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地震动力离心模型试验外延分析方法
【专利摘要】本发明在于提供一种地震动力离心模型试验外延分析方法，本发明的目的是用不等应力的小比尺动力离心模型试验来研究高土石坝等大尺度工程的地震破坏机理与防灾减灾问题。本发明的技术思路是，用n个不等应力的小比尺动力离心模型试验，通过模型应力逐渐逼近原型应力的方法拟合外延得到等应力比尺的试验结果。本发明的地震动力离心模型试验外延分析方法能够以较小的比尺模拟大型工程，使离心机振动台能够应用于高土石坝等大型工程的地震破坏机理与防灾减灾措施有效性试验研究。本发明为原来无法进行的大型工程地震问题模型试验研究提供了一个科学的可行途径。本发明显著提升了高土石坝等大型工程的地震破坏机理与防灾减灾措施有效性试验结果的合理性。
【专利说明】地震动力离心模型试验外延分析方法
【技术领域】
[0001]本发明属于试验理论【技术领域】，具体涉及一种地震动力离心模型试验外延分析方法。特别适用于高土石坝地震破坏机理与地震防灾减灾措施有效性验证试验研究，同时还可应用于大型土工构筑物以及土石料与结构物问题的地震破坏机理试验研究，使小比尺的动力离心模型试验能够应用于大型工程的地震防灾减灾研究。
【背景技术】
[0002]我国拥有水库大坝9.8万多座，其中IOOm级高土石坝超过百座，随着水资源开发利用和西部大开发进程的推进，一批IOOm级甚至200-300m级的高土石坝正在建设或即将开工建设，这些高坝大库大多位于高地震烈度区，一旦因地震出险甚至失事，后果将是灾难性的，因此加强高土石坝地震破坏机理与抗震措施有效性研究显得十分必要。
[0003]目前国内外常用的模型试验方法可以分为两类:
[0004](I)常规地面振动台模型试验方法。这种方法也称为Ig重力场试验方法。由于土石料应力变形特性具有明显的非线性，在Ig重力场条件下，模型应力水平与原型相差过大，偏离了相似理论的要求，得出的试验结果常与实际不符，甚至相反。
[0005](2)离心模型试验方法。离心模型在理论上是力学相似性最好的物理模型试验方法，其技术的核心是离心模型的应力与原型应力相等，是一个模型应力与原型应力相等的等比尺“全真型”模型试验方法。它满足主要的关键相似条件，可以进行直至破坏的全过程等应力力学模拟试验，可以直接采用原型材料，比较简捷地实现“全相似”。因此，离心模型试验方法被认为是迄今为止相似性最好的力学模型试验方法之一。
[0006]2002年，南京水利科学研究院章为民等研制成功了我国首台离心机振动台模型试验系统。需要指出的是，尽管离心模型试验方法理论基础科学合理，相似性好，由于高土石坝几何尺寸巨大，断面尺寸大于1000米，长度数千米，即使目前世界上最大的离心机也不可能实现全等应力的“全相似”模拟。在可以预见的未来，要建成一个台面尺寸15米，离心加速度IOOg,振动质量3000t,旋转质量30000t的离心机振动台，是无法想象的,其研发经费大于50亿元，几乎没有建造的可能。
[0007]本发明的意义在于，用不等应力的小比尺动力离心模型试验手段来研究高土石坝等大尺度工程的地震破坏机理与防灾减灾问题。

【发明内容】

[0008]本发明在于提供一种地震动力离心模型试验外延分析方法，本发明的目的用不等应力的小比尺动力离心模型试验来研究高土石坝等大尺度工程的地震破坏机理与防灾减灾问题。本发明的技术思路是，用η个不等应力的小比尺动力离心模型试验，通过模型应力逐渐逼近原型应力的方法拟合外延得到等应力比尺的试验结果。
[0009]本发明的技术方案是:
[0010]一种地震动力离心模型试验外延分析方法，包括以下步骤:[0011]步骤I)按照几何相似的要求设计模型，确定几何相似常数nfi/N ；
[0012]步骤2)按照离心机振动台的技术能力选择η个重力相似常数，如η V η V η Vη V…rIng来进行η组模型试验,其中n V n2g、n3g> n4g>…nng均小于N,且是逐渐增大、逐渐逼近N的；
[0013]步骤3)根据相似理论，当η g逐渐增大逼近N时，模型应力亦逐渐逼近原型应力，试验的结果也逐渐增大逼近真值，当ng=N时，试验的结果等于真值，通过模型应力逐渐逼近原型应力的方法拟合外延得到等应力比尺的试验结果。
[0014]所述步骤I包括设计模型的几何相似比尺的步骤:
[0015]按照式Il1=ImZlp=IZU根据大坝等构筑物的几何尺寸与振动台台面尺寸的大小确定模型的几何相似比尺，其中，Im为模型长度，Ip为原型长度，H1是几何相似常数，Hg是重力相似常数，g是重力，I是长度，下标m表示模型，下标P表示原型。N是模型比尺，表示模型缩小的倍数，也表示模型重力加速度增大的倍数；
[0016]所述步骤2包括以下步骤:
[0017]I)设计重力加速度相似比尺:
[0018]根据离心机振动台的最大工作加速度水平和最大激震能力，确定最大的重力加速度相似比尺ng，将％平均分为n (n>4)等份，得到Vg、n2g、n3g、n4g、…nngn个试验的重力加速度相似比尺，Hig可按下式计算:
[0019]Ilig=I.ng/n
[0020]其中，i=l，2，3，..n;
[0021]2)进行n组离心模型试验`。
[0022]按照几何相似比尺为H1，重力相似比尺分别为Vg、n2g> nV η'、…nng，进行n组离心模型试验,可得到n组试验的结果。如VpVyVyV4'…vn* n组位移，以及n组沉降、n组孔隙水压力、n组应力、n组加速度反应等，见表1:
[0023]表1变比尺离心模型试验设计表
【权利要求】
1.一种地震动力离心模型试验外延分析方法，其特征是包括以下步骤: 步骤I)按照几何相似的要求设计模型，确定几何相似常数nfi/N ； 步骤2)按照离心机振动台的技术能力选择η个重力相似常数，如η V n2g> η Vη V…rIng来进行η组模型试验,其中n V n2g、n3g> n4g>…nng均小于N,且是逐渐增大、逐渐逼近N的； 步骤3)根据相似理论，当η g逐渐增大逼近N时，模型应力亦逐渐逼近原型应力，试验的结果也逐渐增大逼近真值，当Hg=N时，试验的结果等于真值。通过模型应力逐渐逼近原型应力的方法拟合外延得到等应力比尺的试验结果。
2.根据权利要求1所述的地震动力离心模型试验外延分析方法，其特征在于所述步骤I包括设计模型的几何相似比尺的步骤: 按照式H1=InZlp=IzU根据大坝等构筑物的几何尺寸与振动台台面尺寸的大小确定模型的几何相似比尺，其中，Im为模型长度，Ip为原型长度，H1是几何相似常数，％是重力相似常数，g是重力，I是长度，下标m表示模型，下标P表示原型。N是模型比尺，表示模型缩小的倍数，也表示模型重力加速度增大的倍数。
3.根据权利要求1所述的地震动力离心模型试验外延分析方法，其特征在于所述步骤2包括以下步骤: 1)设计重力加速度相似比尺: 根据离心机振动台的最大工作加速度水平和最大激震能力，确定最大的重力加速度相似比尺ng，将％平均分为n (n>4)等份，得到Vg、n2g、n3g、n4g、…nngn个试验的重力加速度相似比尺，Hig可按下式计算: η.n g/n
其中，i=l，2，3,..n ； 2)进行n组离心模型试验。 按照几何相似比尺为H1，重力相似比尺分别为Vg、n2g> nV η'、…nng，进行η组离心模型试验，可得到n组试验的结果。如VpV^VyV4'…Vn* n组位移，以及n组沉降、n组孔隙水压力、n组应力、n组加速度反应等，见表1: 表1变比尺离心模型试验设计表
4.根据权利要求1所述的地震动力离心模型试验外延分析方法，其特征在于所述步骤3包括以下步骤: O由模型值求取原型值: 根据表2的相似准则，把表1中的η组位移、η组沉降、η组孔隙水压力、η组应力、η组加速度反应等物理量的模型值分别推演为原型值； 表2动力离心模型试验相似准则
【文档编号】G01N33/24GK103728436SQ201410017427
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2014年1月15日 优先权日:2014年1月15日
【发明者】章为民, 王年香, 陈生水, 徐光明, 顾行文, 曾友金, 任国峰, 傅华 申请人:水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院