NS-2型水平单向离心机振动台研制及性能验证

顾行文; 任国峰; 王年香; 徐光明

doi:10.11779/CJGE2020S2013

NS-2型水平单向离心机振动台研制及性能验证 English Version

南京水利科学研究院岩土工程研究所,江苏　南京210024

基金项目:

国家重点研发计划课题 2017YFC0404905

中国地震局地震工程与工程振动重点实验室开放基金项目 2019D23

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目 Y319001

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目 Y319002

详细信息

作者简介:
顾行文（1981— ）,男,高级工程师,主要从事土工静动力离心模型试验研究。E-mail：xwgu@nhri.cn

通讯作者:
任国峰, E-mail：gfren@nhri.cn

中图分类号: TU411.8
计量
- 文章访问数: 073
- HTML全文浏览量: 0
- PDF下载量: 056
出版历程
- 收稿日期: 2020-08-06
- 网络出版日期: 2022-12-07
- 刊出日期: 2020-10-31

Development and performance tests on NS-2 horizontal unidirectional centrifugal shaker

Department of Geotechnical Engineering, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210024, China

摘要

摘要: 基于土工离心机振动台系统的动力离心模型试验技术是公认的研究岩土工程地震问题最为有效、最为先进的研究方法和试验技术,其原理在于通过土工离心机的高速旋转,恢复与原型相同的自重应力水平,然后借助于离心机振动台系统再现原型在实际应力条件下的真实动力反应。为此,主要介绍了南京水利科学研究院研制成功的NS-2型离心机振动台系统设计关键技术和性能指标,可在80g重力加速度下开展有效负重小于500 kg水平单向地震动响应模拟。通过某沥青混凝土心墙砂砾石坝动态离心模型试验,初步验证了离心机振动台系统性能指标,完全满足工程实际需要。
- 离心机 /
- 振动台 /
- 性能评价 /
- 模型试验
Abstract: The dynamic centrifuge model test technology based on the geo-centrifugal shaking table system is the most effective and advanced research method and test technology for geotechnical engineering seismic problems. The principle is that the real dynamic response of the prototype under the actual stress condition can be reproduced by means of the centrifugal shaking table system installed on the centrifuge, which is used to restore the same stress level with the prototype. The key design technology and performance index of the NS-2 centrifugal shaker system are mainly introduced, which can simulate the horizontal unidirectional seismic response with effective load less than 500 kg under 80g. The performance index of the centrifugal shaker system is preliminarily verified by the dynamic centrifugal model tests on a rockfill dam with asphalt concrete core, which completely meets the practical needs of the project.
- centrifuge /
- shaking table /
- performance evaluation /
- model test

HTML全文

0. 引言

近年来,国内外学者针对经历循环荷载历史后土体的剪切特性进行了大量研究^[1-5]。一般来说,循环荷载会使土体的超孔隙水压力增大,平均有效应力降低,从而导致土体的循环后强度降低。王淑云等^[1]针对重塑粉质黏土,在不同围压下进行了一系列静三轴和动-静三轴不排水试验,发现粉质黏土的振后不排水强度衰减程度取决于动载引起的动应变和孔压值；郑刚等^[2]认为原状土样的振后不排水抗剪强度显著衰减,而重塑土的抗剪强度变化不甚明显；Moses等^[3]发现土体的振后不排水强度随循环荷载幅值的增加而减小；Yasuhara等^[5]研究了重塑Ariake黏土的循环后剪切特性,发现循环荷载作用后土体累积孔压可以很好地评价振后不排水剪切强度,并提出了预测土体振后抗剪强度的经验模型。

然而,经历循环荷载作用后的土体往往处于未固结和完全固结的中间状态,该状态可用振后固结度这一概念进行描述。目前针对原状软土在不同振后固结度条件下的剪切特性研究较少。因此,有必要针对不同振后固结度下的软土振后剪切特性进行研究。本文选取珠江入海口原状软土,通过一系列的动-静三轴试验,分析了初始围压,循环应力比以及振后固结度对土体振后剪切特性的影响,以期加深对软土振后静力特性的理解,为工程设计提供试验基础。

1. 土体试样和试验方案

1.1 土样基本物理力学特性

试验选取珠江入海口原状软土为研究对象,土壤呈深灰色,取土深度为0～7 m。依据《土工试验规程（GB/T 50123—2019）》获得土体的基本物理力学指标和土体的粒径分布曲线分别见表1和图1所示。

表 1 原状软土基本物理力学指标值

Table 1. Indices of basic physical and mechanical properties of undisturbed soft soils

物理力学特性	取值
天然密度ρ/(g·cm^-3)	1.54~1.79
含水率w/%	38.3~69.1
孔隙比e	1.12~1.91
相对质量密度G_s	2.71
液限w_L/%	38.5~61.8
塑限w_P/%	19.4~28.0
塑性指数I_P	19.1~33.8
渗透系数K/(10^-7cm·s^-1)	8.79~10.80
压缩系数a_v/MPa^-1	0.48~1.15
侧压力系数K₀	0.44

下载: 导出CSV

| 显示表格

图 1 粒径分布曲线

Figure 1. Grain-size distribution curve

下载: 全尺寸图片幻灯片

1.2 试验方案

通过薄壁取土器进行现场取土,并将原状土样保存在恒温恒湿箱中。按照《土工试验方法标准（GB/T 50123—2019）》的要求,将土体制成直径38 mm,高76 mm的原状试样,并采用真空饱和及反压饱和法对试样进行饱和。首先对所有圆柱试样进行真空饱和,然后将试样置于压力室内进行反压饱和,当B值达到0.95以上时,可认为土体已经饱和。随后,对试样施加一定的固结压力,进行等向固结,当试样排水体积速率小于100 mm³/h时,认为土样固结完成。为研究有效固结围压对振后强度的影响,本次试验中选取有效固结围压分别为20,40,60 kPa。

对固结完成后的土体在不排水状态下开展循环三轴试验,并采用Sakai等^[6]提出的循环应力比CSR描述循环偏应力大小,即

$CSR = q / 2 {p^{'}}_{0} = q / 2 {σ^{'}}_{3}$ ,

(1)

式中,q为循环偏应力幅值, ${p^{'}}_{0}$ 为固结完成后的有效围压。为研究CSR对振后土体强度的影响,在围压为60 kPa下,CSR值分别取0.08,0.17,0.25,0.33。循环轴向偏应力采用半正弦波形,频率为0.1 Hz,且循环振次为1000次。

对振动后的试样再次进行固结过程,并采用振后固结度这一概念描述振后土体固结程度。试验过程中为得到不同振后固结度的土体,可通过向振后试样施加不同的反压。具体为：向经历循环荷载作用后的土体施加一定的反压p_u,此时,振后土体在一定围压作用下进行固结,振动过程中产生的超孔隙水压力将逐渐降低直至与反压相等。因此,振后不同固结度U_r可通过下式计算得到,

$U_{r} = 1 - \frac{p_{u}}{{(Δ u)}_{cy}}$ ,

(2)

式中,p_u为再固结过程中施加在试样上的反压,(∆u)_cy为振动过程中产生的超孔隙水压力。

当试样再次固结完成后,对土体进行三轴固结不排水剪切试验。其中,剪切过程中均采用应变控制,剪切速率为0.1%/min。当应变达到20%时,试验结束。对于经历和未经历循环荷载作用的土体而言,若静力剪切过程中应力应变曲线出现峰值点,其不排水抗剪强度为峰值偏应力的1/2；若未出现峰值点,则土体不排水抗剪强度取20%应变处对应偏应力的1/2。整个试验方案如表2所示,其中ST-20,ST-40和ST-60为未经历循环荷载作用的土体在不同围压条件下的静三轴试验。经历和未经历循环荷载作用的土体强度用S_u表示。

表 2 试验方案

Table 2. Test schemes

试样编号	${p^{'}}_{0}$ /kPa	q^ampl/kPa	CSR	循环次数	U_r/%	S_u/kPa
U₀₁	20	10	0.25	1000	0	20.2
U₀₂	20	10	0.25	1000	25	24.4
U₀₃	20	10	0.25	1000	75	22.8
U₀₄	20	10	0.25	1000	100	33.0
U₀₅	40	20	0.25	1000	100	40.4
U₀₆	60	30	0.25	1000	100	39.5
U₀₇	60	10	0.08	1000	100	32.7
U₀₈	60	20	0.17	1000	100	31.5
U₀₉	60	40	0.33	1000	100	42.9
ST-20	20	—	—	—	—	28.5
ST-40	40	—	—	—	—	33.4
ST-60	60	—	—	—	—	33.5

下载: 导出CSV

| 显示表格

2. 试验结果

2.1 固结围压对振后土体强度的影响

图2展示了循环荷载后完全固结试样在不同围压下的偏应力-应变曲线。其中,CSR=0.25,U_r= 100%。可以看出,不同围压下的q-ε曲线变化趋势相同。当应变较低时,应力在小应变范围内迅速增加。随着应变的增加,应力增速放缓,当轴向应变为20%左右时,偏应力趋于稳定。不同围压下完全固结的振后试样强度大于相同围压无循环荷载作用历史的土体静强度。例如,当围压为60 kPa时,试样的振后强度比未经历循环荷载作用下的强度大6.0 kPa。此外,对比发现,实验条件相同的情况下,振后土体的抗剪强度随着围压的增加基本呈增大趋势。具体为完全固结的振后试样在初始固结围压为20,40,60 kPa时,对应的抗剪强度分别为33.0,40.4,39.5 kPa。

图 2 不同围压下振后土体的偏应力-应变曲线

Figure 2. Post-cyclic deviator stress-strain curves under different confining pressures

下载: 全尺寸图片幻灯片

2.2 循环应力比对振后土体强度的影响

图3展示了不同循环应力比循环荷载作用后完全固结试样（U_r=100%）的偏应力-应变曲线。其中,初始固结围压为60 kPa。可以看出,初始应变随着CSR的增加而增加。当CSR值分别为0.08,0.17,0.25和0.33时,对应的初始应变分别为0.24%,0.43%,0.66%,4.27%。当CSR>0.25时,试样的振后剪切强度明显大于静态剪切强度（表2）。相较于未经历循环荷载的土体静强度,当CSR=0.08时,振后土体强度增幅为-0.8 kPa；当CSR=0.33时,振后土体强度增幅为9.4 kPa。同样地,土体振后剪切强度随着CSR的增大而增大。当CSR从0.08增大到0.33时,土体振后剪切强度从32.7 kPa增大到42.9 kPa。

图 3 不同循环应力比下振后土体的偏应力-应变曲线

Figure 3. Post-cyclic deviator stress-strain curves under different CSRs

下载: 全尺寸图片幻灯片

2.3 振后固结度对振后土体强度的影响

图4为不同振后固结度下土体的偏应力-应变曲线。其中,初始固结围压为20 kPa,CSR=0.25。通过与未经历动荷载的试样q-ε曲线对比发现,U_r在75%～100%存在临界值,使得振后土体强度等于相同围压下未经历动荷载作用的土体强度。当固结围压为20 kPa,固结度为0%,25%,75%,100%时,抗剪强度分别为20.2,24.4,22.8,33.0 kPa。试验结果表明土体的振后抗剪强度随U_r的增大而增加。

图 4 不同振后固结度下振后土体的偏应力-应变曲线

Figure 4. Post-cyclic deviator stress-strain curves under different degrees of reconsolidation

下载: 全尺寸图片幻灯片

3. 结论

本文通过对珠江入海口原状软土开展一系列动、静三轴试验,对其振后强度特性进行了研究。

（1）经历循环荷载作用后的土体,不同因素影响下对应的偏应力-应变曲线变化趋势基本一致。不同固结围压影响下,振后完全固结试样的振后抗剪强度大于未经历动荷载土体静强度。另一方面,土体振后抗剪强度随初始固结围压的增大呈增加趋势。

（2）当循环应力比大于0.25时,振后完全固结状态下土体剪切强度明显大于相同围压下未经历循环荷载作用的土体静态剪切强度。另一方面,振后完全固结的土体,其振后剪切强度随着循环应力比的增大而增加。

（3）土体振后抗剪强度随振后固结度的增加而增大,且振后固结度存在某一临界值,使得土体的振后抗剪强度与相同围压条件下未经历循环荷载作用的土体抗剪强度基本一致。

图 1 离心机振动台示意

Figure 1. Sketch of centrifuge shaking table

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 离心机振动台组成

Figure 2. Components of centrifuge shaking table

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 离心机振动台管路系统

Figure 3. Piping of centrifuge shaking table

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 波形控制系统

Figure 4. Waveform control system

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 总体布置图

Figure 5. General layout

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 模型试验布置图

Figure 6. Layout of model tests

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 砂砾石料颗粒级配曲线

Figure 7. Grain-size distribution curves of gravel

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 8 模型M1目标地震波和实际输入波时程曲线

Figure 8. Time histories of target seismic waves and actual input waves for model M1

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 9 模型M2目标地震波和实际输入波时程曲线

Figure 9. Time histories of target seismic waves and actual input waves for model M2

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 10 坝体坝轴线最大加速度和放大系数沿坝高分布

Figure 10. Distribution of maximum acceleration and amplification coefficient of acceleration along dam height

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 11 M1坝体破坏

Figure 11. Dam failure of M1

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 12 M2坝体破坏

Figure 12. Dam failure of M2

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 13 设计地震波作用下坝轴线加速度及放大系数分布

Figure 13. Distribution of acceleration and amplification coefficient of acceleration under design seismic waves

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 14 校核地震波作用下坝轴线加速度及放大系数分布

Figure 14. Distribution of acceleration and amplification coefficient of acceleration under check seismic waves

下载: 全尺寸图片幻灯片

参考文献(7)

[1]	侯瑜京. 土工离心机振动台及其试验技术[J]. 中国水利水电科学研究院学报, 2006, 4(1): 15-22. doi: 10.3969/j.issn.1672-3031.2006.01.003 HOU Yu-jing. Centrifuge shakers and testing technique[J]. Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research, 2006, 4(1): 15-22. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1672-3031.2006.01.003
[2]	章为民, 日下部治. 砂性地基地震反应离心模型试验研究[J]. 岩土工程学报, 2001, 23(1): 28-31. doi: 10.3321/j.issn:1000-4548.2001.01.006 ZHANG Wei-min, KUSAKABE O. Dynamic centrifuge model test of sandy layer[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2001, 23(1): 28-31. (in Chinese) doi: 10.3321/j.issn:1000-4548.2001.01.006
[3]	张建民, 于玉贞, 濮家骝, 等. 电液伺服控制离心机振动台系统研制[J]. 岩土工程学报, 2004, 26(6): 843-845. doi: 10.3321/j.issn:1000-4548.2004.06.023 ZHANG Jian-min, YU Yu-zhen, PU Jia-liu, et al. Development of a shaking table in electro-hydraulic servo-control centrifuge[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2004, 26(6): 843-845. (in Chinese) doi: 10.3321/j.issn:1000-4548.2004.06.023
[4]	王年香, 章为民. 混凝土面板堆石坝动态离心模型试验研究[J]. 岩土工程学报, 2003, 25(4): 504-507. doi: 10.3321/j.issn:1000-4548.2003.04.027 WANG Nian-xiang, ZHANG Wei-min. Dynamic centrifuge model test for concrete face rock fill dam[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2003, 25(4): 504-507. (in Chinese) doi: 10.3321/j.issn:1000-4548.2003.04.027
[5]	TAYLOR R N. Geotechnical Centrifuge Technology[M]. Glasgow: Blackie Academic and Professional, 1995.
[6]	王年香, 章为民. 土工离心模型试验技术与应用[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2015. WANG Nian-xiang, ZHANG Wei-min. Geotechnical Centrifuge Technology and Application[M]. Beijing: China Building Industry Press, 2015. (in Chinese)
[7]	章为民, 赖忠中, 徐光明. 电液式土工离心机振动台的研制[J]. 水利水运工程学报, 2002(1): 63-66. doi: 10.3969/j.issn.1009-640X.2002.01.014 ZHANG Wei-min, LAI Zhong-zhong, XU Guang-ming. Development of an electrohydraulic shake table for the centrifuge[J]. Hydro-science and Engineering, 2002(1): 63-66. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1009-640X.2002.01.014

施引文献(17)

期刊类型引用(13)

1.	杨东东. 基于孔压静力触探的土层分类研究. 中国新技术新产品. 2024(04): 102-104 . 百度学术
2.	马昌慧，陈义平，郭峰，李栋广. 浅析基坑工程的优化设计方法. 工程勘察. 2024(04): 26-30 . 百度学术
3.	魏军. 大型自升式海工平台桩靴地基土工程特性试验研究. 江苏建筑. 2024(02): 96-100+120 . 百度学术
4.	李伟. 软基处理PST桩复合地基加固机理及CPTU验证. 山西建筑. 2024(11): 76-80+85 . 百度学术
5.	时文峰，丁川，仇涛，童立元，王逸凡，马海洋. 地下工程预制梁钢筋骨架安装与成型技术研究. 建筑技术. 2024(16): 1924-1928 . 百度学术
6.	肖乾，袁颖，汪婷. 基于系统聚类算法的CPT土体分层试验研究. 湖北理工学院学报. 2024(06): 36-41 . 百度学术
7.	卢云龙，戴正彬，汤国毅. 基于静力触探对深基坑突涌区地层扰动的分析. 土工基础. 2023(01): 157-160 . 百度学术
8.	丁剑桥. 基于静力触探的桩基承载力及数值模拟分析. 安徽建筑. 2023(03): 135-136+173 . 百度学术
9.	吴早生，胡春东，白浩东，沙鹏，黄曼，王天佐. 静力触探深度与垂直度实时智能监测系统的应用研究. 中国新技术新产品. 2023(04): 90-93 . 百度学术
10.	曹振平，曾彪，张雨波，孟韬，周盛生，谷军. 基于CPTU的长江河漫滩相软土夹层分布特征与渗透特性评价. 勘察科学技术. 2023(03): 43-48+64 . 百度学术
11.	吴早生，白浩东，胡春东，沙鹏，黄曼，张鑫，王天佐. 基于静力触探数据的绍兴平原地区土层参数分析评价. 岩土工程技术. 2023(06): 692-699 . 百度学术
12.	郭全元，钟仕兴，肖旺. 基于孔压静力触探（CPTU）及扁铲侧胀试验（DMT）南沙软土力学特性研究. 广东土木与建筑. 2022(06): 26-29 . 百度学术
13.	周燕国，王智男，马强，梁甜，陈云敏. ZJU-400离心机机载微型CPTu装置研制与性能测试. 岩土工程学报. 2022(S2): 11-15 . 本站查看

其他类型引用(4)

资源附件(0)

图(14)

计量

文章访问数:
HTML全文浏览量: 0
PDF下载量:
被引次数: 17

0. 引言
1. 土体试样和试验方案
1.1 土样基本物理力学特性
1.2 试验方案
2. 试验结果
2.1 固结围压对振后土体强度的影响
2.2 循环应力比对振后土体强度的影响
2.3 振后固结度对振后土体强度的影响
3. 结论

NS-2型水平单向离心机振动台研制及性能验证 English Version

作者简介: 顾行文（1981— ）,男,高级工程师,主要从事土工静动力离心模型试验研究。E-mail：xwgu@nhri.cn

通讯作者: 任国峰, E-mail：gfren@nhri.cn

计量

出版历程