探究实验原理及应用的分析介绍

利用相似模拟来研究物理现象以帮助解决理论与设计中的问题是工程上常用的原则，对于土工建筑物，如果模型能同时模拟土体各点的实际应力状态，其试验结果将为结构物的分析设计提供重要的依据。

在地球重力场（1g）的情况下，如将原型按几何相似缩小到原来的1/n，用原型材料制作成的模型，其各点的自重应力会远低于原型中对应点的自重应力，而对土体而言，其应力-应变关系和强度均与其所承受的应力水平密切相关。因此，在1g条件下的模型无法正确反映出原型所产生的物理现象。但是，若将模型置于ng的重力场中，使模型材料加重n倍，则可以将模型中每点的自重应力提升至与原型中对应点等量的程度，使模型满足重力相似条件，从而使模型表现出与原型一致的力学特征。由于高速旋转的离心机产生的离心力是一种人造重力场，因此，大型土工离心机是提供人造重力场最方便且最为稳定可靠的试验装置。

土石坝离心模型试验中粗颗粒材料的模拟需要解决两个问题：一是模型箱的尺寸效应问题，即如何合理确定模型材料的最大粒径，以避免模型箱的边界影响；另一方面是粒径效应问题，即对超粒径颗粒采取合适的缩尺方法，使模型材料不致因缩尺而引起工程性质的明显改变。

已有的研究成果表明，若模型箱的最小尺寸大于13～15倍模型材料的最大粒径，则可基本消除模型箱边界对试验结果的影响。目前，超粒径颗粒的缩尺方法大体上有三种——剔除法、等量替代法和相似级配法，但这三种缩尺方法都有一定的局限性和适用条件。为克服单独使用等量替代法或相似级配法缩尺的不足，九甸峡水利枢纽工程离心模型试验采用了综合缩尺方法：当超粒径颗粒含量低于40%时，采用等量替代法；当超粒径颗粒含量高于40%时，先以粒径小于5 mm的细粒含量不大于15%为限按相似级配法进行缩尺，再用等量替代法处理超径颗粒。(www.xing528.com)

砂卵砾石地基中的混凝土防渗墙和面板堆石坝的钢筋混凝土防渗面板都是土工离心模型试验中经常遇到的弯曲薄板情况。这类薄板在离心模型中的厚度一般只有几毫米，用原材料制模较为困难，而且，即使是能够采用原型材料，模拟这种薄板也不是一个简单的几何相似的问题，因为如此之薄的混凝土板已很难保持其材料力学性质与原型一致。为此，在九甸峡大坝的离心模型试验中，采用了替代材料（铝板）模拟混凝土面板和防渗墙，面板和防渗墙的厚度根据抗弯相似原则由以下公式确定：

式中：dmo、dpo分别为模型和原型板的厚度，Em、Ep分别为模型和原型板的弹性模量。