“大飛機(jī)出版工程·其他系列”之一。在闡述與回顧經(jīng)典的量綱分析與相似定理的基礎(chǔ)上,結(jié)合滑坡模型試驗(yàn)自身的特點(diǎn),闡述了滑坡模型試驗(yàn)相似理論和相似判據(jù)的確定方法,并提出了滑坡模型畸變修正方法與畸變模型設(shè)計(jì)理論;研究并開發(fā)了考慮水庫水位變化和大氣降雨作用下的滑坡物理模型試驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)包括模型試驗(yàn)平臺起降、室內(nèi)人工降雨、水庫水位變化控制、多物理量測試、非接觸位移光學(xué)測試和r射線透射法土壤水分測試六大系統(tǒng),具有自動化程度與測試精度高等特點(diǎn);在滑坡相似材料配制和評價(jià)方面提出并建立了基于模糊評判理論的滑坡模型試驗(yàn)相似材料擇優(yōu)方法,使相似材料的選擇和配制更加快捷、準(zhǔn)確;利用滑坡模型試驗(yàn)理論和研發(fā)的滑坡物理試驗(yàn)系統(tǒng)對三峽庫區(qū)千將坪滑坡形成機(jī)制進(jìn)行深入研究,獲得了部分具有一定理論與應(yīng)用價(jià)值的研究成果,進(jìn)而揭示三峽庫區(qū)滑坡在降雨與庫水耦合作用下的形成機(jī)制。
從20世紀(jì)初,西歐一些國家就開始進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn),并逐漸建立了相似理論。60年代意大利的瓦意昂(Vajont)雙曲拱壩潰壩事件促使了地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的誕生,以富馬加利(E.Fumagalli)為首的專家在意大利結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)所(ISMES)以瓦意昂(Vajont)雙曲拱壩為背景開展了大比尺三維模型破壞試驗(yàn)研究,試驗(yàn)研究范圍從彈性到塑性直至最終破壞階段,取得了較好的效果,翻開了地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù)的第一頁。
框架式模型試驗(yàn),將模型按幾何相似原則,縮小n倍,同時(shí)將附加荷載也相應(yīng)地縮小n倍后,在1g重力場中進(jìn)行模擬試驗(yàn)。然而土是碎散性材料,現(xiàn)實(shí)還難以實(shí)現(xiàn)在保持其原有物理、力學(xué)性質(zhì)條件下,將其自重應(yīng)力水平轉(zhuǎn)化為1/n。因此,該試驗(yàn)只是部分滿足了物理模型與原型間的幾何相似和力學(xué)相似,而不能反映原型的整體特征。
土工離心模型試驗(yàn)是法國人菲利普(E.Phillips)在1869年首先提出來的,發(fā)展迄今,已逾百年。從初始提出時(shí)期的默默無聞,到今天世界各國競相發(fā)展土工離心模型試驗(yàn)并使之逐漸成為巖土力學(xué)學(xué)科研究的重要組成部分,離心機(jī)數(shù)量的急劇增加和大型化、專業(yè)化的發(fā)展趨勢,使世界上逐漸形成了多個(gè)專門的離心模型試驗(yàn)中心,并形成了各自的特色。但該方法同樣也存在著無法避免的技術(shù)難題,如處于高速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)戽頭中的土體內(nèi),各質(zhì)點(diǎn)處的離心力的大小隨該質(zhì)點(diǎn)所處的位置至旋轉(zhuǎn)軸心的距離的增加而增大,實(shí)質(zhì)上離心力彼此是不平行的、非均勻的,與原型鉛直、均勻作用于土體的重力加速度(1g)存在著明顯的差異;還有模型材料粒徑效應(yīng)與模型幾何尺寸效應(yīng)的問題,都會對模型試驗(yàn)的結(jié)果產(chǎn)生不利的影響。
離心機(jī)模型試驗(yàn)利用“離心力場”模擬“重力場”的思想代表著模型試驗(yàn)的發(fā)展方向。清華大學(xué)曾經(jīng)探討了利用水流滲透所產(chǎn)生的拖曳力來增加土體體力的方法,其原理是利用“重力場”和“滲透力場”的疊加來模擬“重力場”,并取得了一定的成果。這種方法要求研究對象必須是飽和體,而且滲透系數(shù)必須達(dá)到一定程度,自由邊界也必須是平面的。然而,利用“外力場”模擬“重力場”的原理和基于“場”相似理論的思想,為地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)理論的發(fā)展提供了發(fā)展方向。地質(zhì)力學(xué)磁力模型試驗(yàn)利用“磁力場”與“重力場”的相似性,用磁性模型相似材料在磁場中所受到的“磁力場”來模擬ng“重力場”。如果將勵(lì)磁線圈的通電電流調(diào)整為交變電流,則可以得到交變電磁場,根據(jù)不同地震波的特點(diǎn),實(shí)時(shí)控制交變電流的頻率、大小和方向,可以實(shí)現(xiàn)模擬地震等動荷載的效果,使得在實(shí)驗(yàn)室模擬地震等動力荷載變得更為簡單和方便。
模型試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性首先基于相似材料的相似性。在相似材料的研究中除了采用正交設(shè)計(jì)、均勻設(shè)計(jì)等試驗(yàn)理論來尋找合適相似材料的配合比外,作者提出了基于模糊評判理論的模型試驗(yàn)相似材料擇優(yōu)方法;針對模型試驗(yàn)中相似條件不能完全滿足的問題,作者提出了畸變補(bǔ)償方法修正地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的相似理論;結(jié)合三峽庫區(qū)滑坡模型的特點(diǎn),作者開發(fā)了考慮水庫蓄水和大氣降雨作用下的滑坡物理模型試驗(yàn)系統(tǒng);借鑒離心機(jī)模型試驗(yàn)利用離心力場模擬ng重力場的思想,作者采用含有鐵磁的相似材料在磁場中受到的磁力場來模擬ng重力場,建立了地質(zhì)力學(xué)磁力模型試驗(yàn)理論,并研制了一臺地質(zhì)力學(xué)磁力模型試驗(yàn)設(shè)備。
羅先啟:2006年至2008年在上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院力學(xué)站從事邊坡(滑坡)與地下洞室工程、堤壩與土石壩工程方面的研究。 2008年9月至今受聘于上海交通大學(xué)土木工程系研究員。主持國家“十一五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然基金項(xiàng)目、省部級以及重大工程攻關(guān)項(xiàng)目50余項(xiàng)
1 緒論
1.1 模型試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展歷程
1.2 模型試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢
1.2.1 模型試驗(yàn)相似理論
1.2.2 模型試驗(yàn)相似材料
1.2.3 模型試驗(yàn)測試技術(shù)
2 模型試驗(yàn)相似理論
2.1 量綱理論
2.1.1 量綱的基本概念
2.1.2 量綱分析原理
2.2 相似理論與相似定理
2.2.1 相似現(xiàn)象與相似性質(zhì)
2.2.2 相似第一定理
2.2.3 相似第二定理
2.2.4 相似第三定理
2.2.5 三個(gè)相似定理的相互關(guān)系
2.2.6 相似準(zhǔn)則的導(dǎo)出方法
3 滑坡模型試驗(yàn)特點(diǎn)及其相似判據(jù)
3.1 滑坡模型試驗(yàn)的特點(diǎn)
3.1.1 滑坡模型試驗(yàn)的相似性質(zhì)
3.1.2 滑坡模型試驗(yàn)存在的主要問題
3.2 滑坡模型試驗(yàn)相似判據(jù)
3.2.1 參量選擇
3.2.2 參量分析
3.2.3 玎方程的建立及相似判據(jù)的導(dǎo)出
3.3 畸變模型及畸變修正方法
3.3.1 畸變模型的概念
3.3.2 畸變模型補(bǔ)償設(shè)計(jì)理論
3.3.3 模型畸變的修正方法
4 滑坡模型試驗(yàn)系統(tǒng)
4.1 試驗(yàn)起降平臺控制系統(tǒng)
4.2 室內(nèi)人工降雨控制系統(tǒng)
4.2.1 模擬降雨裝置的降雨參數(shù)
4.2.2 模擬降雨裝置的總體設(shè)計(jì)
4.2.3 噴灑系統(tǒng)
4.3 地下水位控制系統(tǒng)
4.4 位移、土壓力、孔隙水壓力傳感器
4.5 基于光學(xué)原理的非接觸式位移測量系統(tǒng)
4.5.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成
4.5.2 數(shù)據(jù)處理流程及原理
4.5.3 非接觸式光學(xué)測量精度
4.6 7射線透射法水分測試系統(tǒng)
4.6.1 γ射線透射法水分測量系統(tǒng)及其測量原理
4.6.2 γ射線透射法系統(tǒng)參數(shù)的確定
4.6.3 γ射線放射源的安全管理與使用
5 滑坡模型試驗(yàn)相似材料
5.1 相似材料試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論及評價(jià)方法
5.1.1 相似材料試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論
5.1.2 相似材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法
5.1.3 相似材料擇優(yōu)理論及評價(jià)
5.2 常用相似材料及其特性
5.2.1 純石膏材料及其特性
5.2.2 石膏混合材料及其特性
5.2.3 以石蠟為黏結(jié)劑的相似材料及其特性
5.2.4 以機(jī)油為黏結(jié)劑的相似材料及其特性
5.3 國內(nèi)外幾種用于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的相似材料
5.3.1 MIB材料
5.3.2 NIOS地質(zhì)力學(xué)模型材料
5.3.3 硅橡膠重晶石粉相似材料
5.3.4 其他種類相似材料
5.4 滑坡模型相似材料選擇及配比
5.4.1 配重材料的選擇
5.4.2 黏結(jié)劑的選擇
5.4.3 容重的敏感材料
5.4.4 黏聚力的敏感材料
5.4.5 內(nèi)摩擦角的敏感材料
5.4.6 滲透系數(shù)的敏感材料
5.4.7 彈模和泊松比的敏感材料
5.4.8 三峽庫區(qū)滑坡模型試驗(yàn)相似材料物理力學(xué)性質(zhì)
6 水庫滑坡的環(huán)境條件及其相似模擬
6.1 滑坡發(fā)生的主要?jiǎng)恿l件
6.2 三峽水庫蓄水、運(yùn)行特征及其與滑坡的關(guān)系
6.2.1 三峽水庫蓄水情況
6.2.2 三峽水庫運(yùn)行情況
6.2.3 三峽水庫風(fēng)浪對庫岸形態(tài)的改變
6.2.4 三峽水庫水流對庫岸的沖刷與淤積
6.2.5 三峽水庫誘發(fā)地震
6.3 三峽庫區(qū)降雨特征及其與滑坡的關(guān)系
6.3.1 三峽庫區(qū)降水特征分析
6.3.2 三峽庫區(qū)湖北段誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的降水分析
6.4 水庫滑坡主要?jiǎng)恿l件的相似模擬
7 滑坡模型試驗(yàn)系統(tǒng)在千將坪滑坡穩(wěn)定性研究中的應(yīng)用
7.1 千將坪滑坡模型試驗(yàn)方案
7.1.1 模型概化及其參數(shù)確定
7.1.2 模型成型
7.1.3 試驗(yàn)方案
7.1.4 測點(diǎn)布置
7.2 千將坪滑坡模型試驗(yàn)成果
7.2.1 數(shù)據(jù)采集
7.2.2 成果分析
7.3 千將坪滑坡模型畸變修正
7.3.1 模型畸變原因分析
7.3.2 模型畸變的修正方法
7.3.3 畸變修正模型的數(shù)值分析
7.4 千將坪滑坡模型試驗(yàn)結(jié)論與討論
8 地質(zhì)力學(xué)磁力模型試驗(yàn)原理與試驗(yàn)設(shè)備
8.1 地質(zhì)力學(xué)磁力模型試驗(yàn)相似比
8.2 地質(zhì)力學(xué)磁力模型試驗(yàn)原理
8.2.1 電磁場理論基礎(chǔ)
8.2.2 磁性材料的磁特性
8.2.3 磁力與重力的相似性
8.2.4 外磁場作用下的磁力
8.2.5 磁路設(shè)計(jì)原理
8.2.6 兩相介質(zhì)的等效相對磁導(dǎo)率
8.3 均勻梯度磁場的構(gòu)建及其發(fā)生裝置設(shè)計(jì)
8.3.1 利用Helmholtz線圈構(gòu)建梯度磁場
8.3.2 錐形線圈的均勻梯度磁場的構(gòu)建
8.3.3 構(gòu)建均勻梯度磁場的磁路設(shè)計(jì)
8.4 地質(zhì)力學(xué)磁力模型試驗(yàn)設(shè)備
9 地質(zhì)力學(xué)磁力模型試驗(yàn)在錦屏一級電站左岸高陡邊坡穩(wěn)定性研究中的應(yīng)用
9.1 錦屏一級電站左岸高陡邊坡概況
9.1.1 錦屏一級水電站工程概況
9.1.2 錦屏一級水電站左岸高陡邊坡地層巖性
9.1.3 錦屏一級水電站左岸高陡邊坡地質(zhì)構(gòu)造
9.1.4 壩區(qū)巖體及結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特性
9.2 錦屏一級電站左岸高陡邊坡磁力模型試驗(yàn)相似材料
9.2.1 相似材料主要成分
9.2.2 相似材料各組分磁導(dǎo)率的取值
9.2.3 相似材料試驗(yàn)及結(jié)果
9.3 錦屏一級電站左岸高陡邊坡模型試驗(yàn)
9.3.1 試驗(yàn)?zāi)P透魑锢砹W(xué)參數(shù)相似比及取值
9.3.2 模型試驗(yàn)范圍
9.3.3 模型制作及測試手段
9.3.4 模型試驗(yàn)過程及結(jié)果
9.4 錦屏一級電站左岸高陡邊坡磁力模型試驗(yàn)數(shù)值模擬
9.4.1 數(shù)值計(jì)算理論與計(jì)算方法
9.4.2 數(shù)值模型中電磁參數(shù)及物理力學(xué)參數(shù)的取值
9.4.3 地質(zhì)力學(xué)磁力模型試驗(yàn)的三維數(shù)值模型
9.4.4 數(shù)值模擬結(jié)果
9.5 數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)測試結(jié)果的比較
9.5.1 16A電流下模型體力超載倍數(shù)的對比
9.5.2 內(nèi)部應(yīng)變花測試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對比
10 結(jié)論與展望
10.1 結(jié)論
10.1.1 滑坡模型試驗(yàn)理論與試驗(yàn)系統(tǒng)的建立
10.1.2 地質(zhì)力學(xué)磁力模型試驗(yàn)原理與均勻梯庹磁場設(shè)備研發(fā)
10.2 展望
參考文獻(xiàn)
索引