岩土离心模型试验软接触式微型土压计研制及性能评价

微型土压计是岩土离心模型试验的重要测量技术之一。为解决刚性土压计测量中拱效应、尺寸效应、厚径比等经典误差问题及提升频响速率和精度,尝试开发了一种全新软接触式微型土压计ESP-II,介绍了其技术创新和设计方法。以两种国际代表性土压计为参考,设计开展一系列离心模型试验,对其感应精度、速率和适用性进行评价。主要结论:①逐级加载离心加速度5g~50g试验下,各深度ESP-II和两种参考传感器测试结果与理论值的平均误差分别为5.16%,6.70%,4.85%,三者沿深度拟合K_(0)优度系数R^(2)均≥0.9893。②脉冲荷载试验中ESP-II最大响应时间约7.8 ms,略优于两种参考传感器,具有良好的频响速率。③不同幅值正弦、地震等动荷载试验下,3种传感器测得土压力均呈一致增量趋势,K_(0)约由0.43~0.45增至0.51~0.56,与既有规律认识吻合。④离心机下降卸荷过程中,ESP-II测得时程表现良好连续性和光滑性,反映软接触式设计有利于保障土体与传感器良好接触和稳定响应。研究成果,初步证明了软接触式土压计适应于静、动力离心试验需求,具有重要价值与应用前景。

迭代算法与柔性结构对离心机振动台控制性能影响

目前迭代算法和柔性结构对离心机振动台控制性能的影响尚缺乏认识,尤其铰接装置作为柔性连接结构在许多离心机振动台上得到应用,以减小离心力荷载下台面和吊篮变形对作动器安全带来的危险。以一套负载1500 kg离心机振动台为样本,采用不同强度、频带的典型地震波为控制目标,探讨了有无迭代算法、柔性结构条件对离心机振动台的控制性能影响。结果表明:20~200 Hz频宽范围内,迭代算法对最大峰值误差、平均峰值误差、平均谱面积误差的影响可忽略。采用迭代算法前后平均峰值误差分别为5.90%,6.15%,平均谱面积误差分别为5.02%,4.94%。柔性结构对于加速度峰值≤7.5g地震波的复现精度有显著影响,尤其是80~150 Hz高频段;对于加速度峰值≥20g地震波的复现精度影响,在频宽20~120 Hz可忽略,但对于120~170 Hz频段的小幅值成分的复现能力影响不容忽略,逊于无柔性结构条件。同时,在无柔性结构条件下对比了不同负载、同一输入荷载的实测输出波,发现两输出波的峰值误差与谱面积误差均无明显差异,证明了离心机振动台具有良好的重复性和稳定性。研究方法和结论,对提高离心机振动台控制性能的影响因素认识和改进设计方法,具有重要指导价值和科学意义。

离心模拟水下爆炸试验技术

随着国际形式日趋紧张,重要基础设施的抗爆安全愈发受到关注。对于水下爆炸研究,超重力场可以实现水下爆炸冲击波和气泡脉动的同时相似,离心模型试验是爆炸毁伤效应的重要研究手段。结合中国水科院十余年来离心模拟水下爆炸的实践经验,系统介绍了相关设备的系统组成,给出了设备满足的技术指标。通过2组离心模型试验,测试了离心机主轴、吊耳部位及模型箱的振动响应,结果表明:①离心机主轴所受的爆炸冲击响应较小,与正常运转条件下的振动速度基本一致,可以忽略爆炸冲击对离心机整体稳定的影响;②吊耳部位所受的冲击加速度及振动速度较大,可以通过在模型箱布置高弹橡胶减轻吊篮的冲击响应;③试验模型箱的变形基本处于弹性范围,模型箱长边可在跨中布置支撑减小跨中的变形,模型箱壁支座可采用螺栓增加支座的稳定。

非挤土桩对于砂土地层地震液化的影响机制研究

如何通过工程措施实现地基抗液化能力的有效提升,是岩土工程领域近年来研究的热点问题之一。非挤土桩作为地基处理的常用措施,其加固后地层的抗液化能力能否得到提升,在学术界还存在着一定争议,主要原因是其对于砂层地震液化的影响机制尚未明确。针对该问题,本文开展了干砂及饱和砂土原状场地与非挤土桩加固场地的超重力模型试验,通过对比不同试验中地层的动力响应与超静孔隙水压力的发生发展规律,首次发现非挤土桩对于地层的作用机制并非仅有“刚度效应”,还有因振动过程中桩-土变形不协调而产生的附加作用力,该作用力将显著提升浅层土体的应力及应变水平,加大其液化的可能性,且随着埋深增加,该附加作用力逐渐变小,“刚度效应”将逐渐占据主导地位,相关研究成果可为进一步揭示非挤土桩抗震加固机理、评估其加固效果提供一定的基础和支撑。

超重力离心机基础振动的扰力成因与估计方法

超重力离心机是目前土木、水利、航天等领域备受瞩目和快速发展的重大科技设施之一。其规模和指标的跨越式提升,给基础设计和安全分析带来严峻挑战,首要问题是缺乏明确的扰力估计依据和振动限值。文章分类总结超重力离心机的技术指标和结构型式,指出离心机扰力组成和成因机制,通过调查研究、力学推导和实测数据,提出3种扰力的估计方法和振动限值建议。研究表明,不平衡离心力由质径积差、角速度决定,适以容量、离心加速度和不平衡力监测阈值确定设计参数;实测风阻功率与角速度呈良好幂函数关系,且系数、指数与半径具有较强相关性,提出工程实用的简化风阻功率和不对称臂稳态风阻扰力的估计公式,估计风阻功率与实测吻合良好;吊篮-转臂动态激振反力的传递特性与激振力、负载质量、离心加速度等相关,宜以激振装置的额定出力、频宽和考虑吊篮位姿变化关系确定设计参数。根据离心机特点、实践经验和借鉴相关标准,提出设备稳定、建筑物安全、人员健康的振动限值与测点位置。

将淖铁路全季节风沙特征分析

风沙灾害是新疆将淖铁路建设和运行的主要危害,设置12个采沙监测站,基于现场试验,系统性地分析将淖铁路风沙区全季节风沙特征,并提出将淖铁路沿线防沙治沙综合体系。结果表明:将淖铁路沿线积沙随沙源丰富程度增加而增加,并随着高度增加,沙量粒径减小,由不连续级配转变为连续级配;铁路沿线起沙风风速呈U型分布,起沙风方向整体以W、WNW及WSW为主;铁路沿线风沙特征受季节性变化的影响明显;风沙防护设计应尽量不破坏自然地表,进行动态防护,构建“固沙+阻沙”的综合防治体系。

堰塞体溃决离心模型试验供水系统关键技术研究

堰塞体溃决洪水洪峰流量及洪水时程曲线特征的预测是堰塞湖应急抢险及下游风险控制方案制订的重要依据。堰塞体溃决的离心模型试验,在研究堰塞体溃决机理、溃决过程及溃决洪水的历时曲线特征方面独具优势,但离心模型试验供水系统的设计,涉及到从外部静止状态到高速旋转状态的模型中连续供水,同时还要保证堰塞体溃决过程中上游水位为设定的常水头,是堰塞体溃决离心模型试验中的关键性的一大难题。本文围绕以上难题,设计了一种环形水箱以解决从静态到动态模型的连续供水问题,通过理论分析,确定了环形水箱中可提前注入的最大水量。另外在试验箱设置了竖井式溢流口,可以排出高出设定常水头的水体,保证了上游水位的稳定。通过以上设计有效地解决了供水系统中的关键难题,并在后续堰塞体溃决离心模型试验中得到了验证。

CdSe/ZnS量子点和量子点-受体分子复合物的超快动力学研究

量子点(QD)作为一种新型的半导体纳米发光材料,由于其独特的光学性质,如发光颜色可调、尺寸可调、激发光谱宽和发射光谱窄等优点,自被发现以来一直备受关注。相比于单量子点而言,核/壳量子点更为优异的光学性能使其成为光伏器件应用中的理想材料,例如在量子点敏化太阳能电池中,Ⅰ型核/壳量子点太阳能电池器件表现出更高的稳定性和转换效率。然而,界面电荷转移和电荷复合过程如何影响器件性能一直是大家关注的焦点,相关方面认知的匮乏阻碍了量子点光伏器件的进一步发展。为了对电荷转移(CT)和复合过程有更加清晰的认识,通过利用飞秒时间分辨瞬态吸收(TA)光谱和量子化学计算相结合的方法,对Ⅰ型CdSe/ZnS核/壳量子点和三种量子点-电子受体分子(如1-氯蒽醌(1-CAQ)、蒽醌(AQ)和甲基紫(MV^(2+)))复合物的载流子动力学进行了全面而细致的研究。通过光谱分析表明,QD-MV^(2+)复合物发生了最快的电子转移(ET)和俄歇复合(AR)过程,并且ET速率与AR速率呈正相关关系。此外,根据Marcus ET理论和密度泛函理论计算,证明了电子受体的带隙和给受体之间的能级差作为驱动力是共同影响ET速率的关键因素。该研究为电子受体的选择提供了新的见解,对光伏器件的改进设计具有重要的指导意义。

基于离心振动试验的深埋砂层液化研究

砂层地震液化的判别经验一般在10~20 m深度范围内,基于离心振动试验研究30~40 m埋深砂层是否地震液化的问题。用密度较大的钢球堆积体模拟上覆土层,进行埋深15 m和25 m这2种情况下砂层离心机振动台试验,研究深部12.8 m厚砂层在地震作用下孔隙水压力发展规律并进行液化判别。试验表明,2种埋深条件下砂土超静孔隙水压力比均<1,未发现砂土液化现象。通过对比,砂土中各测点初始孔隙水压力和试验过程中的超静孔隙水压力随着上覆厚度增加而逐渐变大,但超静孔压比随着上覆厚度的增加逐渐减小,表明砂层埋深对抗液化能力提升明显。

土体密实状态对土-水特征曲线影响规律研究

土-水特征曲线(SWCC)是非饱和土力学中的一个重要概念。在众多影响土-水特征曲线的因素中,土体密实状态(文中用孔隙比表示)的影响最为常见并且十分重要。以毛细管模型和Childs(1950年)提出的统计学假定为基础,分析了孔隙比发生改变时土-水特征曲线上的点的变化规律,并以此为基础提出了一种以两条已知初始孔隙比的土-水特征曲线为基准,预测具有任意初始孔隙比土体的土-水特征曲线的计算方法。通过与试验结果对比,验证了该方法的合理性。由于测量土-水特征曲线比较费时,利用该方法预测具有不同孔隙比的土-水特征曲线,可减少试验测量的工作量,从而使土-水特征曲线在实际应用中更加方便、实用。

变形对土水特征曲线影响规律模拟研究

建立预测土水特征曲线随变形变化规律的模型是研究变形对非饱和土渗透系数影响的基础,它也可为建立考虑水力和力学耦合的非饱和土本构模型奠定基础。以概率论为基础,通过引入孔隙尺寸分布函数,建立了土中的平均孔隙半径与孔隙率之间的函数关系,并以此为基础得到了一个能够模拟孔隙率对土水特征曲线的影响规律的经验模型。通过计算和试验结果的对比分析,验证了这一模型的合理性。

用FLAC-3D分析呷爬滑坡的变形特征

简单地介绍了边坡岩体变形研究的现状和 FLAC-3D 软件,利用 FLAC-3D 软件对天然状态下和蓄水条件下呷爬滑坡的变形进行数值模拟研究。根据模拟所得的计算结果,从滑坡主剖面上特征点的位移值和位移矢量图分析,得出滑坡体在天然状态下和不同蓄水高程下的变形特征,确定滑坡变形特征与滑坡稳定性之间的联系。从而为呷爬滑坡的稳定性评价提供必要的理论依据。

土水特征曲线(SWCC)的滞回特性模拟研究

为了模拟非饱和土的水力、力学特性在多次降雨、蒸发过程中的变化特性,本文以传统域模型的基本原理为基础,推到得到了一个能够模拟SWCC滞后性的计算模型,该模型计算方法简单,易于通过程序实现,且通过与试验数据和其他模型的计算结果对比,验证了该模型的合理性,同时,这个模型可为研究在复杂吸力变化状态下非饱和土的渗流特性、强度特性以及本构模型的研究打下一定的基础。

变形对非饱和土渗透系数影响规律模拟研究

渗透系数是非饱和土渗流分析中最重要的参数。本文以概率、统计理论为基础,结合流体力学的基本方程,建立了一个能够考虑孔隙结构影响的饱和土渗透系数计算模型,而后结合Mualeum(1976)的相对渗透系数模型以及Assou line(2006)提出并验证的孔隙结构参数随变形的变化规律,模拟了变形对非饱和土渗透系数的影响,通过和试验数据以及已有的模型对比。

水下爆破对大坝影响的离心模拟试验研究

由于离心机能够在原型应力条件下模拟爆破对大坝的影响。本文使用中国水利水电科学研究院研制的离心模拟爆破系统,在不同重力加速度之下研究了在不同水深,距坝面不同距离的情况下雷管爆破对于大坝的影响。

心墙堆石坝坝顶加筋措施的动力离心模型试验研究

坝顶加筋是心墙堆石坝抗震的重要工程措施之一,然而目前对其抗震效果的试验研究并不充分。本文利用中国水科院双向离心机振动台开展了动力离心模型试验,探究了铺设土工格栅加固坝顶这一措施的抗震效果,并探讨了埋设间距及土工格栅材料刚度对心墙堆石坝动力响应的影响。动力离心模型试验结果表明,坝顶加筋提高了坝顶刚度,导致坝顶附近区域顺河向和竖向动力响应变强。采用0.08H至0.16H间距加筋都将起到增强坝体刚度、提高坝体抗震稳定性的作用,坝顶加筋降低震陷、裂缝等风险,有利于坝体的安全稳定。土工格栅的刚度对心墙堆石坝的动力响应影响较大,刚度过大的材料难以造成土料与土工格栅的紧密结合,从而不能起到良好的抗震效果。

基于离心机振动台模型试验的面板堆石坝地震响应研究

本文开展了竣工期、蓄水期面板堆石坝地震响应的一系列离心机振动台模型试验,重点探究了地震过程中面板应力的演进规律及破坏模式。试验结果表明,面板应力的演进规律与其地震动历史有关。当作用于坝体的地震动峰值或Arias强度高于其所经历的地震动时,无论在竣工期还是蓄水期,面板外表面压应力增量随时间逐渐增大,而内表面拉应力增量逐渐发展;当作用于坝体的地震动峰值与其经历的最大地震动相比较弱时,面板应力总体趋势的变化主要体现在内表面拉应力增量的发展,而其外表面压应力增量的发展较为微弱。另外,同一高程处的面板应力响应随地震动峰值或Arias强度而增大,与地震动峰值或Arias强度对堆石区变形的影响相一致。地震过程中坝坡破坏模式以浅层滑动为主。研究成果将为完善面板堆石坝的抗震设计、优化抗震加固措施提供一定的理论基础与技术支撑。

基于动力离心试验的软基尾矿库地震响应研究

基于离心机振动台,分别针对典型软基尾黏土尾矿库及加高扩容后的尾矿库开展了动力离心模型试验,重点探究了加速度分布规律、软土及尾矿内部孔压变化规律以及"软基-库内尾矿-尾矿坝"系统的变形规律等内容。试验结果表明:软基对地震动的放大效应较为微弱,而坝体加速度沿高程逐渐放大,高层子坝加速度响应最为强烈,加高扩容后的现坝顶加速度响应可达原坝顶的2.2倍;地震作用下软土与库内尾矿内部均会产生一定的孔压增量,但未达到液化状态。地震动强度、软基及库内尾矿的固结状态对尾矿库的变形模式影响较大。当固结不充分时,在强震作用下易发生尾矿的水平滑移,进而造成坝顶及下游软土隆起。在固结较为充分且地震动强度较弱的情况下,变形模式以震陷为主。该试验成果将为此类尾矿库的动力稳定分析及抗震加固设计提供一定参考。

离心机振动台输入输出波相似程度评价方法研究

离心机振动台台面真实振动(输出波)与试验设计采用的地震波(输入波)之间的相似程度是反映振动台性能的一个重要指标。中国水利水电科学研究院在2010年12月成功安装了具有水平和垂直双向控制振动的离心机振动台R500B,进行了8次台面性能检测试验,以此试验结果为基础,结合2种对于输入输出地震波相似程度的评价方法,检验了R500B模拟各类地震波的性能。评价结果表明:由于R500B安装了地震波输入调整模块,能够较好地模拟多种地震波,因此能够模拟各类建筑物在不同地震条件下的各种反应,说明使用R500B开展的离心动力模型试验具有较高的可靠性和良好的工程应用前景。

多约束非均匀线阵天线的粒子群布阵优化算法

为了有效解决孔径约束的非均匀线阵天线优化问题,提出一种动态边界计算的粒子群算法,并在优化过程中利用多种群协作提高优化稳定性。实验仿真显示,该算法可以快速得到满意解,有效地解决非线性优化中的约束问题,提高算法收敛速度和解的质量。