离心机动态模拟中渗流相似的试验方法

摘要

本发明公开了一种离心机动态模拟中渗流相似的试验方法，包括如下步骤：1)选取原状土进行测量，获得渗透系数K、水粘性系数μ、载荷系数f、材料模量E、孔隙比e和载荷作用时间T等；2)确定上述系数是否满足以下条件：KE(1+e)/H

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于桶形基础研究的试验方法。

背景技术

桶形基础是近年来发展起来的新型平台基础，由于多种优越性而受到广泛的重视。但是关于其承载力特性，尤其是动载下的承载力特性仍然不清楚。动冰载是渤海地区海洋平台设计的控制载荷，在动冰载作用下，冰、结构与桶形基础之间会产生复杂的动力学耦合作用。为了能给今后载渤海地区桶形基础平台设计打下基础和提供基础参数，就需要在这方面进行深入的研究。需要研究的具体内容主要包括动冰载下桶形承载力与变形、桶周土体液化条件及影响范围，以及稳定性评价分析方法等。

该问题涉及到复杂的流固土耦合效应，国外在这方面的研究很少，且因保密原因，我们难以得到具体数据，国内没有这方面的研究。鉴于此，我们首先必须开展的工作是进行大量的实验以获得大量基础数据，在此基础上进行分析，才能获得符合实际的承载及变形特性及分析方法。现场原型实验是最能反映实际的，但是由于花费巨大且实验周期长，实验条件也难以控制，因此一般不采用。小尺度模型实验能较快实施，花费也小，但是由于不能反映现场的实际应力水平，即不能满足重力相似，而土体的一个重要特性就是土性是依赖于应力水平的，在本问题缺乏一手资料，对基本特性完全不了解的情况下，采用该类实验也是不合适的。离心机实验由于使模型处于高加速度场中，能满足重力相似，或者说，能以小比尺模型模拟大比尺实际结构的效应，因此离心机实验是模拟本问题的合适的选择。但是离心机实验中也存在较难处理的问题，如存在渗流和惯性两个不同的时间比尺，即渗流耗散特征时间是1/N²，而惯性作用时间是1/N，而渗流效应和惯性效应在本问题中同等重要，因此如何解决这两个时间尺度冲突就成了本问题离心机模拟的关键。以前类似问题中的解决办法是：(1)换液相材料，如将孔隙液体换成硅油以增加粘性，降低渗透性。该方法的主要缺点是增大介质的阻尼；同时对介质的剪胀性等也有影响，且使实验操作困难；(2)换固相材料以直接降低渗透性。该方法的缺点是材料的性质一般会由于颗粒级配变化而发生明显变化。采用两种方法均需要对换材料后的两相饱和介质的力学性质进行大量土性实验以评估换前换后的差别，增加更多的人力、物力和时间消耗。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种离心机动态模拟中渗流相似的试验方法，该方法不需要更换液相材料或固相材料，也可以实现对桶形基础的渗流相似模拟试验。

为实现上述目的，本发明一种离心机动态模拟中渗流相似的试验方法包括如下步骤：

1)选取原状土进行测量，获得渗透系数K、水粘性系数μ、载荷系数f、材料模量E、孔隙比e、载荷作用时间T和桶形基础高度H；

2)确定上述系数是否满足以下条件：

$>>>>KE>>(>1>+>e>)>>>>>H>2>>f\mu >>>>>>>1>,>>>>TKE>>(>1>+>e>)>>>>\mu >>H>2>>>>>>>>1>,>Tf>>>>>1>;>$>

3)满足上述条件后，用该原状土制样，放入基础中，施加动力载荷至变形不再发展，然后测量变形和力的相应数值；

4)根据步骤3)所取得的值绘制关系曲线。

进一步，在所述步骤3)所得到的相应数值的基础上加上修正项： $>\underset{}{\overset{}{}}$>其中,为载荷频率。

本发明通过对原状土进行分析和研究，使其满足一定的条件，然后用该原状土进行桶形基础试验，所获取的各项数值能够很好地反映实际海洋平台的动载荷状态。

附图说明

图1是本发明动载下影响区宽度的理论与实验值对比(圆圈点为实验值修正后的值，其他点为实验值，线为理论值，)的关系曲线图。

图2为本发明孔隙压力随时间变化的曲线图。

具体实施方式

本发明的具体步骤如下：

1)选取原状土进行测量，获得渗透系数K、水粘性系数μ、载荷系数f、材料模量E、孔隙比e、载荷作用时间T和桶形基础高度H；

2)确定上述系数是否满足以下条件：

$>>>>KE>>(>1>+>e>)>>>>>H>2>>f\mu >>>>>>>1>,>>>>TKE>>(>1>+>e>)>>>>\mu >>H>2>>>>>>>>1>,>Tf>>>>>1>;>$>

3)满足上述条件后，用该原状土制样，放入基础中，施加动力载荷至变形不在发展，然后测量变形和力的相应数值；

4)在上述步骤3)所获得的相应数值的基础上加上修正项： $>\underset{}{\overset{}{}}$>其中,为载荷频率；

5)根据步骤3)和4)所取得的值制作关系曲线。

图1是本发明动载下影响区宽度的理论与实验值对比(圆圈点为实验值修正后的值，其他点为实验值，线为理论值，)的关系曲线图，如图1所示，试验值及修正后的值能够很好地反映真实值，因此可以作为海洋平台的动载荷状态试验研究。

图2为本发明孔隙压力随时间变化曲线图。由理论分析，我们得到动冰载下桶基响应达到稳态需要的时间为 $>{}_{}$>根据土体参数及该式估算出的达到稳态的时间约为2小时，这与实验结果即该图所示的结果是一致的，达到稳态的时间是孔压下降到基本不变的时间，见图中箭头所指的位置。