地震動力離心模型試驗外延分析方法
【專利摘要】本發明在于提供一種地震動力離心模型試驗外延分析方法，本發明的目的是用不等應力的小比尺動力離心模型試驗來研究高土石壩等大尺度工程的地震破壞機理與防災減災問題。本發明的技術思路是，用n個不等應力的小比尺動力離心模型試驗，通過模型應力逐漸逼近原型應力的方法擬合外延得到等應力比尺的試驗結果。本發明的地震動力離心模型試驗外延分析方法能夠以較小的比尺模擬大型工程，使離心機振動臺能夠應用于高土石壩等大型工程的地震破壞機理與防災減災措施有效性試驗研究。本發明為原來無法進行的大型工程地震問題模型試驗研究提供了一個科學的可行途徑。本發明顯著提升了高土石壩等大型工程的地震破壞機理與防災減災措施有效性試驗結果的合理性。
【專利說明】地震動力離心模型試驗外延分析方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于試驗理論【技術領域】，具體涉及一種地震動力離心模型試驗外延分析方法。特別適用于高土石壩地震破壞機理與地震防災減災措施有效性驗證試驗研究，同時還可應用于大型土工構筑物以及土石料與結構物問題的地震破壞機理試驗研究，使小比尺的動力離心模型試驗能夠應用于大型工程的地震防災減災研究。
【背景技術】
[0002]我國擁有水庫大壩9.8萬多座，其中IOOm級高土石壩超過百座，隨著水資源開發利用和西部大開發進程的推進，一批IOOm級甚至200-300m級的高土石壩正在建設或即將開工建設，這些高壩大庫大多位于高地震烈度區，一旦因地震出險甚至失事，后果將是災難性的，因此加強高土石壩地震破壞機理與抗震措施有效性研究顯得十分必要。
[0003]目前國內外常用的模型試驗方法可以分為兩類:
[0004](I)常規地面振動臺模型試驗方法。這種方法也稱為Ig重力場試驗方法。由于土石料應力變形特性具有明顯的非線性，在Ig重力場條件下，模型應力水平與原型相差過大，偏離了相似理論的要求，得出的試驗結果常與實際不符，甚至相反。
[0005](2)離心模型試驗方法。離心模型在理論上是力學相似性最好的物理模型試驗方法，其技術的核心是離心模型的應力與原型應力相等，是一個模型應力與原型應力相等的等比尺“全真型”模型試驗方法。它滿足主要的關鍵相似條件，可以進行直至破壞的全過程等應力力學模擬試驗，可以直接采用原型材料，比較簡捷地實現“全相似”。因此，離心模型試驗方法被認為是迄今為止相似性最好的力學模型試驗方法之一。
[0006]2002年，南京水利科學研究院章為民等研制成功了我國首臺離心機振動臺模型試驗系統。需要指出的是，盡管離心模型試驗方法理論基礎科學合理，相似性好，由于高土石壩幾何尺寸巨大，斷面尺寸大于1000米，長度數千米，即使目前世界上最大的離心機也不可能實現全等應力的“全相似”模擬。在可以預見的未來，要建成一個臺面尺寸15米，離心加速度IOOg,振動質量3000t,旋轉質量30000t的離心機振動臺，是無法想象的,其研發經費大于50億元，幾乎沒有建造的可能。
[0007]本發明的意義在于，用不等應力的小比尺動力離心模型試驗手段來研究高土石壩等大尺度工程的地震破壞機理與防災減災問題。
【發明內容】
[0008]本發明在于提供一種地震動力離心模型試驗外延分析方法，本發明的目的用不等應力的小比尺動力離心模型試驗來研究高土石壩等大尺度工程的地震破壞機理與防災減災問題。本發明的技術思路是，用η個不等應力的小比尺動力離心模型試驗，通過模型應力逐漸逼近原型應力的方法擬合外延得到等應力比尺的試驗結果。
[0009]本發明的技術方案是:
[0010]一種地震動力離心模型試驗外延分析方法，包括以下步驟:[0011]步驟I)按照幾何相似的要求設計模型，確定幾何相似常數nfi/N ；
[0012]步驟2)按照離心機振動臺的技術能力選擇η個重力相似常數，如η V η V η Vη V…rIng來進行η組模型試驗,其中n V n2g、n3g> n4g>…nng均小于N,且是逐漸增大、逐漸逼近N的；
[0013]步驟3)根據相似理論，當η g逐漸增大逼近N時，模型應力亦逐漸逼近原型應力，試驗的結果也逐漸增大逼近真值，當ng=N時，試驗的結果等于真值，通過模型應力逐漸逼近原型應力的方法擬合外延得到等應力比尺的試驗結果。
[0014]所述步驟I包括設計模型的幾何相似比尺的步驟:
[0015]按照式Il1=ImZlp=IZU根據大壩等構筑物的幾何尺寸與振動臺臺面尺寸的大小確定模型的幾何相似比尺，其中，Im為模型長度，Ip為原型長度，H1是幾何相似常數，Hg是重力相似常數，g是重力，I是長度，下標m表示模型，下標P表示原型。N是模型比尺，表示模型縮小的倍數，也表示模型重力加速度增大的倍數；
[0016]所述步驟2包括以下步驟:
[0017]I)設計重力加速度相似比尺:
[0018]根據離心機振動臺的最大工作加速度水平和最大激震能力，確定最大的重力加速度相似比尺ng，將％平均分為n (n>4)等份，得到Vg、n2g、n3g、n4g、…nngn個試驗的重力加速度相似比尺，Hig可按下式計算:
[0019]Ilig=I.ng/n
[0020]其中，i=l，2，3，..n;
[0021]2)進行n組離心模型試驗`。
[0022]按照幾何相似比尺為H1，重力相似比尺分別為Vg、n2g> nV η'、…nng，進行n組離心模型試驗,可得到n組試驗的結果。如VpVyVyV4'…vn* n組位移，以及n組沉降、n組孔隙水壓力、n組應力、n組加速度反應等，見表1:
[0023]表1變比尺離心模型試驗設計表
【權利要求】
1.一種地震動力離心模型試驗外延分析方法，其特征是包括以下步驟: 步驟I)按照幾何相似的要求設計模型，確定幾何相似常數nfi/N ； 步驟2)按照離心機振動臺的技術能力選擇η個重力相似常數，如η V n2g> η Vη V…rIng來進行η組模型試驗,其中n V n2g、n3g> n4g>…nng均小于N,且是逐漸增大、逐漸逼近N的； 步驟3)根據相似理論，當η g逐漸增大逼近N時，模型應力亦逐漸逼近原型應力，試驗的結果也逐漸增大逼近真值，當Hg=N時，試驗的結果等于真值。通過模型應力逐漸逼近原型應力的方法擬合外延得到等應力比尺的試驗結果。
2.根據權利要求1所述的地震動力離心模型試驗外延分析方法，其特征在于所述步驟I包括設計模型的幾何相似比尺的步驟: 按照式H1=InZlp=IzU根據大壩等構筑物的幾何尺寸與振動臺臺面尺寸的大小確定模型的幾何相似比尺，其中，Im為模型長度，Ip為原型長度，H1是幾何相似常數，％是重力相似常數，g是重力，I是長度，下標m表示模型，下標P表示原型。N是模型比尺，表示模型縮小的倍數，也表示模型重力加速度增大的倍數。
3.根據權利要求1所述的地震動力離心模型試驗外延分析方法，其特征在于所述步驟2包括以下步驟: 1)設計重力加速度相似比尺: 根據離心機振動臺的最大工作加速度水平和最大激震能力，確定最大的重力加速度相似比尺ng，將％平均分為n (n>4)等份，得到Vg、n2g、n3g、n4g、…nngn個試驗的重力加速度相似比尺，Hig可按下式計算: η.n g/n
其中，i=l，2，3,..n ； 2)進行n組離心模型試驗。 按照幾何相似比尺為H1，重力相似比尺分別為Vg、n2g> nV η'、…nng，進行η組離心模型試驗，可得到n組試驗的結果。如VpV^VyV4'…Vn* n組位移，以及n組沉降、n組孔隙水壓力、n組應力、n組加速度反應等，見表1: 表1變比尺離心模型試驗設計表
4.根據權利要求1所述的地震動力離心模型試驗外延分析方法，其特征在于所述步驟3包括以下步驟: O由模型值求取原型值: 根據表2的相似準則，把表1中的η組位移、η組沉降、η組孔隙水壓力、η組應力、η組加速度反應等物理量的模型值分別推演為原型值； 表2動力離心模型試驗相似準則
【文檔編號】G01N33/24GK103728436SQ201410017427
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月15日 優先權日:2014年1月15日
【發明者】章為民, 王年香, 陳生水, 徐光明, 顧行文, 曾友金, 任國峰, 傅華 申請人:水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院
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