USERS: MR. EFTHYMIOS APOSTOLOU, DR. ANDREW J. BRENNAN CIVIL ENGINEERING,UNIVERSITY OF DUNDEE

離心機(jī)模型中的尺度問(wèn)題

離心機(jī)模型是一種先進(jìn)的物理建模技術(shù)，用于在離心機(jī)增強(qiáng)的重力場(chǎng)中測(cè)試縮小規(guī)模的巖土工程模型。離心試驗(yàn)的主要原理是通過(guò)建立良好的尺度定律，使小尺度模型與原尺寸模型具有等效性。為了正確地縮放應(yīng)力，在增加的重力作用下進(jìn)行離心試驗(yàn)，重力作用等于模型縮放的倍數(shù)。模型的結(jié)果是比例模型和全尺度場(chǎng)結(jié)構(gòu)之間的應(yīng)力和土壤行為相似性(Schofield, 1980)。離心機(jī)模型已應(yīng)用于許多學(xué)科，例如地震工程，其中在極端地震事件下準(zhǔn)備并測(cè)試了土工模型，這可能會(huì)引起大的位移破壞和液化。

傳統(tǒng)的離心機(jī)試驗(yàn)建議在模型和原型中使用相同的土樣。但是在某些情況下，例如對(duì)石柱進(jìn)行離心試驗(yàn)以防止液化，應(yīng)使用縮小比例的顆粒進(jìn)行建模，因?yàn)樵橇系闹睆綄?duì)于模型柱而言太大。為了保持一致性，周圍的土樣必須按照相同的比例縮放。此外，細(xì)粒材料應(yīng)該能夠液化，因?yàn)樗硪环N可液化的土壤。在此，建議的細(xì)粒土是可液化的粗粉沙。但是，在離心機(jī)模型中使用大量土樣并在地震作用下對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)之前，有必要在剪切作用下測(cè)試材料以檢查其性能。(Apostolou et al.，2016)

VDDCSS上粉土的單剪特性

選擇粗粉砂A50二氧化硅用于進(jìn)一步研究的比例參考。根據(jù)地質(zhì)參考和案例研究，粉砂是一種可以液化的材料(Carr et al.，2004),(Sartain et al.，2014)。因此，在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究，以了解其在循環(huán)荷載下的行為。

為了評(píng)估循環(huán)單剪下的收縮程度，進(jìn) 行了一系列的排水試驗(yàn)，這可以解釋為它具有液化的潛力。試驗(yàn)設(shè)備為GDS變方向動(dòng)態(tài)循環(huán)單剪試驗(yàn)系統(tǒng)（VDDCSS）（圖1）。與傳統(tǒng)的直接剪切設(shè)備相比，簡(jiǎn)單剪切更可取，因?yàn)樵趯?shí)際場(chǎng)地條件下，單剪下的土體行為更接近于地震下的土體應(yīng)力響應(yīng)。

? ? 圖 1. GDS變方向動(dòng)態(tài)循環(huán)單剪實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（VDDCSS）

更準(zhǔn)確地說(shuō)，在直剪試驗(yàn)中，傳統(tǒng)的剪切盒水平地分成兩半，因此，它使得試樣有一個(gè)特定的破壞面。另一方面，VDDCSS中的土樣放置在多個(gè)環(huán)的內(nèi)部區(qū)域，這些環(huán)可以自由地向所需方向移動(dòng)，因此剪切應(yīng)變?chǔ)梅植嫉皆嚇拥恼麄€(gè)區(qū)域（圖2）。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖2. 直剪與單剪的區(qū)別

VDDCSS設(shè)備的土樣通過(guò)砂雨法制備。使用橡膠膜和一些聚四氟乙烯涂層環(huán)在底座上制備直徑為70 mm、高度為20 mm的圓柱形試樣，這些環(huán)允許試樣發(fā)生剪切位移（圖3）。然后，試樣被固定在裝置的中心，可以在水平簡(jiǎn)單剪切中變形。VDDCSS允許同時(shí)在兩個(gè)方向上進(jìn)行簡(jiǎn)單剪切，但在這些試驗(yàn)中，僅在一個(gè)方向上進(jìn)行簡(jiǎn)單剪切。

? ? ? ? ? ? ?圖3. 在VDDCSS設(shè)備上放置粗粉砂試樣

單剪試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

圖4和圖5顯示了在4種不同剪應(yīng)力與有效應(yīng)力比率（τ/σ?）下進(jìn)行的簡(jiǎn)單剪切試驗(yàn)的結(jié)果。圖中顯示了循環(huán)次數(shù)下的試樣應(yīng)變，圖4顯示了在0.8Hz下進(jìn)行的試驗(yàn)，圖5顯示了在0.5Hz下進(jìn)行的相同試驗(yàn)?？梢钥闯?，干粗粉土在剪切比和循環(huán)次數(shù)范圍內(nèi)循環(huán)時(shí)，在剪切應(yīng)力作用下明顯收縮，因此，干粗粉土應(yīng)適合用作易液化材料，并可在離心試驗(yàn)需要時(shí)替換較粗、易液化的砂土。然后，在鄧迪大學(xué)的土工離心機(jī)中對(duì)細(xì)粒材料進(jìn)行測(cè)試，觀察到的孔隙壓力上升證實(shí)了粉土的液化潛力和VDDCSS結(jié)果的可靠性。（Apostolou et al.，2016）

? ? 軸向應(yīng)變-剪切應(yīng)力比-循環(huán)次數(shù)的相關(guān)性(0.8Hz)

圖4. 不同的剪切應(yīng)力比下軸向應(yīng)變（收縮為正）與施加的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)關(guān)系(頻率f = 0.8 Hz)

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? ? ? 軸向應(yīng)變-剪切應(yīng)力比-循環(huán)次數(shù)的相關(guān)性(0.5Hz)

圖5. 不同的剪切應(yīng)力比下軸向應(yīng)變（收縮為正）與施加的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)關(guān)系(頻率f = 0.5 Hz)

參考文獻(xiàn)(略)

關(guān)于鄧迪大學(xué)

鄧迪大學(xué)的巖土工程研究實(shí)驗(yàn)室成立于1997年，自那時(shí)以來(lái)發(fā)展迅速。除本科和研究生的教學(xué)和科研活動(dòng)外，該實(shí)驗(yàn)室還提供各種巖土工程服務(wù)。其配備了先進(jìn)的巖土模擬和檢測(cè)設(shè)施，包括直徑 7m 的巖土離心機(jī)和蘇格蘭海洋可再 生能源測(cè)試中心（SMART）。

大型1g土工試驗(yàn)臺(tái)和物理模擬設(shè)施已被用于研究海洋基礎(chǔ)(深和淺)、管道、岸上植被護(hù)坡、地震斷層和液化。通過(guò)將其納入蘇格蘭企業(yè)能源實(shí)驗(yàn)室（SEL facility 45），可以確認(rèn)鄧迪大學(xué)的設(shè)施在工業(yè)上的適用性。REF 2014將鄧迪大學(xué)土木工程研究的質(zhì)量和影響力列為蘇格蘭第一和英國(guó)第三。