常是在爆破開(kāi)挖后才能知道。因此通過(guò)爆炸離心模型試驗(yàn)進(jìn)行研究具有重要意義。土工離心機(jī)模擬爆炸沖擊的原理是Schmit和Holapple根據(jù)質(zhì)量、動(dòng)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(guān)比尺關(guān)系。我國(guó)的馬立秋和他的研究同伴曾做過(guò)多次爆炸離心模型試驗(yàn)，其試驗(yàn)的研究?jī)?nèi)容有以下幾個(gè)方面：，通過(guò)對(duì)爆炸發(fā)生后，對(duì)彈坑輪廓的觀察和測(cè)量，可以得出彈坑半徑與埋深的關(guān)系，且通過(guò)地沖擊效應(yīng)的研究來(lái)獲取地沖擊的參數(shù)。，對(duì)爆炸離心試驗(yàn)的邊界進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)邊界效應(yīng)的研究找到減小邊界效應(yīng)的方法。張應(yīng)剛也通過(guò)在隧道口周圍埋設(shè)炸藥，多次改變炸藥與隧道口的距離，進(jìn)行多次試驗(yàn)，來(lái)研究土體的變形以及對(duì)結(jié)構(gòu)的影響（1）在隧道口爆炸模型試驗(yàn)中需要的試驗(yàn)材料為黑火藥、試驗(yàn)用土、Q235鋼。試驗(yàn)采用Model 3032 A1型加速度計(jì)。，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(yàn)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(yàn)的邊界效應(yīng)試驗(yàn)中，所用到的材料有試驗(yàn)用土、邊界材料、黑火藥。以及試驗(yàn)用的加速度計(jì)。試驗(yàn)布置如下：，設(shè)置優(yōu)選材料試驗(yàn)，優(yōu)選材料試驗(yàn)布置中，炸藥與試驗(yàn)材料處于同一水平面，傳感器感應(yīng)方向正對(duì)爆心，材料的前后各放一只。 隧道口爆炸模型試驗(yàn)試驗(yàn)布置圖 黏性土爆炸離心模型試驗(yàn)試驗(yàn)布置圖在優(yōu)選材料試驗(yàn)中，對(duì)材料的分析最終會(huì)得到一系列的加速度曲線圖，通過(guò)式吸收（散射）=A前峰A后峰A前峰100%可以求出各方案對(duì)應(yīng)材料及組合的吸收（散射）波的性能。，再進(jìn)行邊界效應(yīng)研究實(shí)驗(yàn)。將炸藥放置于模型箱中心，邊界材料鋪設(shè)于模型箱內(nèi)側(cè)周圍一圈，傳感器正對(duì)爆心，邊界效應(yīng)試驗(yàn)布置。 優(yōu)選材料試驗(yàn)布置圖 在隧道口爆炸離心模型試驗(yàn)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(huì)發(fā)生變形，根據(jù)變形情況。通過(guò)對(duì)土體水平位移等值線圖（）的分析，可以得知爆點(diǎn)與隧道中心距離h對(duì)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(gòu)的相對(duì)位置對(duì)于結(jié)構(gòu)的影響更大。 土體水平位移等值線圖在工離心機(jī)黏性土爆炸成坑和地沖擊相關(guān)試驗(yàn)中，得到了黏性土爆炸成坑結(jié)果以及加速度實(shí)測(cè)波形曲線，對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：(1)彈坑形成過(guò)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(guān)，小比尺模擬必須增加重力加速度來(lái)模擬。(3)比例彈坑半徑與比例埋深關(guān)系曲線以及加速度峰值與比例距離的關(guān)系曲線基本呈線性，規(guī)律較好。(4)從剪切波到達(dá)時(shí)間的關(guān)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(yàn)數(shù)據(jù)存在一定離散性，這主要是由于制樣過(guò)程以及測(cè)量元件的精度、埋設(shè)等原因造成的；但不可否認(rèn)，在研究爆炸相關(guān)效應(yīng)問(wèn)題中，土工離心機(jī)是一種有效的試驗(yàn)工具。在爆炸離心模型試驗(yàn)邊界效應(yīng)研究中，針對(duì)爆炸離心模型試驗(yàn)的邊界效應(yīng)進(jìn)行了相應(yīng)試驗(yàn)，得出，選擇適合爆炸離心模型試驗(yàn)邊界條件的材料，通過(guò)對(duì)該材料的試驗(yàn)可知，布置邊界材料對(duì)減少波的反射效應(yīng)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(lǐng)域的探索，對(duì)于月球的了解。人們發(fā)現(xiàn)月球是一個(gè)能源寶庫(kù)。在月球上蘊(yùn)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(kāi)采利用的鈦金屬至少就有100萬(wàn)億噸。從目前采集來(lái)的月球巖石標(biāo)本中測(cè)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(méi)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(yáng)能可供人們利用外，月球的塵埃中也富含著由太陽(yáng)風(fēng)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(xué)、天體化學(xué)、空間物理、生命科學(xué)、觀測(cè)科學(xué)與材料科學(xué)的理想場(chǎng)所。因此，美國(guó)、俄羅斯、日本、印度、歐盟、中國(guó)等多個(gè)國(guó)家都在對(duì)探月工程進(jìn)行空間資源的開(kāi)發(fā)和維護(hù)。 在我國(guó)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(cè)試取樣和月球基地建設(shè)，都存在人工裝置與月壤相互作用的問(wèn)題。月壤的物理力學(xué)性質(zhì)和工程性質(zhì)對(duì)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(guān)的問(wèn)題，需要采用能較好地模擬月壤主要物理力學(xué)性質(zhì)的模擬月壤，并研究不同重力場(chǎng)對(duì)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(yàn)不論是在月球開(kāi)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(cè)與月壤相互作用相關(guān)的問(wèn)題需要大量能較好地模擬月壤主要物理力學(xué)性質(zhì)的模擬月壤。目前己經(jīng)有美國(guó)的JSC1， MLS1， MLS日本的MKS1， FJS1和中國(guó)的CAS1等模擬月壤，然而目前應(yīng)用最多的只有JSC1和MLS1兩種模擬月壤。在本次試驗(yàn)中，李志剛通過(guò)在1g、3g、6g三個(gè)不同重力場(chǎng)下進(jìn)行了推板試驗(yàn)、拉板試驗(yàn)、貫入試驗(yàn)、荷載板試驗(yàn)以及沖擊試驗(yàn)。通過(guò)這幾個(gè)試驗(yàn)來(lái)研究月球土壤的性質(zhì)和相互作用。模擬月壤用土應(yīng)與Apollo或Luna各次采樣點(diǎn)平均組成或某個(gè)月球樣品具有相似的化學(xué)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(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)試驗(yàn)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(gè)主要部分組成。推板一部分深度埋入土壤，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，通過(guò)向汽缸通氣，給推板提供一個(gè)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(guò)塞一些竹簽和橡膠來(lái)固定，進(jìn)而測(cè)得推板位移。通過(guò)汽缸逐級(jí)加壓，測(cè)得相應(yīng)的推板推力、推板位移。 貫入系統(tǒng)試驗(yàn)布置圖 ，拉板系統(tǒng)由拉板、夾具、吊索、汽缸、位移傳感器五個(gè)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(guò)鋼夾具固定汽缸上，試驗(yàn)時(shí)，將拉板一部分埋設(shè)于土壤中，通過(guò)對(duì)汽缸逐級(jí)加壓，固定在汽缸推桿上的有機(jī)玻璃片上的傳感器外伸桿，能隨著汽缸推桿運(yùn)動(dòng)，因此位移傳感器能量測(cè)汽缸推桿的位移，即拉板上升時(shí)測(cè)得拉板試驗(yàn)的拉力與相應(yīng)的拉板位移。、汽缸、位移傳感器三個(gè)主要部分組成。試驗(yàn)時(shí)氣缸推動(dòng)貫入器，由于位移傳感器通過(guò)鋼夾具固定汽缸上，傳感器外伸桿頂在有機(jī)玻璃片上。該有機(jī)玻璃片固定在汽缸推桿上，能隨著汽缸推桿運(yùn)動(dòng)，因此位移傳感器能量測(cè)汽缸推板的位移。通過(guò)汽缸逐級(jí)加壓，測(cè)得相應(yīng)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(gè)主要部分組成。試驗(yàn)時(shí)，氣缸逐級(jí)加壓，推動(dòng)荷載板，由于有機(jī)