土工离心模型试验规程.doc

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1、P13备案号：J122000中 华 人 民 共 和 国 电 力 行 业 标 准P DL/T 5102-1999土工离心模型试验规程Code of geotechnical centrifuge model tests主编单位：中国水利水电科学研究院批准部门：中华人民共和国国家经济贸易委员会批准文号：国经贸电力2000164号20000224发布 20000701实施中华人民共和国国家经济贸易委员会 发 布前 言 本规程是根据原电力工业部1997年度电力行业标准制、修订计划项目(综科教199828号文)的安排制定的，在编写格式和规则上符合DL/T6001996电力标准编写的基本规定。 土工离心模

2、型试验是一项近来新发展起来的试验技术，它能直观、正确地显示土体的工程性状，为设计、施工提供依据，验证已建构筑物的运行情况，并可作为基础性研究的一种方法。世界各国均在竞相发展此项试验技术。我国自80年代起，许多科研机构、大专院校先后建立了自己的离心模型试验室，为许多重点工程的设计、施工提供了有关资料，同时也在一些基础性研究中取得了重要科研成果。 离心模型试验在设备、测量仪器、模型制作、数据和图像采集等方面较为复杂，同时在试验进行过程中要保证安全，防止发生事故，故需要一定操作程序和要求，以保证试验资料的可靠性和试验设备仪器的安全运行。为此编制本规程。 本规程在编写过程中参考了国内外一些离心模型试验

3、室所订的规程、细则、手册和积累的模型试验经验。主要包括以下基本内容：(1)试验准则；(2)试验设备；(3)模型制作；(4)试验步骤；(5)试验资料。 本规程的附录A是提示的附录。 本规程由中国水利水电科学研究院提出。 本规程由电力行业水电施工标准化技术委员会归口。 本规程起草单位：中国水利水电科学研究院。 本规程主要起草人：韩连兵、朱思哲、侯瑜京、杜延龄、黄丽清。本规程由电力行业水电施工标准化技术委员会负责解释。 目 次前言1 范围2 引用标准3 术语4 总则5 试验设备6 模型制作7 试验步骤8 试验资料9 记录表格附录A (提示的附录)物理量变换表条文说明1 范 围1.0.1 本规程规定了

4、土工离心模型实验中，试验设备的主要组成部件、模型制作方法、试验操作程序和试验数据采集与资料整理的要求。1.0.2 本规程适用于各类岩土工程构筑物的模型试验，如土石坝、路堤、开挖边坡、挡土构筑物、地下隧道和厂房等，以及其他模拟原型构筑物重力的试验。2 引 用 标 准 下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时，所示版本均为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。 GB/T 154061994 土工仪器的基本参数及通用技术条件 GB/T 501231999 土工试验方法标准SL 2371999 土工试验规程3 术 语3.0.1

5、模型率scaling factor 原形几何尺寸与模型几何尺寸的比值。3.0.2 离心加速度centrifuge acceleration 离心机转臂转动时，沿半径方向所产生的加速度，其方向与向心加速度方向相反，大小相等，其值与转臂的转速和考察点至转轴轴心距有关。3.0.3 有效加速度effective acceleration 有效荷重质心的离心加速度。3.0.4 试验加速度testing acceleration 模型质心的离心加速度。3.0.5 模型箱container 用以制作模型和安装仪器的箱体，是模型与吊篮之间的连接部件。3.0.6 有效荷重effective load 吊篮所承受

6、荷重的质量，包括模型箱体、模型、量测仪器和安装架、电缆等的质量总和。3.0.7 平衡荷重balancing load 平衡有效荷重的质量。3.0.8 模型荷重model load 模型材料的总质量。3.0.9 转动半径rotating radius 转臂转动时，吊篮底板至转动轴心的距离。3.0.10 有效半径effective radius 有效荷重的质心至转动轴心的距离。3.0.11 平衡半径balancing radius 平衡荷重质心至转动轴心的距离。3.0.12 试验半径testing radius 模型质心至转动轴心的距离。3.0.13 有效荷重质心mass center of ef

7、fective load 组成有效荷重的各部分质心的合成质心。3.0.14 平衡荷重质心mass center of balancing load 组成平衡荷重的各平衡块质心的合成质心。3.0.15 模型质心center of model mass 组成模型的各种材料质心的合成质心。3.0.16 允许加速度误差permissible error of acceleration 距模型质心最远点的加速度对模型质心加速度的相对误差。3.0.17 离心机最大容量maximum capacity of centrifuge 离心机的最大加速度与最大有效荷重质量的乘积。3.0.18 有效容量effect

8、ive capacity离心机的试验加速度与有效荷载的乘积。4 总 则4.0.1 模型试验应按符合相似律要求和允许的误差，选择模型尺寸、模型材料，使之能正确模拟原型物体的应力、应变及其工作性状。4.0.2 模型设计应按离心机的基本参数进行，如转动半径、吊篮尺寸、有效荷重和允许最大加速度等。根据相似原理和试验要求，确定与此相关的相似条件，选择模型试验参数。试验离心力应小于离心机允许的最大离心力。4.0.3 根据模型尺寸和原型构筑物的尺寸，按式(4.0.3)确定模型率n： (4.0.3)式中：p原型构筑物尺寸； L m模型尺寸。4.0.4 试验加速度应小于离心机允许的最大加速度，有效荷重质量应小于

9、离心机允许的最大质量。按式(4.0.4)计算试验加速度： (4.0.4)式中：g重力加速度。4.0.5 制作模型的材料应采用原型材料，并具有与原型材料相同的物理力学性质，或采用符合相似律的替代材料。5 试 验 设 备5.0.1 土工离心机的各组成部件(见图5.0.1)，包括转动机构(图中1、2及79)、传动机构(图中36)、辅助设备(润滑系统、冷却系统、供水系统、报警系统)。 1)转动机构中的平衡重可以和吊篮同步摆动，也可以固定在转臂上。 2)润滑系统指转动轴、轴承、减速器等工作时的供油回路系统。3)冷却系统是指离心机运转时，保证轴承、减速器的机械冷却及使离心机室内温度控制在440的采用风冷或

10、水冷的循环散热系统。1转轴；2平衡重；3电动机及整流系统；4传动轴；5减速器；6机座；7转臂；8吊篮；9滑环；10摄像系统；11数据采集系统图 5.0.1 土工离心机5.0.2 模型箱的几何尺寸及形状应根据试验要求选定，如圆柱形、方形或长方形，不管哪种类型的模型箱都应满足以下要求： 1)制造模型箱的材料应为强度高、刚度大的轻型材料，如铝合金等。 2)模型箱如有一侧为有机玻璃窗，有机玻璃面应透明无刻痕、无裂缝，有足够的强度。 3)模型箱应有供水、排水系统和安装量测设备的装置，并要求在箱室内充满水时，承受设计加速度情况下不漏水。 4)模型箱的底板和周边在最大荷载作用下的挠度应不大于0.1mm。 5

11、)新模型箱使用之前应在满荷载和加速度为1.25a( a设计允许的加速度)的作用下进行检验。5.0.3 量测设备包括前置放大器和各类传感器(孔隙压力、位移、土压力和加速度等传感器)、数据采集、摄像设备(见图5.0.1中10、11)等。传感器在使用之前应进行静力标定，应取不少于50%的传感器按试验要求进行加速度考核，其误差范围应符合GB/T15406的规定。5.0.4 附属设备包括分析筛、制模用具、台秤(感量小于0.001t , t为有效荷重)和取样器等。6 模 型 制 作6.0.1 在制作模型前，应对原型构筑物的设计资料，如边界条件、材料性质和模拟研究的问题等，进行分析，提出试验计划大纲及每次试

12、验历时和模型设计书(模型设计书包括模型材料、模型率、加速度、测点布置及试验次数)。参加试验的人员应持有上岗证。6.0.2 模型材料的物理力学性质，如密度、含水率、压缩性和强度等一般应与原型构筑物材料的相同。对于粗粒土，应按SL 2371999标准中的规定制作模型；如用原型材料有困难时，允许用相似材料替代，但应有试验依据和符合相似律的要求。相似材料的物理力学性质应与原型材料相同或相似。6.0.3 按本规程式(4.0.3)确定模型率n时，还应考虑允许加速度误差及离心机最大容量c，应满足式(6.0.3-1)及式(6.0.3-2)： n=LP/(2 Rm) (6.0.3-1) (6.0.3-2)式中：

13、Lp原型构筑物尺寸，m ；允许加速度误差(5%)；Rm试验半径，m；me有效荷重质量，kg；c离心机最大容量，gt。6.0.4 根据初步确定的模型率n值，按原型几何尺寸缩小至1/n制作模型。若模型箱的尺寸不能满足模型尺寸要求，可调整n值。模型尺寸应尽可能大些，以便能清晰地显示模型的变形。6.0.5 传感器的埋设应与模型材料接触密实，动力线和传感器的导线应弯曲成蛇形固定在转臂的导杆上或模型箱周壁上，以防止受力拉断。在同一测点上尽可能平行设置两个同类传感器，便于互相校核。6.0.6 在土料模型的制作过程中应沿垂直断面和水平层取样，检测其密度和含水率是否符合原型材料的要求。模型箱的侧壁与模型接触面应

14、采取措施，如铺聚四氟乙稀薄膜或涂润滑硅脂以减少摩擦阻力。6.0.7 模型与透明有机玻璃板接触断面处应分层埋设测点标志，并绘出坐标方格，记下各测点的坐标。6.0.8 称模型箱的总质量(包括已制作好的模型、量测传感器、导管电缆等)。6.0.9 在模型制作、仪器安装和称总质量的过程中，试验负责人应在现场，由校核人员检查是否符合已认可的模型设计要求，经认可后方可安放于吊篮内。7 试 验 步 骤7.0.1 将模型箱安装于试验吊篮内并固定于吊篮底板上。模型箱底板应与吊篮板面平面接触，不应有起伏不平或倾斜。7.0.2 将各传感器和摄像机头的电线连接于接线板上，并将电线固定于吊篮框架上，然后启动数据采集和摄像

15、系统，检查显示信号是否正常，经过校核人员检查认可。7.0.3 调整平衡荷重，平衡荷重质心与有效荷重质心绕转动轴心转动的平衡力矩应满足式(7.0.3)： ReWe=RcWc (7.0.3)式中：We有效荷重重量，N；Wc平衡荷重重量，；Re有效半径，m或mm；Rc平衡荷重重心至转动轴心的距离，m或mm。 离心机的不平衡力矩和偏心距按表7.0.3所示各栏进行计算，其值应小于设计允许值。7.0.4 按如下要求进行安全检查： 1)对本节7.0.17.0.3每一步骤应由安全人员复查并签字认可。 2)在离心机主机室内，转臂上和吊篮内不得留有任何杂物，紧固件不得松动。门窗须经安全人员仔细检查后，方可关闭主机

16、室安全门。 3)离心机的传动机构及辅助设备应预试启动，并确认其处于正常工作状态。 4)上述三项工作应经离心机操作负责人签字认可后，方可正式启动。7.0.5 应先启动辅助设备，待运行稳定后，再启动离心机，同时试验人员开始对试验过程和试验数据进行监测。表 7.0.3 离心模型平衡计算项 目 名 称： 转动半径R： mm模 型 编 号： 试 验 者： 最大加速度： 校 核 者： 有效荷重部件名称重量WeN(1)重心至吊篮底板距离Zmm(2)重心偏心距力矩NmmXmm(3)Ymm(4)WeX(5)=(1)(3)WeY(6)=(1)(4)WeZ(7)=(1)(2)We=有效荷载力矩 平衡重平衡块重量wc

17、N(1)平衡块数量(2)重量WcN(3)=(1)（）各平衡块块板距吊篮底板距离Zmm(4)各平衡块力矩WcZmm(5)=(3)(4)平衡力矩 注 1.不平衡力矩=WeReWcRc (Nmm) 2.作用在吊篮底板上的不平衡重量=不平衡力矩 /Re (N) 3.有效荷重重心偏心 (mm) 4. 重心距吊篮底板距离(mm)； 重心垂直于转臂的水平距离(mm)； 重心距转臂的垂直距离(mm)7.0.6 按式(7.0.6)计算转臂的转速 (7.0.6)式中：n模型率；Rm试验半径，m；N转臂转速，r/min。7.0.7 离心机转臂转动后，加速度从零升至预定加速度所需历时，应由试验负责人根据试验要求确定。

18、按式(7.0.7)计算有效加速度历时： te=tn+tin/2 (7.0.7)式中：te有效加速度历时，min；tn试验加速度历时，min; tin从启动至预定试验加速度历时，min。7.0.8 有下列情况之一者，可以停机或延长试验时间： 1)试验已达到预计的有效加速度历时； 2)试验负责人根据数据采集或录像资料认为可以停机； 3)遇有报警信号，应由操作负责人根据情况决定停机； 4)试验负责人认为需要延长预定的试验时间，则应与操作负责人商定延长时间。7.0.9 达到预计历时，停止试验。依次关闭转动机构、辅助设备、数据采集系统。7.0.10 离心机运转期间，未经允许，非操作人员不得进入控制室内或

19、触动控制按钮。7.0.11 停机后检查： 1)离心机转臂转动停止后，操作人员开启安全门，试验负责人和操作人员方可进入圆形离心机室内。2)卸下模型箱和平衡荷重，并对离心机转臂、吊篮、照明、摄像设备和模型箱内的模型、量测设备及辅助设备等进行仔细检查，作好记录和填写运行情况报告表。8 试 验 资 料8.0.1 在模型箱有机玻璃透明侧板上，测记埋设在断面内各测点的坐标，重新描绘模型轮廓线，并对模型各部位取样，按GB/T 50123的规定，测定其密度及含水率w。8.0.2 按附录A将各传感器测定的数据换算成原型的各相应物理量。8.0.3 试验报告应包括： 1)试验前后的模型轮廓线，及各部位的测点(位移、

20、土压力、孔隙压力等)和加载设备布置等。 2)实测的模型各测点位移轨迹图和土压力、孔隙压力沿深度和平面的分布图和照片。 3)试验前后各层土密度和含水率w的变化图或资料。 4)如采用替代材料(非原型材料)，应提出按相似律分析的结果或试验资料等依据。5)量测仪器的型号、尺寸，及其准确度和布置位置。9 记 录 表 格9.0.1 试验负责人按6.0.1条要求填写表9.0.1各栏所包括的内容。表 9.0.1 离心模型试验计划表项目名称模型率n委托单位试验加速度am=ng研究内容测定项目量测设备规格、名称数量参加试验人员模型设备试验操作安全检查试验负责人协作人员操作负责人安全检查人试验室负责人意见日期：9.

21、0.2 按7.0.4和7.0.11的要求，将试验前后安全检查的结果填写于表9.0.2所列各栏。表 9.0.2 离心机试验设备运行表项 目 名 称： 最 大 加 速 度： 试 验 内 容： 运 行 时 间： 有效荷重质量： 试 验 日 期： 试 验 负 责 人： 试验室负责人： 检查内容设 备 状 态模型制备模型箱运行前签 名运行后签 名吊篮平衡重量测仪器机械转动主机室传动轴润滑系统冷却系统电气控制电机整流器控制台报警系统数据采集转臂线路滑环数采系统录像系统9.0.3 按7.0.5条的要求，将各传感器采集的数据记录于表9.0.3。表9.0.3 离心模型试验记录表 项目名称： 模型类别： 模型编号

22、： 试验说明： 模型率： 试验加速度： 试验历时： 试验日期： 模型制作者： 数据采集者： 离心机操作者： 校 核 者 ： 试验时间转臂转速N加速度计a=ng位移计smm孔隙压力ukPa土压力PkPa录像编号备注时间历时传感器编号o.传感器编号o.传感器编号o.传感器编号o.No.h-min-sminr/min123123123123附录A(提示的附录)物 理 量 变 换 表表 A1 物理量变换表物理量(模型)加速度ng时比尺原型物理量线性尺度Lm1/nnLm面积Am1/n2n2m体积Vm1/n3n3Vm时间tm动态1/nntm扩散1/n2n2tm黏滞流11tm速度vm11vm加速度amNam

23、/n质量mm1/n3n3mm力Fm1/n2n2Fm能量Em1/n3n3Em应力m11m应变m11m密度 m11 m频率fmNfm/n条 文 说 明目 录1 范围2 引用标准4 总则5 试验设备6 模型制作7 试验步骤1 范 围1.0.2 本规程除了用以进行土工构筑物模型试验外，也可用以模拟岩石、混凝土及其他要求模拟重力的模型试验，为设计施工提供依据，并可用以进行土的基础性应用研究。2 引 用 标 准 土工离心模型试验是60年代才逐渐发展起来的新的试验技术，国际上尚无统一的标准，只有少数的试验室，按各自的要求制订属于手册之类的规程或规定。我国也没有可以遵循的国家标准和行业标准。表 1 部分土工离

24、心模型试验室有关操作规程统计表单 位 名 称操作规程名称年份 清华大学 土工离心模型试验步骤1998 南京水利科学研究院(1) 400gt离心机操作规程(2) 400gt离心机安全制度19931993 航天部511所 43型离心机规程1998 西南结构力学研究所(1) 离心试验质量管理实施细则(2) 离心机启制动操作规程1998中国水利水电科学研究院 土工离心模型试验规程1994 英国剑桥大学 (Cambridge University) 剑桥土工离心机安全操作规程(Code of practice for safe operation of the Cambridge Geotechnica

25、l Centrifuge)1980 美国加利福利亚大学土木系 (University of California,Davis) 国家土工离心试验者手册(National Geotechnical centrifuge experimenters Handbook)1980 新加坡国立大学(National University of Singapore) 土工离心机试验者手册(Geotechnical centrifuge users manual)1991 加拿大纽芬兰纪念大学(Memorial University of Newfoundland) C-core离心机安全操作规程(Code

26、 of practice for safe operation of the c-core centrifuge)1993表1是部分土工离心模型试验室所订制的规程，但多偏重于安全运行管理方面。故在制定本规程时，参考了其中有关内容。在本规程内除规定了对土工模型试验的基本要求外，还规定了有关管理和安全方面的要求。量测仪器的技术条件引用了国标GB/T15406，土工模型土料制备的技术条件引用了国标GB/T50123和行业标准SL 237。4 总 则4.0.2 离心机的基本参数，如转动半径、最大允许有效荷重、最大加速度和吊篮空间尺寸等，涉及模型率的选择、模型允许的误差和允许的有效荷重质量。试验应遵守的

27、第一个准则是有效荷重的质量应小于离心机允许的最大质量，有效加速度应小于离心机允许的最大加速度，即memmax , aeamax (1)式中：me有效荷重质量；mmax离心机允许的最大质量；ae有效加速度； amax离心机允许的最大加速度。 试验应遵守的第二个准则是模型的顶面或底面的加速度与模型质心的加速度差应小于允许误差，即如允许误差一定，转动半径愈大，模型率n则愈小，模型尺寸相应增大。4.0.3 离心模型试验是将原型构筑物按几何尺寸缩小n倍制成模型，使之在离心力场内，模型内各点的应力和变形达到与地球重力场内原型相应点的应力和变形相似。在选择模型尺寸时，要考虑离心机转动半径R的长度。模型的径向

28、尺寸Lm，应使模型两端的加速度与模型质心加速度间的误差小于5%为宜。根据离心机允许的模型最大径向尺寸Lm和原型尺寸Lp来确定模型率n。但模型率应符合 的要求。4.0.4 试验加速度am应根据模型率n来确定。因为原型构筑物的容重为p=pg，模型的容重m=mam为保证模型内各点的应力m与原型构筑物相应点的应力相似则必须：m=p而 m =mam Lm , p =pgLp故 (2)式中：am试验加速度；g重力加速度；、 分别为模型材料和原型材料的密度。土工构筑物的模型一般应尽可能采用原型材料，控制 = 故am=ng。只要确定了模型率n，就可确定试验应采用的离心加速度。它等于n倍重力加速度。5 试 验

29、设 备5.0.1 土工离心机一般由转动机构(包括转臂、吊篮转台、变速齿箱、传动轴、电动机)和辅助设备(润滑系统、冷却系统、供水排水系统及报警系统)等组成，构成转动机构的转臂有等臂双摆式和不等臂单摆式。 本规程以图5.0.1所示的等臂双摆式离心机作为示例说明。本规程所列各条的技术要求同样适用于不等臂单摆式离心机。5.0.2 模型箱是离心模型试验的重要设备，要求具有足够的强度和刚度，本条所要求透明玻璃的强度安全系数大于2.5和应力集中系数大于2，是参考新加坡大学离心机模型箱的规定而确定的。考虑到安全的因素，新加工的模型箱，必须在满负荷下经过1.25倍设计加速度的考核。有机玻璃经长期使用易老化，应注

30、意更换。5.0.3 除了加速度计外，市场所出售的各类传感器、摄像机均未考虑在大于1g的条件下使用，故新购的这类仪器设备，除了要求静力条件标定外，还要取其大于50%数量的传感器在预计的最大加速度条件下进行考核。因为这些传感器如有误差，故所测数据返回到原型会产生数量级的误差。6 模 型 制 作6.0.1 土工离心模型试验与常规土工试验不同，它是用于测定整体土工构筑物的应力、变形和工作性状的试验。试验时需要启动各个系统，因此要求试验负责人根据原型构筑物的资料预先提出模型试验计划大纲和模型设计书，经过参加试验的主管认可， 才可开始制作模型，以免考虑不周，造成财力和时间浪费。6.0.2 制作离心模型的材

31、料一般要求其物理力学性质与原型材料保持相似或相同。细粒黏性土除了结构性之外，其他性能如密度、含水率w均应满足相似性要求。 无黏性土的粗颗粒，如卵石、块石等粒径均大于20mm。堆石坝料的尺寸有大至500mm的块石，而离心模型尺寸一般较小，不可能利用原型材料。在土工试验中常采用相似级配法或等量替代法，使原型材料级配按相似比例缩小，保持不均匀系数 Cu 和曲率系数Cc与原材料的相同。这一方法也适用于制作土工离心模型。参见SL 237。对于薄型构筑物，其厚度按原型尺寸缩小有困难，可以用替代材料按式(3)计算模拟原型构筑物的厚度 (3)式中： dp,dm分别为原型和替代材料的厚度；Ep，Em分别为原型和

32、替代材料的弹性模量；p，m分别为原型和替代材料的泊松比；n模型率。对于土工合成材料如土工织物、土工膜厚度的模拟，应满足式(4) (4)式中：tp，tm分别为原型材料和替代材料的厚度；Ep，Em分别为原型材料和替代材料的拉伸模量；n模型率。6.0.5 埋入式传感器的尺寸应小于10mm。土压力传感器的模量，尽可能与被测土体的模量一致，以免产生拱效应。模型表面及模型体内的传感器，应尽可能避免影响土体的自由变形。7 试 验 步 骤7.0.3 为保证离心机转臂和转轴的安全运行，每次试验的模型箱吊装必须进行平衡计算，求出不平衡力矩和偏心矩。随离心机的结构及使用的材料不同，每台离心机允许的最大不平衡力矩和偏

33、心矩也不尽相同，故本规程未作规定。英国剑桥大学的离心机和新加坡大学的离心机，不平衡力矩都控制在不大于平衡力矩的2%，中国水利水电科学研究院的离心机允许的最大不平衡力矩为平衡力矩的6.6%。新加坡大学离心机允许偏心距的经验公式为 (5)式中：e允许偏心距，mm；mmax离心机允许的最大质量，kg；me有效荷重质量，kg。 式(5)表明，偏心距e随允许最大荷重质量及有效荷重质量而变。7.0.4 在土工离心模型试验中，保证安全运行至关重要，因为离心机是在高加速度下运行，如有局部未达到安全要求，则其损失可能是灾难性的，美国、英国、新加坡、加拿大及国内的一些离心模型试验，均对安全运行提出了严格要求。故本条要求在离心机正式启动前，对模型制作、仪器安装，离心机各紧固件和辅助设备等，均要进行安全检查。7.0.11 停机后检查。按本条1)、2)条款，试验停止后，操作人员应对试验机器的各部件及辅助设备进行检查，如发现有不正常情况或部件有损坏，除了作好记录外，还应报告试验负责人进行修理，使离心机始终处于完好状态。