土工离心机振动台及其试验技术

1、 作者简介 高级工程师 主要从事岩土工程 土工离心模拟试验研究土工离心机振动台及其试验技术侯瑜京岩土工程研究所 北京摘要 为此中国水利水电科学研究院计划在现有 大型土工离心机基础上 本文分析了部分国外离心机振动台的主要特点和研究同时介绍了动力离心模型试验所关键词 土工离心机 土工离心机通过采用高速旋转增加模型重力的方法 目前土工离心机的用途已十国际上自世纪年代以来建造了约特别是在地震多 发国家如日本 已经建设了由于人们对于自然灾害和环境的关注 其计算结果受计算参数和本构数 测资料并用于验证数值分析结果 因此土析方法的同时 本文分水利水电科学研究院拟建的大型离心机振动台经过初步论证后的主要技术参

2、数 其各项技术指标与国 文中同时简要介绍了动力离心模型试验常用的附属实验 美国和英国的 个离参加研究的单位有试 验针对在试验完成之前由另外一组研究人员利用各自的本构数学 模型 由于动力离心模型试验中输入的地震波与计 算采用的地震波略有差别只要振动装置能够产生符合要求的地震输入和比较了以下动力分析程序 和 程序 间接耦合动力反应程序 和年 月 日在美国山区发生了里氏 土石坝事先在坝趾和坝顶埋设安装加速 该坝高 坝顶的最大水平加速 度达到 离 心机对采用接近近年来日本在土工离心机及振动设备的制造和研究领域更为活跃 先后建造了大林组株式会社土 等人曾日本 等人还研究了倾斜地面由于地震液 日本东 由于

3、日本的离 心机振动台较多香港科技大学于利用该离心机振动台曾经对风化花岗岩松散填土边坡在地震情况下的变形和稳定进 利用该双向振动台 清华大学于 小型离心机上研制安装一 同济大学也正在该校新建的 离心机上安装一台振动台离心机振动台主要类型及特点如果模型比尺原型 离心机加速度须达到 的模型负载将会相当于原型根据模型相似率的要求 振动台输入的震动频率为原型地震频率的加速度为原型的由剑桥大学的 由液压装置触发振动 在模型最大加速度为动频率取决于弹簧刚度和模型的质量 难以满足特定的震动要 这一装置实际上也可以考虑通过增加阻尼系统调整振动次数 也可以增加爆炸系统以增加高频的法国连接 当药室发生一系列微差爆炸

4、时其优点是系统造价低其缺点于 等人在 波形轨道安装在离心 机主机室的侧壁 占整个侧壁的使用这种装置可以在离心机加速度和 其缺点是波形噪音大 振动频率取决于离心利用压电陶瓷极化后 这一概念 和 此后由 等于 年在加州大学 其优点是体积较小 容易采用数字化准确控制振 耗电量较大 另外难以日本 于 年介绍了用感应绕阻产生磁场 该方法可日本清水公司的离心机振动台采用 最大振动加速度为波形 具有较大的灵活性系统的关键部位是其高压储油器在瞬间释放油压 表 部分电液振动系统参数单位动力模型试验离 最大振动 最大振动频率最大负载备注美国加州理工学院美国科罗拉多大学日本大林组技术研究所日本清水公司日本大成公司日

5、本东京工业大学日本东京工业大学日本土木研究所日本港湾研究所日本东京大学防灾研究院香港科技大学南京水电科学研究院清华大学中国水利水电科学研究院正在建设的大型离心机振动台及其技术参数中国水利水电科学研究院于 年建成的大型土工离心模拟试验机 其有效负载为为了取得可靠的地震模拟试验结果 振动台需要 满足以下要求振动波形应具有可重复性 地面上输入及输出最大振动误 差应小于 振幅误差应小于表表 中国水利水电科学研究院离心机动力设备参数注 图 支承在底座上 而且能相对于 底座产生可以控制的水平或垂直振动 电液激振系统由电液伺服阀和布置在不同方向的几组作动器组成 它是振动台的核心 作动器与振 动台是一个整体

6、伺服阀根据 计算机发出的振动信号和振动台上的位移和加速度传感器的信号反馈 该方法的 另一优点是不需要液压环 该振动台布置在重新设计的配重 目前该大型 动力离心模型试验附属设备及试验技术 模型设计与模型箱为了能够模拟在地震方向无限延伸的地层和 为了避免模型箱侧壁的反射作用 解决的方法除了尽量采用自由边界以外 便是将模型箱沿振方向 模型箱的内部尺寸模型箱除了各种柔性 同时还要考虑模型制作 为了减少侧壁为固定式的模 侧壁吸 土工离心机振动台及其试验技术 侯瑜京 波材料多采用油灰 硅橡胶等涂于刚性模型箱的侧壁 以吸收应力波的反射和折射 等人设计 香港科技大学采用的层状模型箱可用于 采用层状的侧壁结构

7、每一薄层之间采用滚球或滚棒搭接 水平多方向震动的试验 剑桥大学设计了一个等效剪切梁式模型箱 为矩形框架的叠环结构 采用 橡胶和铝板互层 旨在使模型箱的动刚度与多数原状土的动刚度平均值相同 美国加州大学 离 心机动力模型试验模型箱 设计采用了侧壁铰接式的模型箱 每一层矩形空心铝环之间有一层橡胶 这层柔性橡胶使得模型箱可以和土体一起变形 模型制作与观测仪器 在动力离心模型试验中 根据模型律的要求 振动时间比尺是原型的 ? 离心机加速度 而水在土体中的渗流时间比尺为原型的 ? 二者之间存在时间比尺不相似的 矛盾 因此需要通过减小颗粒粒径或增大液体黏滞性的方法使相似关系得到满足 由于减少颗粒粒径 容易

8、改变土的基本性质 尤其不适合细粒土 实际试验中多采用增大液体黏滞性的方法 初期研究人员多采用硅油作为孔隙液体掺加到土里 并通过三轴试验和渗流试验验证了掺加硅油 但使用硅油的最大缺点是增加的黏滞性有限 使用后设备难以清理 造 不会明显影响土的力学性质 成污染 另外有些学者采用羟基甲基纤维素与蒸馏水拌和来提高液体的黏滞性 经过各种物理力学 试验和动力离心模型试验比较 证明其完全可以用在动力离心模型试验中 作者采用钠羧基甲基纤维 素 其可以用更小的掺量达到液体黏滞性要求 此材料为白色粉末状 无毒无味 原用于制造 药品和食品 仅需在蒸馏水中掺加约 的 粉末 即可使水在常温下的粘稠度增大约 倍 离心机振

9、动模型试验采用的多为饱和模型 由于模型的尺寸远大于常规静动三轴试件的尺寸 其饱 和技术变得较为复杂 试验室需配备去离子水 黏度测量设备 瓶 液体拌和工具 真空泵等 由于 采用了黏滞性液体 因此饱和需要的时间较长 压力降至 和 曾提出一种超低压砂土饱和法 可将 以下 从而大大提高模型试件的饱和度 模型中常用的观测仪器有微型加速度传感器 微型孔隙水压力传感器 差动式位移传感器 激光位 移传感器以及近年来发展的各种光纤传感器等 摄影摄像系统主要用于模型静力试验的过程 在模型 起振过程中几乎无法使用 位移类传感器由于传感器支架与模型箱在振动过程中会产生相对运动 因此 必须确保支架与滑台同步振动 激光位

10、移传感器并非为振动试验设计 应慎重使用或进行特殊的加固处 理 微型孔隙水压力传感器常可以有效地观测到模型中超孔隙水压力的消散过程 但使用前必须对传感 器充分饱和 加速度传感器在埋设时必须保证传感器的方向与振动方向一致 双向震动试验则需要埋设 双向加速度传感器 或者将两个单向加速度传感器垂直固定在一起 通常在模型箱底板外侧沿 个垂直 方向分别布置 个加速度传感器 以便真实记录输入的地震波信号 各类传感器均需要在使用前经过地 面上严格率定 在埋入模型之后 离心机起动之前仔细检查各量测通道 确保各类传感器能够正常工作 模型试验及数据采集分析 由于模型与液体共存 因此模型箱的吊装更需要平稳 减少振动

11、固定 模型箱后 连接数采系统 检查数采通道 启动离心机及振动台控制系统 同时启动数据采集系统 达到 设计加速度后 等待模型中由于离心机升速引起的超孔压全部消散 振动过程中数据采集频率通常为 也可以根据试验要求采用更高的数采频率 在调整数采频率之后 迅速输入预设的地震 波使模型产生振动 多数模型试验 振动在不到 的时间内完成 因此大量的数据暂存在位于离心机 转轴附近的计算机中 振动完成后可以通过滑环或无线传输系统将数据导入主控室的计算机中进行处 理分析 随着计算机及网络技术的飞速发展 多数离心机振动台开始采用以上数据传输方式 结语 一些发达国家的研究经验表明 土工离心机振动台是研究土工抗震或振动

12、问题的最先进有效的技 术手段 因此近 年来在这一领域的研究十分活跃 随着机械制造技术 量测技术和数据采集技术的 长足发展 动力离心模型试验设备的性能将会更好地满足工程和研究需求 目前筹建的大型水平 中国水利水电科学研究院 垂直双向振动台 经大量论证 其设计技术指标达世界领先水平 而且具有特色 该离心机振动台的建设已引起国内外同行的关注 并将在岩土工程动力模型试验研究领域发挥重要作 土工离心机振动台及其试验技术 侯瑜京 用 中国地震活动频度高 强度大 震源浅 分布广 是一个震灾严重的国家 许多在建或拟建工程 包 括水电站 尾矿坝工程 调水工程建筑物等多位于高发地震区 采用动力离心模型试验方法 可以节省 在具体工程中埋设大量地震观测设备的费用 可以及时取得试验观测数据以改进设计和计算方法 可以 更深刻地认识土工结构物振动的机理和震害造成的影响 参 考 文 献 濮家骝 李树勤 土工离心模型试