一种离心机振动台试验异质模型的制备方法

本发明属于物理模型试验理论，具体涉及了一种离心机振动台试验异质模型的制备方法。

背景技术：

1、在我国的工程建设中存在一些处理地基深度较大的场地，在这些场地上进行高大堤坝建设、高填方路堤、上部高建构筑物的建设时，下部地基土处于高上覆应力的状态，存在液化风险。而我国建筑设计抗震规范仅对地表以下20m处土层有经验性的液化判别，美国nceer规范推荐对地表以下23m范围内土层进行液化评估，日本、新西兰规范的推荐深度均不超过20m。鉴于现有规范判别能力有限，开展物理模型试验对深厚覆盖层等高上覆应力的工况进行研究成为了新的尝试。而离心机振动台物理模拟试验，凭借其具有重现原型应力场的特点，应用逐渐广泛。

2、离心模型试验的原理是离心机转臂以角速度ω带动模型箱旋转，给模型箱施加一个n倍重力加速度的超重力场，其中n＝ω2r/g，这样如果采用与原型一致的材料，可以将原型场地的几何尺寸缩尺n倍，达到与原型应力场相一致的水平。因此离心机试验也称作等应力试验，主要克服了常重力试验应力不等带来的一系列问题。但离心机试验在模拟深厚覆盖层这类工况时，存在模拟能力不足的情况。我国西部某些深厚覆盖层可达上百米，而世界上最先进的uc davis的离心机振动台模拟能力仅为52.5m，因此提高离心机的模拟能力是一项急需解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中的问题，提升目前离心机振动台沿深度方向的模拟尺度，本发明的目的在于提供了一种离心机振动台试验异质模型的制备方法，本发明的基本思想是采用数倍于原位土体的异质材料，提高模型的部分自重应力，保证待研究土层的上覆应力等效，进而实现在等应力试验条件下研究模型的动力响应。

2、本发明所采用的技术方案如下，包括以下步骤：

3、步骤s1：首先，获取待测原型场地的深度hp和原型场地中可液化土层的厚度hsp，并按照以下公式处理得到原型场地中覆土层的厚度htp：

4、htp＝h p-hsp

5、其中，hp为待测原型场地的总深度，hsp为原型场地中可液化土层的厚度。

6、步骤s2：然后，确定待开展的离心机振动台试验的离心加速度a，a＝n*g，其中，n表示离心机振动台试验过程中预设的缩尺比例，g表示重力加速度，取g＝9.80m/s2，并获得实验模型的可液化土层单元厚度hkm；

7、步骤s3：接着，根据原型场地中覆土层的厚度htp获得原型场地中覆土层的应力σv，并确定预先选用的异质材料的材料重度γ，根据材料重度γ得到实验模型的上覆异质材料层厚度htm；

8、步骤s4：根据上述步骤得到的模型可液化土层单元厚度hkm和上覆异质材料层厚度htm逐层制备目标实验模型，然后利用制备好的目标实验模型对原型场地进行模拟试验，以获取原型场地中土层的加速度、孔隙水压力和剪切波速。

9、所述的原型场地包括天然覆盖层、基坑、大坝等。

10、所述步骤s2中，实验模型的可液化土层单元厚度hkm的获取步骤具体为：

11、首先，将原型场地中的可液化土层划分为n层原型可液化土层单元，然后，测量每一层原型可液化土层单元的厚度，接着，根据以下公式处理得到实验模型中第k层可液化土层单元的厚度hkm：

12、hkm＝hkp/n

13、其中，k表示原型可液化土层单元的序数，原型场地中的可液化土层自上而下进行分层，k＝1，2……n，n表示原型可液化土层单元的总层数，hkp表示第k层原型可液化土层单元的厚度。

14、所述步骤s3中，获得材料重度γ和上覆异质材料层厚度htm的具体步骤为：

15、步骤s31：首先，对预先备好的异质材料进行密度标定试验以获得异质材料的材料密度ρ，然后采用以下公式处理得到异质材料的材料重度γ：

16、γ＝ρ*g；

17、步骤s32：采用以下公式获得实验模型的上覆异质材料层厚度htm：

18、htm＝σv/(n*γ)。

19、所述的步骤s4具体为：

20、步骤s41：首先，取原型场地中可液化土层的土体为标定土体，在室内实验室中以标定土体作为原材料进行分层浇筑以形成实验模型的可液化土层；

21、步骤s42：在实验模型可液化土层的上表面浇填人工界面功能层以形成初始模型；

22、步骤s43：将初始模型放置在真空箱内，然后往初始模型中持续注入黏度为水的n倍的黏滞液体，同时将初始模型进行土体饱和：

23、若黏滞液体注入后形成的液面与人工界面功能层上表面齐平，则表明土体饱和完成，停止注入黏滞液体，然后将初始模型从真空箱中取出；

24、若黏滞液体注入后形成的液面低于人工界面功能层上表面，则表明土体饱和未完成，继续注入黏滞液体；

25、步骤s44：初始模型饱和完成后，在初始模型的上表面持续浇筑异质材料，异质材料在初始模型的上表面形成异质材料层，同时在异质材料层的内部埋设传感器，当异质材料层的厚度达到上覆异质材料层厚度htm时停止浇筑异质材料，并将此时浇筑有异质材料层的初始模型作为目标实验模型，最后利用制备好的目标实验模型对待测的原型场地进行模拟试验，以获取原型场地的加速度、孔隙水压力和剪切波速。

26、所述步骤s41中，浇筑出实验模型可液化土层的具体步骤为：根据n个实验模型的可液化土层单元厚度分别浇筑出n层实验模型的可液化土层单元，并在相邻的实验模型可液化土层单元之间埋设传感器，所述的实验模型可液化土层主要由n层实验模型可液化土层单元自上而下依次层叠形成。

27、所述步骤s42中，人工界面功能层的厚度h按照以下公式处理得到：

28、

29、其中，ρ异为实验模型的上覆异质材料层的密度，ρ′为实验模型的可液化土层的有效密度，km为人工界面功能层的渗透系数，kp为实验模型的上覆异质材料层的渗透系数。

30、所述的人工界面功能层形状采用锯齿状进行设计，使得实验模型的可液化土层和异质材料层之间通过锯齿状的人工界面功能层紧密贴合。

31、所述步骤s44中，原型场地的加速度、孔隙水压力和剪切波速的获取方式具体为：

32、首先，对目标实验模型进行基础土体实验，获得目标实验模型的加速度、孔隙水压力和剪切波速，所述原型场地的加速度为目标实验模型的加速度/n，原型场地的孔隙水压力等同于目标实验模型的孔隙水压力，原型场地的剪切波速等同于目标实验模型的剪切波速。

33、步骤s4中的传感器为加速度传感器、压力传感器或便携式弯曲元传感器。

34、为提升目前离心机振动台的最大模拟尺度，本发明在不改造原有硬件设备的前提下，提出一种异质模型的制备方法，基于应力等效的思想，通过采用高密度的异质材料，提高模型的部分自重应力，保证待研究土层的上覆应力与原位等效，还原了真实应力场，最终达到离心机振动台试验结果反映原位响应的目的。本发明在不改变离心机振动台硬件设施的前提下，突破了现有离心机振动台模拟能力瓶颈，提升了离心机振动台沿深度方向的模拟尺度。

35、本发明适用于模拟深厚覆盖层及上覆高填方建构筑物工况下的离心机振动台试验，基于应力等效的思想，通过采用高密度的异质材料，提高模型的部分自重应力，保证待研究土层的应力与模型渗透系数与原型一致，还原了真实应力场和渗透边界，最终达到离心机振动台试验结果反映原位响应的目的，简单易操作，低碳环保。

36、本发明的有益结果：

37、1、未对离心机振动台硬件设备进行改造，使用较为简单的制备模型工艺工法，降低了操作难度以及最大限度简化了试验流程，并且异质材料不与油液接触，具有可重复使用性，干净卫生，节能减排，低碳环保。

38、2、基于应力等效的原则，在感兴趣的土层上方浇填异质材料层，保证了上覆应力的力学等效，离心机振动台试验结果的真实性。

39、3、基于渗透等效的原则，在感兴趣的土层上方与异质材料层中间增设人工界面功能层，能保证模型的孔隙水消散时间与原型一致。

40、4、基于动力相似的原则，保证在异质模型边界处传递的动剪应力不失真。

41、5、避免了应力反射现象，最大限度的减少了地震波在材料交界面的折射与反射。

42、6、该方法可随离心机加速度值ng与感兴趣土层模型厚度h1m的变化改变异质模型材料层厚度h2m，灵活多变。