爆炸离心模型试验系统研究与初步试验

依托清华大学50 g-t土工离心机,开发了离心模型爆炸试验系统。该系统由模型箱系统、数据采集系统、数据存储系统、通信系统、分析系统以及引爆系统6部分组成,能克服高速离心力场的干扰,采集到高质量的数据。该系统能同时测量应力、应变和加速度等相关参数。使用该系统对水平地基进行了爆炸荷载初步试验。试验结果表明,该系统具有测试爆炸条件下相关参数的能力,为进行更复杂的爆炸试验奠定了基础。

干砂地基初始应力对爆炸波传播影响的模型试验

为了研究砂土地基初始应力对爆炸波压力峰值、上升时间、传播速度和初始应力动态卸载等传播规律的影响,开展多组干砂地基常重力和超重力爆炸模型试验.试验结果表明,初始自重应力会抑制爆炸波近区压力峰值的增长,而对远区的影响较小.初始应力的增加使得爆炸波上升时间更长,更易由冲击波衰减为弹塑性波,并使得爆炸波波速增大.超重力试验通过还原砂土地基的原型自重应力,能够模拟爆炸荷载诱发砂土地基初始应力动态卸载的过程,形成爆炸压力和土体初始应力动态卸载拉应力的耦合波,动态卸载拉应力持续时间更长.与爆炸波压应力的比冲量相比,初始应力动态卸载拉应力的比冲量随着传播距离的增加逐渐成为爆炸能量的主要部分,其产生的破坏作用不可忽视.

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。

黏性土爆炸成坑和地冲击传播的离心模型试验研究

以往研究结果表明化爆是一种体积效应引起的热力学现象,根据这一现象可以确定爆炸离心模型试验的能量比尺为1/N3(N为离心机加速度)。采用清华大学50 g.t土工离心机进行黏性土爆炸成坑和地冲击传播规律的离心模型试验,给出试验过程中实测加速度波形,对测试结果进行分析,得出黏性土中爆炸成坑和地冲击传播的一些认识:弹坑形成过程基本不受科氏加速度影响,但弹坑抛出物以及分布形态受科氏加速度影响;弹坑体积大小明显与重力加速度有关,小比尺模拟必须增加重力加速度来模拟。结果证明对于研究爆炸相关问题,土工离心机是一个非常有效的试验工具。

砂中爆炸成坑的离心模型试验分析方法比较

采用中国水利水电科学研究院450 g-t土工离心机进行干砂中爆炸成坑模拟试验,研究不同药量、不同埋深和不同离心加速度下砂中爆炸成坑规律。对10次模型试验数据采用3种不同的方法进行分析,其中Schmidt公式和Baker公式是通过相似原理推出的量纲一的公式,修正Боресков公式则是在工程中广泛应用的经验公式。3种方法拟合试验数据的相关系数分别为0.931,0.960和0.998,显示了试验数据较高的可信度。为选择合适的离心爆炸模拟试验分析方法,将这3种方法进行比较,结果显示Schmidt公式虽然拟合试验数据精度较低,但公式中各参量易于精确测定,因此最适合定量分析离心爆炸成坑规律。

爆炸离心模型试验研究进展与展望

由于能量比尺和原型应力模拟的优势,采用离心机进行爆炸试验具有无可比拟的优越性。在简要介绍土工离心机的发展历程的基础上,对爆炸离心模型试验较关注的问题——模型箱、爆炸源、离心模型比尺、数据采集、科氏加速度等方面的研究进行了归纳,对已有的研究领域进行总结并对以后的发展提出了自己的看法——模型箱设计需考虑防风措施、能量比尺仍需采取更精确方法验证、需制作稳定性好及质量有保证的微型炸药源等。

爆炸离心模型试验边界效应研究

离心模型试验中由于采用的模型箱尺寸有限,无法满足原位试验的半无限体要求,由此而形成边界效应问题,爆炸离心试验中此问题尤为突出。为比选边界材料,依托清华大学50 g-t土工离心机,进行了数次爆炸离心模型试验,通过加速度场分析,选择较合适的边界材料。最后通过试验确定,在50 g离心加速度2.5 g炸药爆炸离心模型试验中,边界上加入该边界材料后,离爆心20 cm内的试验成果可以接受。

土工离心模型试验中图像采集与分析系统的开发

土工离心模型试验技术是研究环境岩土工程的有效手段.本文开发的图像采集和分析系统,可以用于监测和分析离心模型试验中污染物在非饱和土体中的运移过程.系统硬件由摄像头和视频采集卡组成,系统软件由监视、采集和分析三个模块组成.利用本系统可以在试验过程中实时监测污染物运移情况,并获取数字化图像.对数字化图像进行分析,可得到不同时刻污染物的迁移锋面以及锋面运动速率.

爆炸荷载下隧道口动力离心模型试验研究

城市生命线工程如地铁隧道已经成为恐怖袭击的目标,抗爆防爆问题成为热点研究问题之一。文中采用清华大学50g-t土工离心机进行了爆炸离心模型试验,研究了隧道口区域在爆炸荷载作用下土体-结构物系统的动力响应规律。通过测量和分析土体位移得到了弹坑塑性区的界限,分析结构的应变响应,得出塑性区与结构的相对位置是影响结构响应的主要因素之一。

爆炸荷载下浅埋隧道离心模型试验研究

城市基础设施的防爆抗震减灾问题已成为需要高度重视和热点研究问题之一。文中基于清华大学50g-t土工离心机,进行了爆炸荷载下浅埋隧道离心模型试验研究。再现和揭示了近区爆炸荷载作用下隧道结构受荷机理,分析得到了隧道结构的破坏模式,继而确定了防护原则,并初步进行了结构防护试验。

离心模型试验中微型土压力盒土压力测定

土压力作为离心模型试验中重要的测试参数,受土压力盒的性能、离心机数据采集系统稳定性及外部环境等诸多因素的影响,准确地测量土压力较为困难。土压力盒作为土压力测试元件,其性能对土压力测量准确性有直接影响。为获得较为准确的土压力测试数据,结合离心机数据采集系统,选择两种常见的电阻应变式土压力盒。通过标定试验得出两种土压力盒砂标系数均小于出厂标定系数,Ⅰ型偏小64.75%,Ⅱ型偏小18.77%,Ⅱ型土压力盒与出厂数据的重合度比Ⅰ型好;在研究墙高10～30m类扶壁式挡墙侧向土压力分布的离心模型试验中,与Ⅱ型土压力盒相比,Ⅰ型存在按出厂系数测得数据失真、灵敏度低和稳定性差的缺点。标定试验和离心试验结果表明,接入自行组建的数据采集系统的Ⅱ型土压力盒比接入静态应变数据采集系统的Ⅰ型土压力盒性能更佳。

离心模型试验中深水防波堤上波浪循环荷载的模拟研究

研制离心模型试验中新型的非接触式循环荷载加载系统,用于模拟深水防波堤上的波浪荷载,解决了波浪荷载模拟研究中的消能困难、产生附加约束和附加质量以及难以模拟波谷反向荷载等问题,通过计算机控制加载,能够达到模拟风暴荷载的要求。开发动力离心试验的新测控系统,包含高速数据采集、低通数字滤波去除噪声和干扰、改进比例积分微分(PID)加载控制、控制信号生成等功能模块,优化动力离心试验中加载控制和数据采集的功能。通过在离心模型试验中对箱筒型基础防波堤施加非接触式波浪荷载的作用,表明该加载设备可精确、稳定地施加不同的波浪荷载,并可任意调节波浪荷载幅值。得出波浪荷载作用下箱筒形基础防波堤的动位移特征:动倾角的累积值和幅值均有一定的增长,水平位移量以幅值增大为主,而竖向位移量以累积值增大为主;箱筒形基础防波堤主要表现为振动–摇摆耦合运动模式。

吸能边界条件下水下爆炸离心试验中冲击波传播特性数值模拟

受限于模型试验箱尺寸,水下爆炸离心模型试验中爆炸荷载在试验箱边界产生的反射波必然会影响试验的预期效果,因此减小模型箱边界效应将会大幅度还原试验实际情况并提高试验精度。基于耦合欧拉-拉格朗日(CEL)方法对水下爆炸离心模型试验进行数值模拟,通过试验和理论结果对比及1、2、4、6、8 mm和10 mm尺寸网格分析,验证了数值模型的可靠性,在此基础上对比研究了5、10、15 mm和20 mm厚度橡胶和泡沫作为边界消能材料时水下爆炸离心试验中冲击波荷载的传播特性,分析了各边界材料的吸波耗能机理。结果表明:2 mm欧拉网格尺寸能够兼顾计算效率和计算结果准确性;在模型箱内壁敷设橡胶或泡沫材料能有效降低水下爆炸冲击波的反射效应;在5 mm厚度条件下,橡胶材料较泡沫材料对冲击波吸收效果更为明显,但随着材料厚度的增加,泡沫材料吸波效果更加优越;橡胶材料和泡沫材料对冲击波低频信号均有一定的抑制效果,而对高频段信号抑制效果较弱。

基于PXI总线的土工离心机撞击爆炸模拟试验测控系统设计

为应用离心场下的土工缩比模型研究炸药与炮弹对大坝等目标的毁坏效应,采用了在土工离心机上引爆炸药毁坏土工模型与气体炮发射子弹撞击土工模型两种方式来模拟,通过测量土工模型的加速度、应变等瞬态响应信号得到模型毁坏机理;试验中主要应解决炸药引爆、弹丸发射控制与土工模型动态响应测量的同步以及远程控制离心机上的测控仪器动作等技术问题;文中根据模型试验研究的测控要求,设计了一套基于PXI总线的远程网络化测控系统,成功实现了土工模型在炸药爆炸加载方式与气体炮发射弹丸撞击模型方式下的各种动作自动控制与测量功能,完成了模型试验数据的采集,为离心场下的模型试验技术研究奠定了基础。

离心模型挡土墙试验设备的研制

土压力问题是土力学和岩土工程领域的基本研究课题。土压力离心模型试验是验证土压力计算方法和研究土压力形成物理机制的有力工具。笔者研制开发的土压力离心模型试验设备,可用于刚性挡墙的静止土压力和平动模式下主动侧土压力的研究。该设备采用电机作为驱动系统,使得挡墙能够缓慢均匀地位移;配备有控制挡墙位移的自动控制系统,使得挡墙在离心加速度增大的过程能够保持静止状态。针对填土面水平、墙后填土为砂土的情况进行了离心模型试验,测量了墙背土压力及填土位移场随挡墙位移量的变化。试验结果规律好,验证了设备的有效性。

土工离心机振动台系统的发展研究

与普通的地面振动台相比,土工离心机振动台在研究岩土工程动力问题方面,具有巨大的优越性,因而在全世界得到了较快的发展,出现了不同种类的土工离心机振动台.为此,主要介绍了土工离心机振动台的发展类型及每种振动台系统的特点.

南京水利科学研究院土工离心模型发展概况

本文叙述了土工模型放在离心力场中的必要性,介绍了南京水利科学研究院研制的20gt土工离心机。自1982年起,已在该机上用离心模拟技术解决陆上及近海的岩土工程技术难题,叙述了这些试验项目与离心模拟数据采集系统;本文还介绍了已研制多年的具有激振功能的400gt大型土工离心机的总体布置、结构型式与驱动系统以及确定该机规格性能的根据。该大型离心机计划于1990年年底建成使用 该机设有80年代国际先进水平的动态平衡系统、水工模型试验用的供水系统及模拟地震装置等,所以本机可用于检测海洋工程受风暴、波浪及地震等动荷载影响时,基础工程在海底的稳定性,这是海上采油等结构物常遇到的重大难题。因此,利用此台大型离心机进行离心模型试验,并结合数值分析以及大比尺的现场试验等常用方法,将是优化海洋工程设计、施工及管理维修等方面的重要手段。另外,南京水利科学研究院于1989年建成和投入使用了一台50gt土工离心机,本文不详细介绍。

离心机和密闭加压容器中水下爆炸相似关系

水下爆炸冲击波和气泡脉动的共同作用不能仅依据几何相似条件进行模型试验,相关的尺寸缩比模型试验可以借助密闭加压罐或离心机进行。通过量纲分析和π定理对模型试验的相似理论进行了推导,分别探讨了密闭加压容器和离心机中水下爆炸的相似关系及其适用范围,并对原型工况和尺寸缩比为1/20和1/30的模型工况基于LS-DYNA进行了数值模拟。结果表明:加压模型试验中水下爆炸冲击波、气泡脉动半径和周期可以满足相似关系,但是气泡迁移和射流不符合相似关系;离心模型试验中水下爆炸冲击波和气泡脉动基本完全相似。

土石坝溃坝离心模型试验系统研制及应用

研制成功了一套土石坝离心模型溃坝试验系统,采用旋转接水环,确保了高加速度条件下溃坝试验过程中能持续提供足够的对坝体进行冲蚀的水量;采用先进的数据量测方法和图像采集系统能多角度捕捉和摄取土石坝的溃坝全过程,且该系统在高加速度和泥石流条件下能正常工作。利用该离心试验系统以32cm坝高的模型对最大坝高达32m的3种不同坝高均质土石坝进行了漫顶溃坝模型试验,研究了坝高对均质坝溃口发展规律和溃坝洪水流量过程的影响。结果发现:随着坝高的增加,溃口的纵向下切与溃口边坡的失稳坍塌速度明显加快,溃口流量过程线更为陡峭,峰值流量增大,且峰值流量出现时间更早,溃坝历时更短,因此,溃坝致灾后果将更为严重。

近水面、库中、库底水下爆炸荷载作用下混凝土重力坝的破坏模式对比

遭受攻击时,随着弹药起爆深度的不同,大坝可能经历近水面、库中和库底水下爆炸。为明确其中最危险的工况,建立炸药-库水-空气-坝体结构的全耦合数值模型,对混凝土重力坝水下爆炸问题开展全过程数值模拟研究。该数值模型基于前期开展的离心模型试验建立,并经由两组不同工况离心模型试验的结果验证。随后,利用该模型对比分析不同爆深水下爆炸对混凝土重力坝的毁伤效应。结果表明:水下爆炸荷载下,大坝呈现三种主要破坏模式:(i)大坝上部一定深度溃口的结构破坏;(ii)大坝沿着坝底整体滑动的失稳破坏;(iii)大坝以坝趾为基点整体倾覆的失稳破坏。近水面水下爆炸时,大坝主要呈现破坏模式(i);库中水下爆炸时,大坝主要呈现破坏模式(i)和(ii)或(i)和(iii);库底水下爆炸时,大坝主要呈现破坏模式(ii)。随着爆深增加,水下爆炸对混凝土重力坝的毁伤效应先增加后减小,即库中水下爆炸是最危险的工况。文章得到的大坝破坏模式与已有文献中的试验结果和历史战争中典型大坝的破坏模式相近。