论。
模型试验一直是岩土工程中的一种重要研究手段,它既可用来检验各种理论分析和数值计算的结果,也可用来直接指导实际工程的设计和施工。 §1.2.1 1g下的模型试验
在通常的重力场中(1g),在一定的边界条件下对土工建筑物或地基进行模拟,量测有关应力应变数据,通过一定的理论计算或数据计算来检验理论计算结果。
分为:小比尺试验和足尺试验
小比尺试验:将土工建筑物或地基及基础缩小n倍,自重和荷载及应力水平同样也缩小n倍。
足尺试验:
(一)相似模拟试验的一些概念
众所周知,自然界中许许多多的物理现象的研究都是凭借相似模拟试验的手段来实现的,而试验结果的精度如何,则是由试验模型与物理原型之间的相似程度所决定的。
为了使模型实验现象尽可能地反映出实物(原型)发生的现象,应严格按照相似理论来确定模型实验的几何尺寸和物理特性。但一般情况下,特别是岩土工程试验,很难使原型与模型各方面都相似,有时只能针对主要研究的问题,使某些方面相似,而忽略其它方面。
相似常数(相似系数):Cx=模型物理量Xm /原型物理量Xo, 如几何相似常数CL=Lm/Lo
相似指标:两个系统中的相似常数之间的关系式称为相似指标。若两个系统相似,则相似指标为1。
相似判据:如上所述,相似现象的同一物理量之比,称为相似常数,或称相似
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系数。所有相似系数之间,存在着某种关系式,称为相似指标。与此对应,相似现象各物理量之间,也存在某种关系式,称为相似判据。
相似第一定律:相似现象用相同的方程式描述。彼此相似的现象,其相似指标等于1,其相似判据的数值相等。即彼此相似的现象,单值条件相同,其相似判据也相同。
属于单值条件的因素有:几何参数、重要物理参数、起始状态、边界条件等。 相似第二定律:当一个现象由n个物理量的函数关系来表示,且这些物理量中含有m种基本量纲时,则能得到(n-m)个相似判据。
相似第三定律:凡具有同一特性的现象,当单值条件彼此相似,且由单值条件的物理量组成的相似判据在数值上相等,则就此现象必定相似。或者说,单值条件相似,且从它导出的相似判据的数值相等,是现象彼此相似的充分和必要条件。 以上是模型设计和获得相似量必须遵循的法则。
(二)模型试验实例
下面某地区狮子山第二根抗滑桩现场实验为原型,按照相似理论来确定抗滑桩模型实验的几何尺寸和主要物理力学参数。 (1)相似率的决定和模拟锚固土层砂样的选取
由相似理论可知,两个系统相似的充分必要条件是一个系统的数学模型由一一变换与另一系统的数学模型相联系,也就是说通过调试模型各参数的比例尺,使得模型和实物满足共同的方程式。下面就是关于相似率方面的计算。
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软弱夹层抗 滑 桩高速公路 图1-1 抗滑桩工程示意图 超载P=rm锚固层 图1-2 模型试验 (a)桩的微分方程 d4WEI?BKW?q (1-1) 4dy其中E、I、B、W——分别为桩的抗弯模量、惯性矩、宽度和水平位移;
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K——地基系数;q——单位高度上的水平荷载;y——桩任一点离地表的距离 对于桩的锚固段来说,由于岩土性质一般较好,加上在模型实验里尺寸不大,地基系数不会有大的变化,所以在这里K取常数。至于q,对于锚固段来说为零值。 (b)采用相似理论积分类比法求相似判据
去掉(1-1)式的微分符号,则(1-1)化成:
WEI4?BKW?0
y化成无量纲表达式:
EI?1?0 4BKy得到相似判据:
EI??4BKy
CEI?1 (1-2) 即4CBCKCL其中 C表示各参数的相似比;
E、I、B、W——分别为桩的抗弯模量、惯性矩、宽度和水平位移; K——地基系数;
q——单位高度上的水平荷载; y——桩任一点离地表的距离
KmCK?地基系数的相似比:K0
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