CN110243413B - 一种超重力离心模型物理状态的监测装置及监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于超重力离心模型的物理状态监测装置和监测方法，所述监测装置由模型箱、可升降固定机构、位移监测组和位移靶标四部分组成，能够实现模型在试验过程中液面和土面位移变化的同步监测；所述监测方法基于超重力离心模型内部气体的物态方程，根据上述监测装置得到的实测数据，获得试验过程中模型物理状态的时域特性；所述超重力离心模型是在超重力环境中，由气体、液体、固体颗粒材料组成的三相介质模型；所述物理状态包含模型饱和度以及温度场均值水平两项指标。

Description

一种超重力离心模型物理状态的监测装置及监测方法
技术领域：
本发明涉及土木工程领域，尤其是涉及一种用于超重力离心模型的物理状态监测的装置和方法。
背景技术：
近年来，世界各地地震频发，其中不乏给各国人民带来巨大生命财产损失的大震、强震。在地震中建筑物因地基失稳而发生的倒塌，以及山体滑坡、泥石流等灾害均与岩土工程息息相关。在岩土工程领域中，关于地震问题我们的研究对象主要是与岩土体紧密相关的地表以下部分，可以简单分为两类：一是含有地下人为构筑物的场地，二是不含有地下土工构筑物的自由场地。所述地下土工构筑物主要指地下基础，如基坑、承台、框架柱、地梁等，也包括地铁、隧道等公共交通设施。地震的无法预测性，要求我们在各类建筑物设计以及建造过程中使其满足一定的抗震标准，并对容易发生滑坡、泥石流的山体等自然地貌预先采取加固措施。上述抗震标准和加固措施的制定和评价都需要进行严格的科学试验论证。若我们在已有建筑物场地上进行现场的地震试验，不仅会对现有建筑物造成破坏，而且因为试验对象过于庞大而存在诸多技术问题和不可控因素，还存在耗资较高等问题。因此，模型试验是研究地震荷载下不同场地抗震特性和稳定性的一种主要手段。
岩土工程领域中的模型试验往往指的是实体缩尺试验，即将现实中场地的几何尺寸缩小N倍后制作为模型，并将制作完的模型安置于特定模型箱内。模型土体中不同深度的土压力σ计算公式与水压力类似，为σ＝ρhg，其中ρ为土体密度，h为地面以下深度，g为重力加速度，约为10m/s2。由于几何尺寸的缩小，即土压力计算公式中地面以下深度h缩小了N倍，模型土体内部土压力相较现实场地对应位置，也降低了N倍。超重力离心试验中通过土工离心机运行时产生的离心加速度模拟超重力环境，即N倍重力加速度环境，可以使模型与现实场地保持相同的土压力水平，从而具有相似的变形及破坏机制。所述离心机实物如图1所示，图中吊篮用于放置模型。简单来说，当土工离心机以角速度ω运转时，其产生的离心加速度为ω2r(其中r为离心机旋转有效半径)，若离心加速度达到N倍重力加速度，即Ng时,模型能够保持与现实场地相同的土压力水平，达到较为理想的试验效果。例如，为了研究位于岩土体内部的桩基础在地震荷载下的动力响应，我们将现实场地中桩基础及其周围土体的几何尺寸缩小50倍制作模型后，需要在土工离心机产生的50g(50倍重力加速度)超重力环境中进行后续试验。所述动力响应，是桩基础及其周围土体在地震动下产生的变形以及其内部应力、应变等力学特性改变的总称，是试验结果中我们最为关心的部分。其中应力为单位面积上，模型内各部分之间相互作用时产生的内力；应变为物体局部的相对变形。我们将模型空间内各点的瞬时应力状态的总集合称为应力场。通过离心机实现模型内土压力与现实场地相同，就是使得模型初始应力场与现实场地相同。在此基础上，振动台能够在离心机产生的超重力环境中，在模型底部形成可控制的地震波，即此时模型箱随振动台一起发生振动。上述离心机、振动台设备实现了模型尺度下，含有土工构筑物场地或自由场地真实应力水平下的地震经历模拟。预先埋设在模型内部的孔压计、加速度计、应变片等传感器以及控制室内的数据采集系统，会记录模拟地震发生时的地震动和模型的动力响应。目前，超重力离心模型试验在国内外均被认为是最有效的模拟地震的试验手段，为岩土工程地震问题的研究提供了可靠的技术支持。
在了解了离心机振动台试验理论上的可靠性和合理性的基础上，模型制作和具体试验操作也是离心机振动台试验能否顺利进行的重要一环。为了模拟土中水的存在，我们往往在现有的干砂模型中加入液体，所用液体可称为饱和液体。由于在离心机产生的超重力环境中水在土体中的渗流速度会大大加快，我们需要找一种更为粘稠的饱和液体，使其在超重力环境中的流动速度接近现实土体中水的流动速度。目前离心机试验中一般选取硅油作为饱和液体，从模型箱底部将饱和液体缓慢注入干土模型中，当液面高于砂面一定高度时，认为饱和完毕并停止进液。此时，我们用饱和度这一指标来描述土孔隙中饱和液体的充满程度，具体计算公式为：
Figure BDA0002110786270000021
其中Vw为土孔隙中液体体积，Vv为土中孔隙总体积。土体物质组成示意图如图2。而模型试验中土体的饱和度难以达到100％，因此孔隙总体积一般由气体体积与液体体积两部分组成。例如对于饱和度为95％的土体而言，其内部孔隙中气体体积占5％，液体体积占95％。
在模型制作及监测设备安装完毕后，一般离心机振动台模型试验过程可以分为以下三个阶段：(1)离心机加速阶段。离心机从静止开始转机直至指定加速度，模型内部应力场随离心加速度增加而增强。通常我们采用离心机加速度逐级增加的方式进行加载，例如指定加速度为50g，则加速度每增加10g后需稳定一段时间，再进行下一级加载。(2)振动台振动阶段。离心机保持稳定的指定加速度，振动台对模型输入指定振动以模拟地震。(3)离心机减速阶段。地震荷载模拟完毕，离心机从指定加速度减速至静止，模型内部应力场随离心加速度降低而削弱。在上述试验过程(1)中，模型应力场的增强，会同时影响模型孔隙中的气体体积Va与孔隙本身体积Vv大小，从而直接对模型饱和度Sr产生显著影响。具体来说，当离心机开始运转时(即超重力环境下)，砂土模型由初始状态变得更为密实，内部孔隙体积Vv减小，宏观表现为砂土表面发生一定程度的沉降；砂土模型孔隙内的气体受到的四周的压力增大，其体积Va受到压缩而减小，宏观表现为液面发生一定程度的沉降。同时由于离心机往往安置在地下封闭舱室内，机器自身运转产生的热量，以及高速运转时与空气摩擦产生的热量均会使室内温度有明显升高。孔隙内的气体和饱和液体由于温度升高，两者的体积也会出现一定的膨胀，宏观表现为液面发生一定程度的升高；由于土及其内部的结构物体积膨胀系数远小于饱和液体与空气，故不考虑土体及其内部结构物因温度升高而产生的体积膨胀。在试验过程(2)离心机振动台输入振动的过程中，模型箱发生强迫振动，加速度峰值一般可以达到几倍乃至几十倍的重力加速度。在振动过程中，模型内部土颗粒间或者土颗粒与地下结构物间不断发生摩擦而产生的大量热量，使模型内部温度场发生改变。由于模型内部不同区域所处深度和周围环境各不相同，它们在模拟地震过程中释放的热量也各不相同，最终在模型内部形成了一个复杂的温度场。所述温度场为模型中每一点处瞬时温度的总集合。孔隙内的气体和饱和液体在复杂温度场的影响下，两者的体积也会出现一定的膨胀，宏观表现为液面发生一定程度的升高；由于土及其内部结构物的体积膨胀系数远小于饱和液体与空气，故不考虑土及其内部结构物因温度而产生的体积膨胀。与此同时，模型在模拟地震的振动过程中，土体中的孔隙总体积Vv也会发生改变，根据其初始状态的不同可能会被振密，也可能会被振松；模型内部应力场在振动过程中也会发生变化而影响气体体积。综上所述，模型物理状态在试验进程中时刻发生着变化，物理状态包含模型饱和度以及温度场均值水平两项指标。
在模拟地震过程中，模型物理状态是我们研究的基本要素之一。其中，土饱和度是一项重要的反映土体特性的比例指标。根据土饱和度的不同，我们可以将土分为饱和土与非饱和土两类。两者的强度理论及其工程应用都有着各自的理论体系，并与土饱和度大小息息相关。所述饱和土为土体内的孔隙基本上被水充满的土，《土工试验方法标准》的“试样制备和饱和”一节中明确给出了饱和标准是“饱和度不低于95﹪”(颗粒粒径小于60mm的土)。土饱和度不仅是常规离心机模型的控制因素之一，还对模拟地震荷载下模型的动力响应有着重要的影响。当地震发生时，震源处的能量以波的形式从震源传向地表，而波的类型可分为压缩波(P波)和剪切波(S波)两类。这两类波均属于弹性波，其在不同土饱和度下的波速、能量衰减等传播特性有着显著的差异。例如，在高饱和度范围内，压缩波(P波)波速随着土饱和度的增加呈指数型增长，而其能量衰减则随着土饱和度的增加而减小。这说明了地震来临时，土饱和度对地震波从震源达到地面的时间以及剧烈程度都有着显著影响。此外，模拟地震中模型内部温度场均值水平的变化，不仅对模型饱和度产生影响，也反映了土体内部经历地震时受到影响的剧烈程度。模型温度场均值水平越高，说明模型内部土颗粒间或者土颗粒与结构物间发生的摩擦越强，土体或结构物被破坏的可能性就越大。
综上所述，模型饱和度和温度场均值水平这两项模型物理状态指标，既有内在联系，又有各自独立的监测意义。现有技术中，未见有针对离心机模型物理状态指标的监测方法和装置，尤其是涉及在地震荷载下对模型物理状态的监测。目前有利用压缩波速测量模型饱和度的方法，具体实施方式是在模型内部埋设一对压缩元，两个压缩元之间距离为L，其中一个压缩元产生压缩波，另一个压缩元接收压缩波，两者的时间差t就是压缩波在距离L上传播所需要的时间，压缩波速即为L/t，最后依据压缩波速与土饱和度之间的对应关系获得土饱和度。但在超重力环境中机器运行的噪声会对接收波形产生一定影响，给时间差t的准确读取造成了一定难度。并且如前所述，在高饱和度范围内，压缩波(P波)波速随着土饱和度的增加呈指数型增长，难以获得两者准确的对应关系。此外，模型内部饱和度并非是空间均一分布的，压缩波速测试位置的土饱和度难以反映模型整体的饱和状态。专利CN108693328A所述的一种测定砂土饱和度的方法，实现了在常重力下对砂土模型的饱和度测定。但其步骤较为复杂，需要进行两次抽真空操作并涉及二氧化碳的注入，难以在离心机高速运行过程以及模拟地震下进行。目前对模型内部温度场的监测主要通过在模型内部埋设温度传感器来实现。埋设的单个温度传感器往往只能反映小范围内的温度变化，难以完整描述模型内部温度场的均值水平。而在模型中埋设大量温度传感器不仅会破坏模型原有的结构，也会与其他类型传感器发生位置冲突，不具备现实的可操作性。因此，现有技术难以实现离心机振动台模型在试验过程中物理状态监测，所述物理状态涉及模型饱和度以及温度场均值水平两项指标。
发明内容：
为了弥补现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种适用于一般超重力离心模型，尤其适用于离心机振动台模型的物理状态的监测装置和监测方法；所述模型物理状态包含模型饱和度和温度场均值水平两项。
所述超重力离心模型，是在超重力环境中进行试验的土工模型；所述离心机振动台模型，是在超重力环境中进行模拟地震荷载试验的土工模型。所述物理状态监测方法和监测装置之间的联系在于：监测装置为监测方法提供必要的实测数据；所述实测数据为试验过程中模型土面位移和液面位移。
为解决本发明的技术问题，本发明采用如下的技术方案：
一种用于超重力离心模型的物理状态监测装置，所述所述超重力离心模型是在超重力环境中，可涉及模拟地震荷载，由气体、液体、固体颗粒材料组成的三相介质模型，所述物理状态主要包括模型饱和度和温度场均值水平两项指标，所述监测装置包括模型箱、可升降固定机构、位移监测组和位移靶标；所述位移靶标由液面靶标和土面靶标组成。
进一步的，所述模型箱为无封顶箱状结构；所述可升降固定机构由箱顶横梁和刚性多孔竖杆两部分栓接而成，所述的箱顶横梁通过模型箱顶部边框中间预留的一对螺栓孔，固定于模型箱上；所述的箱顶横梁在其长度方向中部位置，预留刚性多孔竖杆的插口和横向螺栓孔；所述刚性多孔竖杆通过螺栓垂直连接于箱顶横梁中部；所述的刚性多孔竖杆沿其长度方向留有不同高度的螺栓孔，以便调节其端部高度。
进一步的，所述位移监测组由一对激光位移计组成，分别固定于刚性多孔竖杆的端部和一侧。
进一步的，所述的土面靶标为密度大于模型饱和液体的板状结构物，其下表面布置有针状结构，固定于土体表面；所述的土面靶标位于刚性多孔竖杆所述端部的激光位移计的正下方。
进一步的，所述的液面靶标为密度小于模型饱和液体的块状结构物，通过环状结构嵌套于刚性多孔竖杆上，环状结构的内轮廓略大于刚性竖杆外轮廓；所述的液面靶标位于刚性多孔竖杆所述一侧的激光位移计的正下方。
进一步的，还包括流量计，用于获得进入模型箱的饱和液体总体积
本发明的第二个目的是提供一种采用如前所述任何一种形式的监测装置来进行离心机振动台模型的物理状态监测的方法，所述的监测方法基于模型初始状态数据和实测数据实现在超重力环境以及模拟地震荷载下对模型物理状态的监测；所述的物理状态包含模型饱和度和温度场均值水平两项指标；所述的实测数据由上述监测装置获得；所述的监测方法包括如下步骤：
1)通过监测装置，获得离心机振动台试验过程中的液面位移Sl和土面位移Ss。
2)计算模型内部初始气体体积
Figure BDA0002110786270000031
Figure BDA0002110786270000041
式(1)中，
Figure BDA0002110786270000042
为模型初始饱和度，
Figure BDA0002110786270000043
为模型内部初始液体体积；
3)计算模型温度场均值水平T:
Figure BDA0002110786270000044
式(2)中，N为超重力加速度与常重力加速度比值，
Figure BDA0002110786270000045
为模型初始温度、αl为液体体积膨胀系数、A为模型箱内部净面积、Sl为液面位移、VL为模型箱内液体总体积、
Figure BDA0002110786270000046
为模型内部初始气体体积；
4)计算模型饱和度Sr：
Figure BDA0002110786270000047
式(3)中，
Figure BDA0002110786270000048
其中Ss为土面位移，Vv为试验过程中土中孔隙总体积，
Figure BDA0002110786270000049
为初始土孔隙体积，T为试验过程中模型温度场均值水平，
Figure BDA00021107862700000410
为模型温度场初始均值水平、αl为液体体积膨胀系数、A为模型箱内部净面积、Sl为液面位移、VL为模型箱内液体总体积、
Figure BDA00021107862700000411
为模型内部初始气体体积、Va为试验过程中模型内部气体体积。
进一步的，步骤2)中所述初始气体体积
Figure BDA00021107862700000412
是指试验开始前，存在于土体内部的气体体积；所述初始气体体积
Figure BDA00021107862700000413
计算公式(1)依据土饱和度定义获得，所述土饱和度表示土孔隙中饱和液体的充满程度，具体计算公式为：
Figure BDA00021107862700000414
其中Vw为土孔隙中液体体积，Vv为土中孔隙总体积。
进一步的，公式(1)中
Figure BDA00021107862700000415
为模型初始饱和度，为已知模型初始状态参数；
Figure BDA00021107862700000416
为模型内部初始液体体积，其值计算为
Figure BDA00021107862700000417
模型箱内饱和液体总体积VL由三部分组成：第一部分为位于土表面以上的纯液体体积V1，第二部分为模型内部液体体积
Figure BDA00021107862700000418
第三部分为残留在进液管内的液体体积V3，得到模型内部液体体积
Figure BDA00021107862700000419
其中VL在模型制作过程中，由监测装置中流量计测量得到；V1＝Ah，模型箱内部净面积A和液面高于土面的高度h均为已知模型初始状态参数；V3等于模型箱进液管体积Vp，为已知模型初始状态参数。
进一步的，步骤3)中所述的温度场均值水平是模型内部不同区域温度的平均水平的反映；所述模型温度场均值水平计算公式(2)依据理想气体物理状态方程获得，并考虑了超重力环境和液体在变温度场中体积膨胀对计算结果的影响，所述理想气体物理状态方程(State Equation of Ideal Gas)
Figure BDA0002110786270000051
中，P为气体内部压强，V为气体体积，T为气体温度，n为气体物质的量，R为气体常量，仅取决于气体种类。
进一步的，步骤4)中所述的模型饱和度Sr计算公式(3)依据土饱和度定义获得，并考虑了模型内部土孔隙体积变化和气体体积变化对计算结果的影响。
本发明的有益效果：
(1)该土工离心机模型物理状态监测方法，通过模型在离心机振动台试验过程中液面和土面位移，实现超重力和变温度场耦合作用下的模型饱和度变化的实时监测。
(2)该土工离心机模型物理状态监测方法，通过模型在离心机振动台试验过程中液面和土面位移，实现非接触式模型温度场均值水平的实时监测，与常规埋设温度传感器相比保证了模型本身的完整程度，更简单高效。
(3)该土工离心机模型物理状态监测装置，通过液面靶标与固定竖杆的嵌套结构，保证了试验过程中，尤其是振动台模拟地震过程中，液面靶标沿液面方向位置的稳定性和垂直液面方向位移的自由性；通过土面靶标周围的短针状结构保证了试验过程中，尤其是振动台模拟地震过程中，靶标与土面的相对稳定。
(4)该土工离心机模型物理状态监测装置，通过可升降固定机构能有效调节激光位移传感器的高度，适应不同尺寸模型，使得激光位移计始终处于其量程范围内。
(5)该土工离心机模型物理状态监测装置构造简易，并采用轻质高强的铝合金有效减小了离心机和振动台的负载，最大程度上保证了试验过程中的安全性和可操作性。
附图说明
图1是土工离心机实物图
图2是土饱和度含义的示意图
图3是监测装置简图
图3中 1.模型箱，2.箱顶横梁，3.刚性多孔竖杆，4.1号激光位移计，5.2号激光位移计，6.土面靶标，7.液面靶标，8.固定螺栓，9.流量计，10.试验模型
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应该理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明的讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本发明所附权利要求书所限定的范围。
本发明提供用于一种用于土工离心机振动台模型的物理状态监测装置，该模型物理状态监测装置主要包括模型箱、可升降固定机构、位移监测组和位移靶标四个主要组成部分。(1)所述模型箱作为模型容器其特征在于：能保持试验过程中模型形状的稳定，同时通过其与振动台的刚性连接，使得振动台产生模拟地震的振动能够传入模型；所述模型箱顶部边框中间，预留有一对用于固定可升降固定机构的螺栓孔。(2)所述可升降固定机构是模型箱与位移监测组之间的连接构件，其特征在于：由箱顶横梁和刚性多孔竖杆两部分连接而成；所述箱顶横梁通过模型箱顶部边框中间预留的一对螺栓孔，固定于模型箱上，保证可升降固定机构在离心机以及振动台运行时自身的稳定；所述箱顶横梁在其长度方向中部位置，预留刚性多孔竖杆的插口和横向螺栓孔；所述刚性多孔竖杆通过螺栓垂直连接于箱顶横梁中部；所述刚性多孔竖杆沿其长度方向留有不同高度的螺栓孔，以便调节其端部高度。(3)所述位移监测组为核心功能模块，其特征在于：通过1号激光位移计和2号激光位移计，能够精确测量液面靶标与土面靶标试验过程中在垂直于液面方向的位移变化，即液面位移Sl和土面位移Ss(土面、液面下降为正)；所述1号激光位移计、2号激光位移计分别固定于刚性竖杆的侧面与端部，同时保证1号激光位移计位于液面靶标正上方，2号激光位移计位于土面靶标正上方；所述1号、2号激光位移计端部发射的激光分别在由液面靶标和土面靶标发生反射，而被激光位移计再次接收。(4)所述位移靶标与位移监测组共同实现土面和液面位移监测功能，其特征在于：位移靶标由液面靶标和土面靶标两部分组成；所述土面靶标为密度大于模型饱和液体的板状结构物，其板状结构能有效均摊靶标对模型表面产生的压力；所述土面靶标下表面布置有一圈针状结构，保证其在离心机振动台工作过程中不发生较大的偏移；所述液面靶标可由泡沫板等轻质材料制作而处于漂浮状态，并通过环状结构套于刚性竖杆上，环状结构的内轮廓略大于刚性竖杆外轮廓，使得液面靶标既能自由随液面上下浮动，又限制其在试验过程中不发生较大偏移。
上述模型物理状态监测装置能在超重力和模拟地震荷载下，实现模型液面位移和土面位移的同步精确监测；
优选的，可升降固定机构采用铝合金材料制造，具有强度高而质量轻的特点，以减小离心机、振动台运行过程中可升降固定机构的惯性力；
优选的，液面靶标材料采用EPS泡沫板，因其密度小、价格便宜且易于制作。
基于上述监测装置，可按照以下方法进行来进行离心机振动台模型的物理状态监测，具体包括如下步骤：
一、由上述模型物理状态监测装置对试验过程中土面位移变化Ss以及液面的位移变化Sl进行实时监测，该物理状态监测装置具体使用步骤如下，结合附图3详细说明：
(1)在试验模型10制作过程中，通过流量计9获得进入模型箱的饱和液体总体积VL；
(2)将箱顶横梁2通过螺栓8固定于模型箱1两端；
(3)将土面靶标6轻插入土面；
(4)将刚性多孔竖杆3插入箱顶横梁2的预留孔中并套入液面靶标7，调节至适合高度，使得杆端的1号激光位移计4和2号激光位移计5与靶标距离在其测量量程范围内；
(5)开启离心机以及数据采集设备，获得试验中各时刻的液面位移Sl与土面位移Ss。
二、基于上述监测装置获得参数和模型初始状态参数，通过相应物理状态监测方法，可计算得到模型饱和度以及温度场均值水平两项指标。
所述模型初始状态参数是指试验模型自身的物理特性，均可在试验开始前获知，主要包括：模型初始温度
Figure BDA0002110786270000061
饱和液体体积膨胀系数αl、模型箱内部净面积A、模型初始饱和度
Figure BDA0002110786270000062
和液面高于土面的高度h，模型箱进液管体积Vp；所述体积膨胀系数表示当物体温度改变1摄氏度时，其体积的变化和它在0℃时体积之比，其值越大说明物体体积随温度升高而产生的体积膨胀越大；所述饱和度表示土孔隙中饱和液体的充满程度，具体计算公式为：
Figure BDA0002110786270000063
其中Vw为土孔隙中液体体积，Vv为土中孔隙总体积。
所述相应物理状态监测方法分为如下几步：
1.模型内部初始气体体积
Figure BDA0002110786270000064
计算。
由饱和度定义式可知模型初始饱和度
Figure BDA0002110786270000065
其中
Figure BDA0002110786270000066
为模型内部液体体积，
Figure BDA0002110786270000067
为模型内部孔隙总体积；
又因模型内部孔隙总体积
Figure BDA0002110786270000068
其中
Figure BDA0002110786270000069
为初始气体体积，易推得
Figure BDA00021107862700000610
计算公式(1)：
Figure BDA00021107862700000611
其中，
Figure BDA0002110786270000071
为模型初始饱和度，为已知模型初始状态参数；
Figure BDA0002110786270000072
为模型内部液体体积，其值可计算为
Figure BDA0002110786270000073
模型箱内饱和液体总体积VL由三部分组成：第一部分为位于土表面以上的纯液体体积V1，第二部分为模型内部液体体积
Figure BDA0002110786270000074
第三部分为残留在进液管内的液体体积V3，易得模型内部液体体积
Figure BDA0002110786270000075
其中VL在模型制作过程中，由监测装置中流量计9测量得到；
V1＝Ah，模型箱内部净面积A和液面高于土面的高度h均为已知模型初始状态参数；V3等于模型箱进液管体积Vp，为已知模型初始状态参数。
2.模型温度场均值水平计算。
离心机振动台试验过程中，模型内部的温度在模型空间内不均匀分布，而一般的温度传感器只能获得某一点的温度值而难以获得总体均值水平。模型内部气体由于其分布的随机性，覆盖了尽可能多的模型内部区域，其物理状态变化能较好表征模型温度场的整体水平。
在理想气体状态方程(State Equation of Ideal Gas)
Figure BDA0002110786270000076
中，P为气体内部压强，V为气体体积，T为气体温度，n为气体物质的量，R为气体常量，仅取决于气体种类。模型箱中，饱和液体的液面一般高于砂面1～2cm左右，能达到良好的液封效果，防止外界空气进入模型中，保证了模型内部气体质量的恒定，即在试验过程中模型内部气体的物质的量n和气体常量R保持不变。因此，模型内部气体的初始状态方程与各时刻试验状态方程应满足式(2)：
Figure BDA0002110786270000077
其中，等式左边为模型内部气体的初始状态方程，等式右边为模型各时刻的试验状态方程；
Figure BDA0002110786270000078
为模型内部初始气体体积；
Figure BDA0002110786270000079
为模型内部初始气体压强；
Figure BDA00021107862700000710
为模型温度场初始均值水平；P为试验过程中模型孔隙内部气体的压强；Va为试验过程中模型内部气体体积；T为试验过程中模型温度场均值水平；
所述试验过程中模型孔隙内部气体的压强P与离心机产生的超重力场大小有关，当产生的超重力为常重力加速度g的N倍，即超重力为Ng时：
Figure BDA00021107862700000711
其中N可由离心机运转的角速度和旋转半径计算求得，一般在离心机控制程序中显示；
同时，试验过程中各时刻与初始状态相比，模型内部气体体积变化量
Figure BDA00021107862700000712
可由模型物理状态监测装置测得的液面高度Sl变化换算得到；液面在模型箱中所述液面高度变化Sl以液面下降为正，表示模型箱内物质体积缩小了SlA；所述缩小体积SlA由三部分组成：第一部分为模型内部气体体积变化量，第二部分为饱和液体在试验过程中因温度升高而发生的体积膨胀，第三部分为土体在试验过程中因温度升高而发生的体积膨胀；所述饱和液体膨胀体积，可以根据其体积膨胀系数简化计算得到，其值为
Figure BDA00021107862700000713
所述土体的体积膨胀远小于气体和饱和液体，可忽略不计；故所述模型内部气体体积变化量为
Figure BDA0002110786270000081
其中，式(4)等号左侧为气体体积改变量，由于液面高度变化Sl以液面下降为正，所以饱和液体体积膨胀为负。
联立(2)(3)(4)可得，试验过程中模型温度场均值水平为：
Figure BDA0002110786270000082
其中，N为超重力加速度与常重力加速度比值，
Figure BDA0002110786270000083
为模型温度场初始均值水平、αl为液体体积膨胀系数、A为模型箱内部净面积、Sl为液面位移、VL为模型箱内液体总体积、
Figure BDA0002110786270000084
为模型内部初始气体体积；
3.模型饱和度计算。
试验过程中模型孔隙体积变化宏观表现为土面的下降或上升，土面下降说明模型变得更密实，模型中孔隙体积减小；反之模型中孔隙体积增大。物理状态监测装置可获得试验过程中土面位移Ss，据此可获得模型内孔隙体积变化量为SsA；由式(4)可得，与初始状态相比，试验过程中模型内部气体体积减小量为
Figure BDA0002110786270000085
又因模型内部液体体积Vw＝Vv-Va，易得模型饱和度计算公式为：
Figure BDA0002110786270000086
式(6)中
Figure BDA0002110786270000087
其中Ss为土面位移，Vv为试验过程中土中孔隙总体积，
Figure BDA0002110786270000088
为初始土孔隙体积，T为试验过程中模型温度场均值水平，
Figure BDA0002110786270000089
为模型温度场初始均值水平、αl为液体体积膨胀系数、A为模型箱内部净面积、Sl为液面位移、VL为模型箱内液体总体积、
Figure BDA00021107862700000810
为模型内部初始气体体积、Va为试验过程中模型内部气体体积；
综上所述，试验过程中模型饱和度和温度场均值水平两项指标可分别由式(6)、式(5)计算得到。

Claims (7)

1.一种用于超重力离心模型的物理状态监测装置，其特征在于：所述超重力离心模型是在超重力环境中，可涉及模拟地震荷载，由气体、液体、固体颗粒材料组成的三相介质模型，所述物理状态主要包括模型饱和度和温度场均值水平两项指标，所述监测装置包括模型箱、可升降固定机构、位移监测组和位移靶标；所述位移靶标由液面靶标和土面靶标组成；
所述模型箱为无封顶箱状结构；所述可升降固定机构由箱顶横梁和刚性多孔竖杆两部分栓接而成，所述的箱顶横梁通过模型箱顶部边框中间预留的一对螺栓孔，固定于模型箱上；所述的箱顶横梁在其长度方向中部位置，预留刚性多孔竖杆的插口和横向螺栓孔；所述刚性多孔竖杆通过螺栓垂直连接于箱顶横梁中部；所述的刚性多孔竖杆沿其长度方向留有不同高度的螺栓孔，以便调节其端部高度；
所述位移监测组由一对激光位移计组成，分别固定于刚性多孔竖杆的端部和一侧；
所述的土面靶标为密度大于模型饱和液体的板状结构物，其下表面布置有针状结构，固定于土体表面；所述的土面靶标位于刚性多孔竖杆所述端部的激光位移计的正下方；
所述的液面靶标为密度小于模型饱和液体的块状结构物，通过环状结构嵌套于刚性多孔竖杆上，环状结构的内轮廓略大于刚性多孔竖杆外轮廓；所述的液面靶标位于刚性多孔竖杆所述一侧的激光位移计的正下方。
2.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于：还包括流量计，用于获得进入模型箱的饱和液体总体积。
3.一种采用权利要求1-2中任一项所述的 监测装置来进行离心机振动台模型的物理状态监测方法，其特征在于：所述的监测方法基于模型初始状态数据和实测数据实现在超重力环境以及模拟地震荷载下对模型物理状态的监测；所述的物理状态包含模型饱和度和温度场均值水平两项指标；所述的实测数据由上述监测装置获得；所述的监测方法包括如下步骤：
1)通过监测装置，获得离心机振动台试验过程中的液面位移Sl和土面位移Ss；
2)计算模型内部初始气体体积
Figure FDA0002722460520000011
Figure FDA0002722460520000012
式(1)中，
Figure FDA0002722460520000013
为模型初始饱和度，
Figure FDA0002722460520000014
为模型内部初始液体体积；
3)计算模型温度场均值水平T:
Figure FDA0002722460520000015
式(2)中，N为超重力加速度与常重力加速度比值，
Figure FDA0002722460520000016
为模型初始温度、αl为液体体积膨胀系数、A为模型箱内部净面积、Sl为液面位移、VL为模型箱内液体总体积、
Figure FDA0002722460520000017
为模型内部初始气体体积；
4)计算模型饱和度Sr：
Figure FDA0002722460520000018
式(3)中，
Figure FDA0002722460520000019
其中Ss为土面位移，Vv为试验过程中土中孔隙总体积，
Figure FDA0002722460520000021
为初始土孔隙体积，T为试验过程中模型温度场均值水平，
Figure FDA0002722460520000022
为模型温度场初始均值水平、αl为液体体积膨胀系数、A为模型箱内部净面积、Sl为液面位移、VL为模型箱内液体总体积、
Figure FDA0002722460520000023
为模型内部初始气体体积、Va为试验过程中模型内部气体体积。
4.根据权利要求3所述的监测方法，其特征在于：步骤2)中所述初始气体体积
Figure FDA0002722460520000024
是指试验开始前，存在于土体内部的气体体积；所述初始气体体积
Figure FDA0002722460520000025
计算公式(1)依据土饱和度定义获得，所述土饱和度表示土孔隙中饱和液体的充满程度，具体计算公式为：
Figure FDA0002722460520000026
其中Vw为土孔隙中液体体积，Vv为土中孔隙总体积。
5.根据权利要求4所述的监测方法，其特征在于：公式(1)中
Figure FDA0002722460520000027
为模型初始饱和度，为已知模型初始状态参数；
Figure FDA0002722460520000028
为模型内部初始液体体积，其值计算为
Figure FDA0002722460520000029
模型箱内饱和液体总体积VL由三部分组成：第一部分为位于土表面以上的纯液体体积V1，第二部分为模型内部液体体积
Figure FDA00027224605200000210
第三部分为残留在进液管内的液体体积V3，得到模型内部液体体积
Figure FDA00027224605200000211
其中VL在模型制作过程中，由监测装置中流量计测量得到；V1＝Ah，模型箱内部净面积A和液面高于土面的高度h均为已知模型初始状态参数；V3等于模型箱进液管体积Vp，为已知模型初始状态参数。
6.根据权利要求3-5中任一项所述的监测方法，其特征在于：步骤3)中所述的温度场均值水平是模型内部不同区域温度的平均水平的反映；所述模型温度场均值水平计算公式(2)依据理想气体物理状态方程获得，并考虑了超重力环境和液体在变温度场中体积膨胀对计算结果的影响，所述理想气体物理状态方程
Figure FDA00027224605200000212
中，P为气体内部压强，V为气体体积，T为气体温度，n为气体物质的量，R为气体常量，仅取决于气体种类。
7.根据权利要求3-5中任一项所述的监测方法，其特征在于：步骤4)中所述的模型饱和度Sr计算公式(3)依据土饱和度定义获得，并考虑了模型内部土孔隙体积变化和气体体积变化对计算结果的影响。
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