土工離心機(jī)通過采用高速旋轉(zhuǎn)增加模型重力的方法, 使模型土體產(chǎn)生與原型相同的自重應(yīng)力, 模型的變形及破壞機(jī)制與原型相似, 從而可以直接模擬復(fù)雜的巖土工程問題。目前土工離心機(jī)的用途已十分廣泛, 不僅可以用于解決常規(guī)的土力學(xué)問題, 如土石壩、邊坡、擋土墻、樁基、深基坑、地下洞室等, 而且利用離心機(jī)可以模擬原型應(yīng)力的特點(diǎn), 研究人員將離心機(jī)用于凍土力學(xué)、環(huán)境土力學(xué)、土工抗震研究以及爆破工程研究等*域。離心模型試驗(yàn)同時(shí)為深入認(rèn)識(shí)巖土力學(xué)的基本原理, 驗(yàn)證數(shù)值分析成果提供了十分有效的手段。
 
G際上自 20 世紀(jì) 60 年代以來建造了約 200 多臺(tái)土工離心模擬試驗(yàn)機(jī)。80 年代以來, 許多發(fā)達(dá)G家如英G、日本、美G、法G等還建造了各類離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行土工抗震離心模型試驗(yàn), 研究內(nèi)容涉及堤壩抗震變形、邊坡抗震穩(wěn)定性、地震條件下土與結(jié)構(gòu)的相互作用、土體液化等方面^{[ 1,2]} 。特別是在地震多發(fā)G家如日本, 已經(jīng)建設(shè)了 20 余臺(tái)離心機(jī)振動(dòng)臺(tái), 在這方面的研究也十分活躍。由于人們對(duì)于自然災(zāi)害和環(huán)境的關(guān)注, 這一*域的研究工作將會(huì)更加引人注目。
 
對(duì)于巖土工程抗震問題, 通常只能采用數(shù)值計(jì)算的方法進(jìn)行分析, 其計(jì)算結(jié)果受計(jì)算參數(shù)和本構(gòu)數(shù)學(xué)模型的影響很大; 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)通常耗資巨大, 而且由于實(shí)際地震的時(shí)空不確定性和復(fù)雜性, 無法取得實(shí)測(cè)資料并用于驗(yàn)證數(shù)值分析結(jié)果; 地面上的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)由于無法模擬巖土材料的重力作用, 因此多用于剛性材料的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。而采用離心機(jī)振動(dòng)臺(tái), 則可以在原型應(yīng)力條件下, 在模型底部產(chǎn)生可控制的地震波, 從而可以通過各種監(jiān)測(cè)手段直接獲得地震引起的巖土結(jié)構(gòu)物的動(dòng)力變形和穩(wěn)定特性。因此土工離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)被G內(nèi)外巖土工程界認(rèn)為是**有效的地震模擬試驗(yàn)手段, 通過與數(shù)值模擬分析相互補(bǔ)充和驗(yàn)證, 可以提高土工抗震研究水平, 解決相關(guān)的巖土工程抗震問題。
 
我G地域遼闊, 許多水電建設(shè)工程特別是西北、西南地區(qū)新建或擬建的高壩大庫多位于高發(fā)地震區(qū), 一旦在地震中被破壞, 將會(huì)給人民的生命財(cái)產(chǎn)造成巨大的損失。因此, 在研究巖土工程動(dòng)力數(shù)值分析方法的同時(shí), 我G更需要大力開展動(dòng)力離心模擬試驗(yàn)研究, 縮短與世界先進(jìn)水平之間的差距。本文分析了目前G內(nèi)外離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)設(shè)備及其應(yīng)用情況, 各類離心機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn), **后介紹了中G水利水電科學(xué)研究院擬建的大型離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)經(jīng)過初步論證后的主要技術(shù)參數(shù), 其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)與G外先進(jìn)的離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)相比, 居于**水平。文中同時(shí)簡(jiǎn)要介紹了動(dòng)力離心模型試驗(yàn)常用的附屬實(shí)驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法。
 1 G內(nèi)外離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)及研究概況
 
 
隨著動(dòng)力離心模型試驗(yàn)相似理論的發(fā)展, 振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)技術(shù)也日*成熟。美G和英G的 7 個(gè)離心模型試驗(yàn)室曾經(jīng)利用各自的離心機(jī)動(dòng)力試驗(yàn)設(shè)備, 進(jìn)行了一次**的驗(yàn)證數(shù)值分析方法的試驗(yàn), 項(xiàng)目名稱為/ 液化分析方法的離心模擬試驗(yàn)驗(yàn)證0 ( 簡(jiǎn)稱VELACS) ^{[ 3]} 。參加研究的單位有 Davis 加州大學(xué)、加州理工學(xué)院、劍橋大學(xué)、科羅拉多 Boulder 分校、麻省理工學(xué)院、普林斯頓大學(xué)及 Rensselaer 理工學(xué)院。試驗(yàn)針對(duì)9 個(gè)土工工程模型進(jìn)行振動(dòng)液化試驗(yàn), 并利用試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證數(shù)值分析結(jié)果, 試驗(yàn)中輸入正弦地震波, 分別模擬 9 種堤壩或地層的動(dòng)力反應(yīng)。在試驗(yàn)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, 對(duì)同樣的結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬分析并提交分析結(jié)果。由于動(dòng)力離心模型試驗(yàn)中輸入的地震波與計(jì)算采用的地震波略有差別, 因此在試驗(yàn)完成之后, 按照試驗(yàn)采用的輸入地震波再次進(jìn)行數(shù)值分析預(yù)測(cè),**終再與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。
 
VELACS 的研究成果證明, 只要振動(dòng)裝置能夠產(chǎn)生符合要求的地震輸入, 認(rèn)真設(shè)計(jì)和制作模型, 現(xiàn)有的技術(shù)水平已經(jīng)可以很好地實(shí)現(xiàn)各試驗(yàn)室之間試驗(yàn)成果的重復(fù)性。利用離心模型的試驗(yàn)成果, 驗(yàn)證和比較了以下動(dòng)力分析程序: ( 1) 等效線性總應(yīng)力分析程序 QUAD_4、FEDAM、LUSH 和 FLUSH 程序; ( 2) 間接耦合動(dòng)力反應(yīng)程序 DESRA 和 TARA; ( 3) 與比奧固結(jié)理論耦合的動(dòng)力反應(yīng)分析程序 DYSACZ、 DYNAFLOW 和 SWANDYNE 程序。結(jié)果表明, 只有完全耦合的非線性有效應(yīng)力程序才能預(yù)測(cè)非剪脹土體的位移, 對(duì)于剪脹土的位移, 以上所有程序都無法耦合, 因此在動(dòng)荷載作用下土的本構(gòu)關(guān)系, 還需要做更多深入細(xì)致的研究工作。VELACS 的這一研究成果對(duì)于利用動(dòng)力離心模擬試驗(yàn)認(rèn)識(shí)數(shù)值分析方法的缺陷、修改數(shù)值模型以及提高數(shù)據(jù)分析的精度意義重大。
 
美G科羅拉多大學(xué)用伺服液壓振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行動(dòng)力離心模擬試驗(yàn)^[4] , 研究評(píng)價(jià)不同密實(shí)度的堤壩在不同振幅和振動(dòng)頻率下的地震反應(yīng), 并觀察土體的變形和液化特性。1989 年 10 月 17 日在美G Santa Cruz 山區(qū)發(fā)生了里氏 711 級(jí)的地震, 離震中不遠(yuǎn)的 O. Neill Forebay 土石壩事先在壩趾和壩頂埋設(shè)安裝加速度傳感器, 記錄到了大壩的動(dòng)力反應(yīng), 該壩高 1813m, 底寬12210m, 壩頂寬 1017m。壩頂?shù)?*大水平加速度達(dá)到015g?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)為驗(yàn)證離心模型試驗(yàn)提供了條件, Law 等人^{[ 5]} 采用科羅拉多大學(xué) 400g_t 離心機(jī)對(duì)4 個(gè)不同尺寸的模型土石壩進(jìn)行了動(dòng)力離心模型試驗(yàn), 通過模擬模型的方法得到更為可信的試驗(yàn)數(shù)據(jù), 這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)與原型觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較, 證明模型試驗(yàn)結(jié)果與原型觀測(cè)結(jié)果十分接近。采用動(dòng)力離心模型試驗(yàn)可以較為精確地模擬原型地震情況。
 
英G劍橋大學(xué)在離心機(jī)中采用波軌顛簸道路( Bumping road) 的方法產(chǎn)生正弦振動(dòng), 研究邊坡在滲流條件下的地震穩(wěn)定性^[6] 。Steedman 和 Zeng 還研究了地震對(duì)懸臂梁式擋土墻的影響^{[ 7]} , 分析表明懸臂梁擋墻的地震反應(yīng)很大程度上取決于土和擋墻系統(tǒng)的剛度, 柔性懸臂梁擋墻的自振頻率與地震主頻比較接近, 通過動(dòng)力離心模型試驗(yàn)證明通常采用的擬靜力分析方法計(jì)算結(jié)果會(huì)大大低估地震的影響。
 
近年來日本在土工離心機(jī)及振動(dòng)設(shè)備的制造和研究*域更為活躍, 先后建造了大林組株式會(huì)社土工離心機(jī)( 700g_t) 、土木研究所離心機(jī)( PWRI, 600g_t) 和竹中技術(shù)研究所( 400~ 500g_t) 。Suzuki 等人曾采用離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)研究抗液化地基的動(dòng)力反應(yīng)^{[ 8]} , 對(duì)于松散的砂土地基, 現(xiàn)場(chǎng)采用深層水泥攪拌的方法按網(wǎng)格狀進(jìn)行固化, 模型試驗(yàn)研究證明, 在振動(dòng)方向上網(wǎng)格的尺寸大小對(duì)地基抗液化能力影響較大, 試驗(yàn)也表明降低地下水位可以增加地基的抗液化能力。日本 Nagase 等人還研究了傾斜地面由于地震液化引起的**變形^{[ 9]} , 觀測(cè)到液化土層的厚度和地面**變形之間在對(duì)數(shù)坐標(biāo)中呈線性關(guān)系。日本東京大學(xué)防災(zāi)研究院曾采用中型離心機(jī)及振動(dòng)臺(tái)研究剪切波在干砂土地層中的傳播^[10] 。由于日本的離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)較多, 近年來的抗震研究項(xiàng)目范圍更為廣泛。
 
香港科技大學(xué)于 2001 年投入使用一臺(tái)水平雙向離心機(jī)振動(dòng)臺(tái), 實(shí)驗(yàn)室同時(shí)配備有兩個(gè)用于動(dòng)力模型試驗(yàn)的模型箱。利用該離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)曾經(jīng)對(duì)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)行了試驗(yàn)研究^{[ 11]} , 試驗(yàn)中可以模擬不同振幅的地震, 觀測(cè)不同邊坡高度或坡度條件下的震動(dòng)變形、孔隙水壓力變化以及振動(dòng)加速度變化等。利用該雙向振動(dòng)臺(tái), 還作了砂土地震液化試驗(yàn), 進(jìn)行了驗(yàn)證砂土的本構(gòu)關(guān)系模型等方面的研究工作。
 
我G南京水利科學(xué)研究院于2002 年建成一個(gè)小型離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)^{[ 12]} , 利用該振動(dòng)臺(tái)完成了新疆吉林臺(tái)水電站面板堆石壩的震動(dòng)變形與穩(wěn)定研究。清華大學(xué)于 2003 年在其50g_t 小型離心機(jī)上研制安裝一臺(tái)電液壓振動(dòng)臺(tái), 目前已完成調(diào)試工作。同濟(jì)大學(xué)也正在該校新建的 150g_t 離心機(jī)上安裝一臺(tái)振動(dòng)臺(tái)設(shè)備。
 
2 離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)主要類型及特點(diǎn)
 
 
在離心機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生振動(dòng), 需要足夠的動(dòng)力和激振設(shè)備。如果模型比尺 N = 100, 為模擬原型, 離心機(jī)加速度須達(dá)到100g( g 為重力加速度) , 400kg 的模型負(fù)載將會(huì)相當(dāng)于原型 40t 的重力, 同時(shí)根據(jù)模型相似率的要求, 振動(dòng)臺(tái)輸入的震動(dòng)頻率為原型地震頻率的 100, 震動(dòng)歷時(shí)為原型的 1P100, 振動(dòng)加速度為原型的 100 倍, 可見振動(dòng)臺(tái)的技術(shù)難度和運(yùn)行要求非常高。為達(dá)到以上目的, 世界各土工離心機(jī)試驗(yàn)室研制了各種離心機(jī)震動(dòng)系統(tǒng)。
 
由劍橋大學(xué)的Morries 等人研制了彈簧驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)^{[ 13]} , 利用板簧作振源, 由液壓裝置觸發(fā)振動(dòng), 在模型箱的另一側(cè)有一個(gè)反力板簧用于調(diào)整振動(dòng)頻率。該設(shè)備曾用于劍橋大學(xué)的離心機(jī), 系統(tǒng)頻率為 61Hz, **大加速度為 a= 20g, 對(duì)應(yīng)振幅為 113mm。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、重量輕, 但只能輸出正弦波, 振動(dòng)頻率取決于彈簧剛度和模型的質(zhì)量, 出力小、振動(dòng)頻率較低、頻率可調(diào)范圍窄, 難以滿足特定的震動(dòng)要求。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(dòng)次數(shù), 也可以增加爆炸系統(tǒng)以增加高頻的成分。
 
法G Zelikson 則采用爆炸系統(tǒng)^{[ 14]} , 在模型箱前安置藥室, 藥室與模型箱通過有過濾作用的波反射箱連接, 當(dāng)藥室發(fā)生一系列微差爆炸時(shí), 壓縮空氣就會(huì)推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng), 合成類似地震的地震輸入, 振動(dòng)時(shí)間由一套類似汽車減震器的阻尼系統(tǒng)來控制。其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)造價(jià)低, 由于附加荷載小, 爆炸能量大, 可以激振較大的模型, 振動(dòng)也可以采用數(shù)字化控制, 得到的振動(dòng)頻率較高, 從而有利于模擬地震波。其缺點(diǎn)是很難精確控制振幅, 合成的波形與要求的振動(dòng)波形常常相差較大, 需要特制的點(diǎn)火裝置, 每次試驗(yàn)需要更換藥量。
 
用波軌顛簸道路( Bumping road) 模擬地震波的概念由 Schofield 于1981 年提出^{[ 15]} , 又由 Kutter 等人在
 
劍橋大學(xué)的離心機(jī)上裝配了該系統(tǒng)^{[ 16]} , 并用這一系統(tǒng)研究軟土堤壩的動(dòng)力反應(yīng)。波形軌道安裝在離心機(jī)主機(jī)室的側(cè)壁, 占整個(gè)側(cè)壁的1P3, 轉(zhuǎn)臂上的裝置可以將沿波軌道路運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)轉(zhuǎn)換為切向方向,從而模擬正弦波振動(dòng)。使用這種裝置可以在離心機(jī)加速度 100g 條件下, 產(chǎn)生頻率 120Hz、加速度 20g 的振動(dòng), Lee 和 Schofield 對(duì)這一系統(tǒng)作了更詳細(xì)的介紹^[17] 。其缺點(diǎn)是波形噪音大, 振動(dòng)頻率取決于離心機(jī)轉(zhuǎn)速, 改變波形必須更換軌道, 缺乏靈活性。
 
利用壓電陶瓷極化后, 其應(yīng)變大小與電場(chǎng)電壓成正比的原理, 可以制造出壓電式振動(dòng)臺(tái), 這一概念**早由美G宇航局( NASA) 的 Giovannetti 和 Bakke 提出, 此后由 Arulanandan 等于 1982 年在加州大學(xué)
 
Davis 分校的小離心機(jī)( Schaevitz) 上研制了該系統(tǒng)^{[ 18]} 。其優(yōu)點(diǎn)是體積較小, 容易采用數(shù)字化準(zhǔn)確控制振動(dòng)頻率, 造價(jià)低, 結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是模擬振幅越高, 需要的電壓也越高, 耗電量較大, 另外難以產(chǎn)生較低頻率的振動(dòng)。
 
日本 Fujii 于 1991 年介紹了用感應(yīng)繞阻產(chǎn)生磁場(chǎng), 從而使模型振動(dòng)的電磁激振方法^{[ 19]} 。該方法可以直接采用數(shù)字信號(hào)控制振動(dòng), 能產(chǎn)生較大的激振力, 振動(dòng)頻率范圍一般為 50~ 300Hz, 缺點(diǎn)是大功率的電磁作動(dòng)器重量和體積都較大, 受離心機(jī)有效負(fù)載的限制較大。日本清水公司的離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)采用同樣的系統(tǒng)^{[ 20]} , **大振動(dòng)加速度為 10g , 振動(dòng)頻率 50~ 300Hz。
 
另外還有一些采用其它激振技術(shù)的振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng), 但G際上眾多的離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)及其測(cè)試結(jié)果表明,采用電液伺服振動(dòng)系統(tǒng)是目前**理想的振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng), 其優(yōu)點(diǎn)是可以模擬各種振幅及振動(dòng)頻率的振動(dòng)波形, 具有較大的靈活性, 能夠很好地滿足動(dòng)力離心模型試驗(yàn)的要求。該系統(tǒng)一般由信號(hào)輸出及反饋、伺服放大、油站、儲(chǔ)油器、作動(dòng)器及滑臺(tái)等部分組成。系統(tǒng)的關(guān)鍵部位是其高壓儲(chǔ)油器在瞬間釋放油壓,驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器完成預(yù)設(shè)的輸入地震波。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是造價(jià)高, 結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 需要較高的制造技術(shù)和維修維護(hù)技術(shù)。目前, 美G和日本是擁有離心機(jī)電液振動(dòng)臺(tái)**多的G家。表 1 給出美G、日本和中G部分土工離心機(jī)配備的電液振動(dòng)系統(tǒng)的主要參數(shù)。
 

	表 1	部分電液振動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)
單位	動(dòng)力模型試驗(yàn)離	**大振動(dòng)	**大振動(dòng)	**大	備注
	心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)加速度@ g	加速度@ g	頻率PHz	負(fù)載Pkg
美G Davis 加州大學(xué)	53	15	200	2700
美G Rensselar 理工學(xué)院	100	30	350	400	2_D水平
美G Rensselar 理工學(xué)院	100	30	500	400
美G Rensselar 理工學(xué)院	50	120	500	35
美G加州理工學(xué)院	75	30	1000	40
美G科羅拉多大學(xué)	87	48	500	50
日本大林組技術(shù)研究所	50	18	200	3000
日本清水公司	50	10	350	300
日本大成公司	50	20	300	180
日本東京工業(yè)大學(xué)	50	20	100	90
日本東京工業(yè)大學(xué)	50	20P10	200	70	2_D水平+ 垂直
日本土木研究所	100	40	400	> 300
日本港灣研究所	60	10~ 50	300	92
日本東京大學(xué)防災(zāi)研究院	50	80		< 120
香港科技大學(xué)	75	15	350	300	2_D水平
南京水電科學(xué)研究院	100	20	100	200
清華大學(xué)	50	20	250	100
中G水利水電科學(xué)研究院	120	30P20	400	400	建設(shè)階段 2_D水平+ 垂直

 
 
3 中G水利水電科學(xué)研究院正在建設(shè)的大型離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)及其技術(shù)參數(shù)
 
中G水利水電科學(xué)研究院于 1991 年建成的大型土工離心模擬試驗(yàn)機(jī) LXJ_4_450^[21] , 其有效負(fù)載為 450g_t, 有效轉(zhuǎn)動(dòng)半徑 5103m, **大設(shè)計(jì)加速度 300g , 有效模型負(fù)載 115t, 試驗(yàn)吊籃尺寸長 @ 寬 @ 高= 115m @ 110m @ 115m, 有足夠的空間和負(fù)載能力加裝大型液壓振動(dòng)模擬設(shè)備。一般來說, 模型越大, 離心加速度越高, 對(duì)振動(dòng)臺(tái)及離心機(jī)性能的要求也就越高。為了取得可靠的地震模擬試驗(yàn)結(jié)果, 振動(dòng)臺(tái)需要滿足以下要求: 可以模擬輸入各類任意振動(dòng)波型; 在垂直和水平方向振動(dòng), 在其它方向的震動(dòng)干擾應(yīng)降****小; 可以在離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中連續(xù)起振; 振動(dòng)波形應(yīng)具有可重復(fù)性; 地面上輸入及輸出**大振動(dòng)誤差應(yīng)小于 6%, 在離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí), 振幅誤差應(yīng)小于 10%; 便于模型安裝及靜、動(dòng)力模型吊籃的更換; 設(shè)備應(yīng)考慮模型箱、傳感器及數(shù)采系統(tǒng)安裝的需要; 設(shè)備應(yīng)耐久可靠, 便于維護(hù)。
 
綜合考慮G外先進(jìn)的離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)制造水平, LXJ_4_450 大型土工離心機(jī)的有效負(fù)載容量, 以及實(shí)際工程研究的需要, 提出了在 LXJ_4_450 離心機(jī)上建設(shè)一臺(tái)水平+ 垂直雙向振動(dòng)臺(tái), 其技術(shù)參數(shù)如表2 所示。
 

表 2	中G水利水電科學(xué)研究院離心機(jī)動(dòng)力設(shè)備參數(shù)
項(xiàng)目	技術(shù)參數(shù)		項(xiàng)目	技術(shù)參數(shù)
動(dòng)力試驗(yàn)離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)加速度@ g	120		振動(dòng)波形	正弦波, 任意地震波
水平/ 垂直**大振動(dòng)加速度@ g	30/20		振動(dòng)臺(tái)面尺寸/ mm2	1 000 @ 700
**大振動(dòng)頻率/ Hz	400		振動(dòng)臺(tái)外形尺寸 L @  W @ HPmm3	1 500 @ 800@ 400
**大振動(dòng)歷時(shí)/ s	3		**大振幅/ mm	10
**大振動(dòng)負(fù)載/ kg	400		振動(dòng)臺(tái)總質(zhì)量/ kg	< 800
振動(dòng)方向	水平+ 垂直		數(shù)采通道	64

 
注: 控制精度為加速度波形失真度小于10% 、橫向加速度/ 水平加速度小于 10% 。
 
該振動(dòng)臺(tái)設(shè)備基本可以滿足多數(shù)土工抗震試驗(yàn)的要求, 但對(duì)于 100m 以上高壩的抗震問題, 由于模型箱體積和振動(dòng)臺(tái)有效負(fù)載能力的限制, 仍需要通過模型試驗(yàn)和數(shù)值仿真模擬相結(jié)合的方法進(jìn)行研究。
 
圖1 給出 LXJ_4_450 大型土工離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)布置方案( 美G ANCO 公司建議方案) 。振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)部分主要包括臺(tái)體、電液激振系統(tǒng)、動(dòng)力源( 油泵站和蓄能器) 和電控系統(tǒng)。
振動(dòng)臺(tái)臺(tái)體由底座、臺(tái)面及其支承機(jī)構(gòu)等組成, 其臺(tái)面是支承負(fù)載( 模型箱) 的平臺(tái), 它由支承機(jī)構(gòu)支承在底座上, 不僅可以在高離心加速度場(chǎng)中支承模型箱( 含土體) 的巨大荷載而不變形, 而且能相對(duì)于底座產(chǎn)生可以控制的水平或垂直振動(dòng), 這一結(jié)構(gòu)依靠幾組特殊設(shè)計(jì)的彈性鋼片和橡膠互層來實(shí)現(xiàn)。
 
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(dòng)器組成, 它是振動(dòng)臺(tái)的核心, 作動(dòng)器與振動(dòng)臺(tái)是一個(gè)整體, 水平方向采用高強(qiáng)填縫材料固定。
 
離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)的動(dòng)力油源系統(tǒng), 由外配油源、伺服控制系統(tǒng)和蓄能器組成。
 
振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)控制系統(tǒng), 主要由計(jì)算機(jī)、控制柜、集流環(huán)和分別安裝在作動(dòng)器和振動(dòng)臺(tái)上的電液伺服閥、位移傳感器和加速度傳感器等組成, 采用位移、速度和加速度三參數(shù)閉環(huán)控制方式。伺服閥根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)出的振動(dòng)信號(hào)和振動(dòng)臺(tái)上的位移和加速度傳感器的信號(hào)反饋, 調(diào)整振動(dòng)狀態(tài), 從而產(chǎn)生規(guī)則波或任意波的振動(dòng)。位于主控室的數(shù)字信號(hào)控制器可以通過調(diào)頻遙感技術(shù)相互聯(lián)系。
 
蓄能器和一個(gè)小油泵放置在轉(zhuǎn)臂上, 這樣方便油泵循環(huán), 可以不用停機(jī)而連續(xù)激發(fā)地震。該方法的另一優(yōu)點(diǎn)是不需要液壓環(huán), 從而降低了總體造價(jià)并有利于后期維護(hù)。該振動(dòng)臺(tái)布置在重新設(shè)計(jì)的配重吊蘭一邊, 不需要頻繁拆卸, 在做靜力試驗(yàn)的時(shí)候, 可以采用特殊的固定塊將振動(dòng)臺(tái)固定。目前該大型離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)正在籌建, 預(yù)計(jì)在2007 年初可投入使用。
 
4 動(dòng)力離心模型試驗(yàn)附屬設(shè)備及試驗(yàn)技術(shù)
 
411 模型設(shè)計(jì)與模型箱 離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)shou先需要根據(jù)試驗(yàn)研究的目的和要求, 選擇適合的用于單向或雙向振動(dòng)試驗(yàn)的模型箱, 然后與靜力離心模型試驗(yàn)一樣需要綜合考慮離心機(jī)的容量、原型的尺寸、模型箱尺寸和觀測(cè)儀器的布置等, 合理確定模型比尺。為了能夠模擬在地震方向無限延伸的地層,必須盡量減少模型箱邊界的影響。Schofield 和 Zeng 曾經(jīng)總結(jié)了理想的模型箱應(yīng)該具備的條件^{[ 22]} :
 
( 1) 振動(dòng)過程中, 不影響剪切波或剪切應(yīng)力的傳遞, 盡量使水平剪切剛度為零, 對(duì)土的變形無影響; ( 2) 振動(dòng)過程中模型箱水平斷面尺寸應(yīng)保持不變; ( 3) 模型箱側(cè)壁應(yīng)具有足夠的剛度;
 
( 4) 盡量減少模型箱壁的質(zhì)量, 以減少邊界處側(cè)向動(dòng)土壓力。
 
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的側(cè)壁設(shè)計(jì)成柔性, 如Rensselear 理工學(xué)院、香港科技大學(xué)采用的層狀柔性模型箱。模型箱的內(nèi)部尺寸考慮了大部分模型試驗(yàn)的需要、振動(dòng)臺(tái)的負(fù)載能力以及方便傳感器安裝等因素。模型箱除了各種柔性設(shè)計(jì)以外, 還包括用于模型飽和的密封設(shè)備、臨時(shí)支架、與振動(dòng)臺(tái)固定的底板等, 同時(shí)還要考慮模型制作和模型吊裝的方便問題。在滿足各方面功能要求之后, 還應(yīng)該綜合考慮模型箱與振動(dòng)臺(tái)的共同作用下對(duì)振動(dòng)波形的影響。
 模型箱在振動(dòng)情況下可以適應(yīng)土體在振動(dòng)方向的剪切變形**為重要。為了減少側(cè)壁為固定式的模型箱所引起的邊界效應(yīng), 目前用于動(dòng)力模型試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖溆袀?cè)壁吸波、層狀、疊環(huán)及鉸接式四種。側(cè)壁吸波材料多采用油灰, 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。Van Laak 等人設(shè)計(jì)采用層狀的側(cè)壁結(jié)構(gòu), 每一薄層之間采用滾球或滾棒搭接^{[ 23]} 。香港科技大學(xué)采用的層狀模型箱可用于水平多方向震動(dòng)的試驗(yàn)。劍橋大學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)等效剪切梁式模型箱^{[ 22]} , 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(dòng)剛度與多數(shù)原狀土的動(dòng)剛度平均值相同。美G加州大學(xué) Davis 離心機(jī)動(dòng)力模型試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?sup>[24] 設(shè)計(jì)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。
 
412 模型制作與觀測(cè)儀器 在動(dòng)力離心模型試驗(yàn)中, 根據(jù)模型律的要求, 振動(dòng)時(shí)間比尺是原型的 1PN ( 離心機(jī)加速度= Ng) , 而水在土體中的滲流時(shí)間比尺為原型的 1PN ² , 二者之間存在時(shí)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改變土的基本性質(zhì), 尤其不適合細(xì)粒土, 實(shí)際試驗(yàn)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(yàn)和滲流試驗(yàn)驗(yàn)證了摻加硅油不會(huì)明顯影響土的力學(xué)性質(zhì)^{[ 25]} , 但使用硅油的**大缺點(diǎn)是增加的黏滯性有限, 使用后設(shè)備難以清理, 造成污染。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^{[ 26]} , 經(jīng)過各種物理力學(xué)試驗(yàn)和動(dòng)力離心模型試驗(yàn)比較, 證明其完全可以用在動(dòng)力離心模型試驗(yàn)中。作者采用鈉羧基甲基纖維素( SCMC) , 其可以用更小的摻量達(dá)到液體黏滯性要求^{[ 27]} , 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012% 的SCMC 粉末, 即可使水在常溫下的粘稠度增大約 50 倍。
 
離心機(jī)振動(dòng)模型試驗(yàn)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(dòng)三軸試件的尺寸, 其飽和技術(shù)變得較為復(fù)雜。試驗(yàn)室需配備去離子水、黏度測(cè)量設(shè)備 CO2 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(shí)間較長, Ting 和 Whitman 曾提出一種超低壓砂土飽和法^{[ 28]} , 可將壓力降**- 750mmHg 以下, 從而大大提高模型試件的飽和度。
 
模型中常用的觀測(cè)儀器有微型加速度傳感器、微型孔隙水壓力傳感器、差動(dòng)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(yàn)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(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng), 因此必須確保支架與滑臺(tái)同步振動(dòng), 激光位移傳感器并非為振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)計(jì), 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(cè)到模型中超孔隙水壓力的消散過程, 但使用前必須對(duì)傳感器充分飽和; 加速度傳感器在埋設(shè)時(shí)必須保證傳感器的方向與振動(dòng)方向一致, 雙向震動(dòng)試驗(yàn)則需要埋設(shè)雙向加速度傳感器, 或者將兩個(gè)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 3 個(gè)垂直方向分別布置 3 個(gè)加速度傳感器, 以便真實(shí)記錄輸入的地震波信號(hào); 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(dòng)之前仔細(xì)檢查各量測(cè)通道, 確保各類傳感器能夠正常工作。 413 模型試驗(yàn)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(dòng); 固定模型箱后, 連接數(shù)采系統(tǒng), 檢查數(shù)采通道; 啟動(dòng)離心機(jī)及振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng), 同時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng), 達(dá)到設(shè)計(jì)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(dòng)過程中數(shù)據(jù)采集頻率通常為 2 500~ 3 000Hz, 也可以根據(jù)試驗(yàn)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(dòng)。多數(shù)模型試驗(yàn), 振動(dòng)在不到 1s 的時(shí)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(jì)算機(jī)中, 振動(dòng)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(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理分析。隨著計(jì)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(dòng)臺(tái)開始采用以上數(shù)據(jù)傳輸方式。
 
5 結(jié)語
 
 
一些發(fā)達(dá)G家的研究經(jīng)驗(yàn)表明, 土工離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)是研究土工抗震或振動(dòng)問題的**先進(jìn)有效的技術(shù)手段, 因此近 20 年來在這一*域的研究十分活躍。隨著機(jī)械制造技術(shù)、量測(cè)技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)的長足發(fā)展, 動(dòng)力離心模型試驗(yàn)設(shè)備的性能將會(huì)更好地滿足工程和研究需求。中G水利水電科學(xué)研究院目前籌建的大型水平+ 垂直雙向振動(dòng)臺(tái), 經(jīng)大量論證, 其設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)達(dá)**水平, 而且具有特色,該離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)的建設(shè)已引起G內(nèi)外同行的關(guān)注, 并將在巖土工程動(dòng)力模型試驗(yàn)研究*域發(fā)揮重要作用。
 
中G地震活動(dòng)頻度高、強(qiáng)度大、震源淺, 分布廣, 是一個(gè)震災(zāi)嚴(yán)重的G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(dòng)力離心模型試驗(yàn)方法, 可以節(jié)省在具體工程中埋設(shè)大量地震觀測(cè)設(shè)備的費(fèi)用, 可以及時(shí)取得試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)以改進(jìn)設(shè)計(jì)和計(jì)算方法, 可以更深刻地認(rèn)識(shí)土工結(jié)構(gòu)物振動(dòng)的機(jī)理和震害造成的影響。