DL电力标准-DLT 5102-1999 土工离心模型试验规程1.pdf

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1、土工离心模型试验规程 DL/ T 5 1 0 2 - 1 9 9 9 D L/ T 5 1 0 2 -1 9 9 9 前言 本规程是根据原电力工业部1 9 9 7 年度电力行业标 准制、 修订计划项目 ( 综科教 1 9 9 8 2 8 号文)的安排制定的，在编写格式和规则上符合DL / 1 6 0 0一1 9 9 6 电力标准编写的基本 规定 。 土工离心模型试验是一项近来新发展起来的试验技术，它能直观、正确地显示土体的工 程性状，为设计、施工提供依据，验证已建构筑物的运行情况，并可作为基础性研究的一种 方法。世界各国均在竞相发展此项试验技术。我国自8 0 年代起，许多科研机构、大专院校 先

2、后建立了自己的离心模型试验室，为许多重点工程的设计、施工提供了有关资料，同时也 在一 些基础性研究中取得了 重要科研成果。 离心模型试验在设备、测量仪器、模型制作、数据和图像采集等方面较为复杂，同时在 试验进行过程中要保证安全，防止发生事故，故需要一定操作程序和要求，以保证试验资料 的可靠性和试验设备仪器的安全运行。为此编制本规程。 本规程在编写过程中参考了 国内外一些离心 模型试 验室所订的规程、 细则、 手册和积累 的模型试验经验。主要包括以下基本内容: ( 1 )试验准则; ( 2 ) 试验设备; ( 3 )模型制作; ( 4 )试验步骤; ( 5 ) 试验资料 本规程的附录A是提示的附

3、录。 本规程由中国水利水电科学研究院提出。 本规 程由电力 行业 水电 施工标准化技术委员会归口。 本规程起草单位:中国水利水电科学研究院c 本规程主要起草人:韩连兵、朱思哲、侯瑜京、杜延龄、黄丽清 本规程由电力行业水电施工标准化技术委员会负责解释c 1 0 6 4 DL/ T 5 1 0 2 - 1 9 9 9 目次 前言 ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4、. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 6 4 1 范围 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， ， ， 1 0 6 6 2 引用标准 4 ， ， ， ， ， ， 1 0 6 6 3 术语 ， ， ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， ， ， 1 0 6 6

5、 4 总则 ， ， ， ， ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 6 7 5 试验设备 4 ， ， ， ， ， ， ， ， ， 1 0 6 8 6 模型制作 ， 1 0 6 9 7 试验步骤 4 ， ， 1 0 6 9 8 试验资料 4 ， ， ， ， ， ， 4 ， ， ， 一1 0 7 1 9 记录表格 ， ， ， ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 7

6、2 附录A( 提示的附录)物理量变换表 1 0 7 3 1 范 围 1 . 0 . 1 本规 程规定了土工离 心模型实 验中， 试验设备的主要组成部件、 模型制作方法、 试 验操作程序和试验数据采集与资料整理的要求 1 . 0 . 2 本规程 适用于各类岩土工程构筑物的模型试验， 如土石坝、 路堤、 开挖边坡、挡土 构筑 物、 地下隧 道和厂房等，以 及其他模拟原型构筑物重 力的 试验 2 引用标准 下 列标准所包含的条文， 通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时， 所示 版本均为有效。所有标准都会被修订， 使用本标准的各方 应探 讨使用下列 标准最新版本 的可能性。 G B /

7、 T 1 5 4 0 6 -1 9 9 4 土工 仪器的 基本参数及通用技术条 件 G B / T 5 0 1 2 3 -1 9 9 9 土工 试验方法标准 S L 2 3 7 -1 9 9 9 土工试验规程 3 术语 3 . 0 . 1 模型率 s c a li n g f a c t o r 原 形几 何尺寸 与模型几何尺寸的比 值。 3 . 0 . 2 离心加速度 二 n t ri f u g e a c c e l e r a t io n 离 心机 转臂 转动时， 沿半径方向所产生的加速度， 其方向与向心加速度方向相 反， 大小 相等， 其值与转臂的转速和考察点至转轴轴心距有关。 3

8、 . 0 . 3 有效加速度 e f f e c t i v e a c c e l e r a t io n 有效荷重质心的离心加速度。 3 . 0 . 4 试验加速度 t e s t i n g a c c e le r a t i o n 模型质心的离心加速度。 3 . 0 . 5 模型箱c o n t a i n e r 用以制作 模型和 安装仪器的 箱体， 是模型与吊篮之间的连接部件。 3 . 0 . 6 有效荷重e f f e c t i v e lo a d 吊 篮所 承受 荷重的 质量， 包括模型 箱体、 模型、 量 测仪器 和安 装架、 电 缆等的 质量总 和。 3 . 0

9、. 7 平衡荷重 b a l a n c i n g l o a d 平衡有效荷重的质量。 3 . 0 . 8 模型荷重m o d e l lo a d 模型材料的总质量 3 . 0 . 9 转动半径 r o t a t i n g r a d i u s 1 0 6 6 转臂转动时，吊篮底板至转动轴心的距离 3 . 0 . 1 0 有效半径e f f e c t i v e r a d i u s 有效荷重的质心至转动轴心的距离。 3 . 0 . 1 1 平衡半径 b a l a n c in g r a d i u s 平衡荷重质心至转动轴心的距离。 3 . 0 . 1 2 试验半径 t

10、e s t i n g r a d iu s 模型质心至转动轴心的距离。 3 . 0 . 1 3 有效荷重质心 m a s s c e n t e r o f e f f e c t i v e l o a d 组成有效荷重的各部分质心的合成质心。 3 . 0 . 1 4 平衡荷重 质心 二 a s s c e n t e r o f b a la n c i n g lo a d 组成平衡荷重的各平衡块质心的合成质心 3 . 0 . 1 5 模型质心 c e n t e r o f m o d e l m a s s 组成模型的各种材料质心的合成质心。 3 . 0 . 1 6 允许加速度误差

11、 p e r m i s s i b le e r ro r o f a c c e l e r a t io n 距模型质心最远点的 加速度对模型质心加速度的相对误 差。 3 . 0 . 1 7 离心机最大容量 m a x i m u m c a p a c i t y o f c e n t r i f u g e 离心机的最大加速度与最大有效荷重质量的乘积。 3 . 0 . 1 8 有效容量 e f f e c t iv e c a p a c i t y 离心机的试验加速度与有效荷载的乘积。 4总则 4 . 0 . 1 模型试验应按符合相似律要求和允许的误差，选择模型尺寸、模型材料 ，

12、使之能正 确模拟原型物体的应力、应变及其工作性状。 4 . 0 . 2 模型设计应按离 心机的基本 参数进行， 如转动半径、吊篮尺寸、 有效荷重和允许最 大加速度等。根据相似原理和试验要求， 确定与此相关的 相似 条件，选 择模型试 验参数。 试 验离心力应小于离心机允许的最大离心力。 4 . 0 . 3 根据模型尺寸和原型构筑物的尺寸.按式 ( 4 . 0 . 3 )确宁撑型率 、 : 丛 L二 ( 4. 0. 3 ) 式中 : L , 原 型 构 筑物 尺 寸; L m 模型尺寸。 4 . 0 . 4 试验加速度应小于离心机允许的最大加速度，有效荷重质量应小于离心机允许的最 大质量。按式

13、( 4 . 0 . 4 )计算试验加速度: a , 一 IL m g ( 4. 0. 4 ) 式中: 9 重力加速度 4 . 0 . 5 制作模型的 材料应采用 原型 材料， 并具有与原型材料相同的物理力学性质， 或采用 符合相似律的替代材料。 1 0 6 7 5 试验设备 5 . 0 . 1 土工离心机的各组成部件 ( 见图5 . 0 . 1 ) ，包括转动机构 ( 图中 1 , 2 及7 -9 ) 、传动 机构 ( 图中3 -6 ) , 辅助 设备 ( 润滑系统、 冷 却系统、 供 水系统、 报 警系统) 。 1 )转动机构中的平衡重可以和吊篮同步摆动，也可以固定在转臂上。 2 )润滑系统

14、指转动轴、轴承、减速器等工作时的供油回路系统。 3 )冷却系统是指离心机运转时， 保证轴承、 减速器的机械冷却及使离心机室内温度控 制在4 一 4 0 的采用风冷或水冷的 循环散热系统。 5 . 0 . 2 模型箱的 几何尺寸及形状应根据试验要 求选定， 如圆柱形、 方形或长方形，不管哪 种类型的 模型箱 都应满足以 下要求: 1 ) 制造模型箱的材料应为强度高、 刚度大的轻型材料， 如 铝合金等。 2 ) 模型箱如有一侧为有机玻璃窗， 有机玻璃面应透明无刻痕、 无裂缝， 有足够的强度。 3 )模型箱应有供水、排水系统和安装量测设备的装置，并要求在箱室内充满水时，承 受设计加速度情况下不漏水。

15、 4 ) 模型箱的 底板和周边在最大荷载作用下的挠度应不大于O . l m m , 5 ) 新模型箱使用之前应在满荷载和 加速度为 1 . 2 5 a ( a 设计允许的加速度)的作 用下进行检验。 5 . 0 . 3 量侧设备包括前置放大器和各类传感器 ( 孔隙压力、 位移、土压力和加速度等传感 器) 、 数据采集、 摄像设备 ( 见图5 . 0 . 1 中 1 0 , 1 1 )等。传感器在使用之前应进行静力标 定， 应取不少于5 0 % 的 传感器按试验要求进行加速度考核， 其误差范围 应符合G B / 1 1 5 4 0 6 的规定。 5 . 0 . 4 附属设备包括分析筛、 制模用具

16、、 台秤 感量小于0 . 0 0 1 t , t 为有效荷重)和取样 器等。 图 5 . 0 . 1 土工离心机 1 一转轴;2 一平衡重3 一电动机及整流系统4 -砖动轴:5 一减速器; 6 es 机座:7 -转臂8 一吊篮:9 -滑环:1 1 H 摄像系统 :1 1 -数据采集系统 1 0 6 8 6 模型制作 6 . 0 . 1 在制作模型前， 应对原型构筑物的设计资料， 如边界条件、材料性质和模拟研 究的 问 题等， 进行分析， 提出 试验计 戈 J 大纲 及每 次试验历时和 模型设计书 ( 模型设计书包括模型 材料、模型率、加速度、测点布置及试验次数) 。参加试验的人员应持有上岗证。

17、 6 . 0 . 2 模型材料的 物理力学性质， 如密度、 含水率、 压缩性和强度等一般应与 原型构筑物 材料的相同。对于粗粒土， 应按 S L 2 3 7 -1 9 9 9 标准中的规定制作模型;如用原型材料有困 难时， 允许用相似材料替代， 但应 有试验依 据和符 合相似律的 要求。相 似材料的物理力学 性 质应与原型材料相同或相似。 6 . 0 . 3 按本规程式 ( 4 . 0 . 3 )确定 模型率 二 时， 还应考虑允许加速度误差及离心机最大容 量。 ， 应满足式 ( 6 . 0 . 3 - 1 )及式 ( 6 . 0 . 3 一 2 ) : n=L p / ( 2 a R m )

18、 n止 乙 召刀2 。 L , 原 型 构 筑 物 尺 寸， m ; a 允许加速度误差 ( (士5 4 6 ) ; R , 试验半径， m ; ( 6 . 0 . 3 - 1 ) ( 6 . 0 . 3 - 2 ) 式中: 6. 0. 4 m e 有效荷重质量， k g ; 。 离心机最大容量， g “ t o 根据初步确定的模型率 二值， 寸 不能满足模型尺寸 要求，可调整 。 的变形 。 按原型 几何 尺寸缩小至1 / n制 作模型。 若模型 箱的 尺 值。模型尺寸应尽可能大些， 以便能清晰地显示模型 6 . 0 . 5 传 感器的 埋设应与模型材料接触密实， 动力线和传感器的导线应弯曲

19、成蛇形固定 在 转 臂的 导杆上或模型箱周壁上， 以防止受力拉断。在同一 测点上尽可能平行设置两个同类 传 感器，便于互相校核。 6 . 0 . 6 在土 料模型的 制作过程中 应沿垂直断面和水平层取样， 检测其密度和含水率是否符 合原型 材料的 要求。 模型箱的 侧壁与模型接触面应采取措施，如 铺聚四氟乙 稀薄膜或涂润滑 硅脂以减少摩擦阻力。 6 . 0 . 7 模型与 透明 有机 玻璃板接触断面处应分层埋设测点标志， 并绘出坐标方格，记下 各 测点的坐标。 6 . 0 . 8 称 模型箱的总质量 ( 包括已制 作好的 模型、 量测传感器、 导管电缆等) C 6 . 0 . ， 在 模型制作

20、、仪 器安装和称总 质量的过程中， 试验负责人应在现场，由 校核人员检 查是否符合已认可的模型设计要求，经认可后方可安放于吊篮内。 7 试验步骤 7 . 0 . 1 将模型箱安装于试验吊篮内并固定于吊篮底板上。模型箱底板应与吊篮板面平面接 1 06 9 触，不应有起伏不平或倾斜 7 . 0 . 2 将各传感器和摄像机头的电线连接于接线板上， 并将电线固定于吊 篮框架上， 然后 启动 数据采 集和 摄像系 统， 检查显 示信号 是否正常， 经过校核人员检查认可。 7 . 0 . 3 调整平衡荷重，平衡荷重质心与有效荷重质 L .“ 绕转动轴心转动的平衡力矩应满足式 ( 7 . 0 . 3 ) :

21、 E R , W , =E R , W, ( 7 . 0 . 3 ) 式中:W。 有效荷重重量， N ; W 平衡荷重重量， N ; R e 有效半 径， m或m m ; R ,平衡荷 重重心至 转动 轴心的距离， m或二 。 离心机的不平衡力矩和偏心距按表7 . 0 . 3 所示各栏进行计算，其值应小于设计允许值 表 7 . 0 . 3 离心模型平衡计其 项 目 名 称:转动半径 R; mm 模 型编 号:试验者 最大加速度:校核者: 有 效 荷 重 部件名称 重量 W N ( l ) 重亡至吊 嫉底板 距离 Z 】1 l l tl ( 2 ) 重心偏心距 N “m m x 1 ll n 飞

22、 ( 3 ) 一一、 、 W 、 一一一一一 E W =Z =x =Y= #W, x =艺We Y=乏 W, Z二 Z 一 瓷 (m m ) , x 一 鄂 (m m ) . Y 一 兴 (m m ) , R . - R一 夕 ( m m ) ，有效荷载力矩=Z W, xR , ( N . - ) 平 衡 重 平衡块重量 1 之老 N ( l ) 一 ， 量 w T w w t )c#(2 )一 、3 N3 ) - ( t ) x ( 2 )举 1( 5)#E WZN-(5) _ (3) x (4) ZW 竺艺W Z= Z - 鄂 (m m ) , * 一 * 一 Z , 平 衡 力 矩 一

23、二/ R , ( N “m m ) 日期: 注 1 . 不平衡力矩F W, R一 E W, R ,( 、 。 ) 2 一 作用在吊 篮底板上的不平衡重量=不平衡力矩/ R , ( N ) 3 . 有 效 荷 重 重 心 偏 心 距 ， 一 杯 万 Y = ( 。) 4 . 牙 一重心距吊 篮底板距离 ( m m) ; 灭一重心垂直于 转臂的水平距离 ( 二 ) 下 一重心距转臂的垂直距离 ( m m ) 70 . 4 按如下要求进行安全检查: 1 ) 对本节7 . 0 . 1 一 7 . 0 . 3 每一步骤应由安全人员复 查并签字 认可。 2 在离心机主机室内， 转臂上和吊篮内不得留有任何杂

24、物，紧固件不得松动。门窗须 1 0 7 0 经安全人员仔细检查后，方可关闭主机室安全门。 3 ) 离心机的传动机构及 辅助 设备应预试启动， 并确 认其 处于正常工 作状态。 4 ) 上述三项工作应经离心机操作负责人签字认可后，方可正式启动 7 . 0 . 5 应先启动辅助设备，待运行稳定后，再启动离心机，同时试验人员开始对试验过程 和试验数据进行监测。 7 . 0 . 6 按式 ( 7 . 0 . 6 ) 计算转臂的 转速 N 一 “ 9 . 9 0 3 甲 磷 ( 7 . 0 . 6) 式中:。 模型率; R m 试验 半径， m; N转臂转速，r / mi n 7 . 0 . 7 离心机

25、转臂转动后，加速度 从零升至预定加速度所需历时， 应由 试验负责人根据试 验要求确定。按式 ( 7 . 0 . 7 )计算有效加速度历时: t o =t +t j , / 2 ( 7 . 0 . 7 ) 式中: t o. 有 效加 速度历时， r m n ; 。 试 验加速度历时， n u n , l , 从启 动至 预定试验加速度历时， m i n , 7 . 0 . 8 有 下列 情况之一者， 可以 停机或延长试验时间: l )试 验已达 到预 计的 有效加速度历时; 2 )试验负责人根 据数 据采集或录像资料认为可以 停机; 3 )遇有 报警 信号，应由 操作负责人根据情况决定停机; 4

26、 )试验负责人认为需 要延长预定的 试验时间， 则应与 操作负责人商定 延长时间。 7 . 0 . ， 达到预计历 时， 停止试验。 依次关闭转动机构、 辅 助设备、 数 据采 集系 统。 7 . 0 . 1 0 离心机运转期间， 未经允许， 非 操作人 员不得进人控制室内 或触动控制按钮。 7 . 0 . 1 1 停机后检查: 幻 离 心机转臂转动停止后， 操作人员开启安全门，试验负责人和操作人员方可 进人圆 形离心机室内。 2 )卸下 模型箱和平衡 荷重， 并对离心机转臂、 吊篮、 照明、 摄像设备和模型箱内的模 型、量测设备及辅助设备等进行仔细检查，做好记录和填写运行情况报告表。 S 试

27、验资料 8 . 0 . 1 在模型箱 有机 玻璃透明侧板上， 测记埋设在断面内各测点的坐标， 重新描绘模型轮 廓线， 并对模型各部位取样， 按G B / C 5 0 1 2 3 的规 定， 侧定其密度P 及含水率w , 8 . 0 . 2 按附录A将各传感器测定的数 据换算 成原型的 各相应物理 量。 8 . 0 . 3 试验报 告应 包括: 1 ) 试验前后的 模型轮 廓线， 及各 部位的侧点 位移、 土压力、孔隙压力 等)和加载设 备布置等 2 )实测的模型各测点位移轨迹图和土压力、孔隙压力沿深度和平面的分布图和照片。 1 0 7 1 3) 试验前后各层土密度产 和 含水率二的 变化图 或

28、资料。 4) 如采用替代材料 ( 非原型材料) ， 应提出按相似律分析的结果或试验资料等依据。 5) 量测仪器的型号、尺寸，及其准确度和布置位置。 9 记录表格 9. 0. 1试验负责人按6 . 0 . 1 条要求填写表9 . 0 . 1 各栏所 包括的内容。 轰 ，0. 1 离心懊型试验计划 襄 项 目名称 模 型 率! 月一 委托单位 试 验 加 速 度 “ m一 昭1 研究内容 一 一 . 规 格 、 名 称数 量 参 加试验人员 模型设备试验操作安全检查 试验负责人协作人员 操作负责人 安 全 检 查 人1 试验室 负责人慧见 日期: 9 . 0 . 2 按7 . 0 . 4 和 7

29、. 0 . 11的 要求， 将试验前后安全检查的结果填写于表90 . 2 所列各栏。 项目 名 称 试 验 内 容 有效荷重质量 试 脸 负 责 人 衰9.2 离心机试验设各运行衰 最大加速度 : _ 运 行 时 间 :_ 试 验日 期 : 试验室负责人: _ _ 检查内容 设备状态 运行前 签名1运 行 后签 名 摸 看 模型箱 吊篮 平衡重 甲 可 t测仪器; 主机室 一 润滑系统 冷却系统 电机 .一 ! 整 流 器. 一 一 1 报 誉 系 统1 数 据 采 集 转臂线路 清环 数采系统 一 一l 录像系统 1 0 7 2 9 0. 3 按7 . 0 . 5 条的要求，将各传感器采集的

30、数据记录于表9 . 0 . 3 。 裹 9 . 03 离心核型试脸记录衰 项目名称:模型率:模 型 制 作 者 : 摸型类别:试验加速度:数据采集者: 模型编号:试 验历时 :离心机操作者: 试验说明:试 验 日期 :校核者 试验时间 一 转臂转速 N 加 速 度 计 一 位 移 计 :孔隙压力 、 k 几 土 压 力 尸 一 录 像 妞a编号 备注 时间 历时传感器编号N 。传感器编号No_ 传感器编号入 。 传感器编号N oNo h-湘 n-sn l l】 1r /I n i n ; : 3一 1 23l23l23 一 一 一 一 一 一 一 一一 一一 一 一 1 一一 一一 一一 附录

31、A ( 提示的附录) 物 理 . 变 换 表 表AI 物理t变换表 物理量 ( 模型) 加 速 度、时 比 尺一原 型 物 理 量 线 性 尺 度L 。一11 / 、1、 _ 面 积A ，一11 / ， ，11。 ， A m 体 积v 二一 1， / ， ，1 ， ， v m 时 习t 二 动态 1 / ，一。 m 扩 散一1 / 护凡 Z t m 猫猫流 一1 1 才 m 速加 上刀 m11 v m 加速度。 m 一a，/陀 质t 。二 1 / 。 ， 一 力 Fm ， / 。 ， 陀 Z F m 能量Em 1 / 。 ，1。 ， E 二 应力 、1 r 。 应 变。 。一1一 密 度 p ，一!一1 ， 。 频率fm 一几/ ， 1 07 3