CN112485106A - 一种控制土体状态参数的物理模型分层制备与试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种控制土体状态参数的物理模型分层制备与试验方法。对试验土体进行室内三轴试验和基本物性测试试验；模型箱放置在振动台上，模型箱内放置试验土体，确定试验几何相似比尺；确定离心加速度；设置原型和模型的分层层数；根据分层处理获得原型在各层土体中心处的状态，迭代处理获得模型在各层土体中心处的状态；制备模型；确定振动台输入的波形参数及试验所用饱和流体粘度；进行振动台试验，获得模型响应结果并推演获得原型响应结果。本发明克服传统小比尺不等应力模型试验土体响应失真的缺陷，克服现有离心机负载能力及超重力振动台性能不足的问题，提高缩尺范围，准确模拟原型的应变水平。

Description

一种控制土体状态参数的物理模型分层制备与试验方法
技术领域
本发明属于物理模型试验理论技术领域，具体涉及一种控制土体状态参数的物理模型分层制备技术及其试验方法。
背景技术
当前，我国西南地区兴建大量高坝大库工程，山区新建支线机场，近海建设港口码头和海域建设岛礁工程，以及“川藏铁路”等重大基础设施的建设，都受到强震威胁。我国是世界上地震活动最活跃和地震灾害最严重的国家之一，近年来发生的四川汶川(8.0级，2008)、青海玉树(7.1级，2010)和四川雅安(7.0级，2013)等强震造成了很多大型土工构筑物(如土石坝、高边坡路堤和机场高填方等)的破坏。这些重大岩土工程通常几何尺度巨大(高/深大于100m)，场地条件复杂，地震烈度高，地震作用下涉及大尺度土-结构-流体动力相互作用问题，其抗震设计、建设与服役过程中所遇到的技术难题往往超出当前规范的考虑范围。因此，迫切需要研究大尺度岩土工程的地震响应规律与抗震性能，为高烈度区重大工程的抗震设计和安全服役提供科学依据。
模型试验是指：在采用适当比例和相似材料制成的与原型相似的模型上施加比例荷载，根据模型受力后的响应再演算原型的响应的试验。模型试验广泛应用于各科学领域，对于复杂的岩土工程问题，基于缩尺模型的先进物理模拟是观测地震响应规律和揭示破坏模式的重要研究手段。目前国内外常用的模型试验技术可以分为两类：常重力(1g)物理模型试验技术和超重力物理模型试验技术。常重力(1g)物理模型试验技术是在常重力环境下进行的试验，由于土体的应力应变特性具有应力依赖性，在1g重力场条件下，缩尺的模型应力水平与原型相差非常大，导致模型的应力应变关系与原型完全不同，得出的试验结果常与实际不符。与常重力(1g)物理模型试验相比，离心超重力物理模拟技术通过土工离心机高速旋转产生N倍g的离心加速度场，在模型尺度上再现场地自重应力，使模型与原型的应力应变关系相似、破坏机理相同。同时，机载振动台可在超重力环境下模拟基岩地震动输入，再现工程原型地震灾变过程。通过与数值模拟的相互补充和验证，为解决相关岩土工程抗震问题提供重要途径。
然而，受到离心机负载能力及超重力振动台性能的限制，缩尺量级在10-100的水平，目前国内外土工离心机能直接模拟的原型高度一般不超过50m，尚无法直接模拟百米级尺度的大型岩土工程原型。针对上述离心机负载能力限制问题，目前有三种途径能部分解决这一难题。第一种是研发负载能力更大的离心机及超重振动台，但是研发成本巨大，面临很多技术挑战。扩大离心机负载对提升离心物理模拟缩尺范围的贡献有限，仍难以实现对物理模拟缩尺数量级上的提升。第二种是进行“模型的模拟”(Modeling of models)研究，充分利用现有离心机设备的能力对同一个缩尺模型在若干个相似比尺(离心加速度)下进行若干不等应力模型试验，分析模型响应和相似比尺之间的非线性关系，然后将试验结果外延得到原型的响应。但该方法对试验的可重复性要求很高，试验成本高，且外推在科学上存在不合理性。第三种方法是对现有相似律进行改进，突破现有离心机相似律的缩尺限制，以扩大被模拟的工程原型的尺度。第三种是利用两阶段法对现有相似律进行改进，联合了常重力模型试验相似理论和离心超重力模型试验相似律，通过将工程原型进行两阶段缩尺，可以实现100-1000倍的几何缩尺模拟。但是两阶段法的缺点也十分突出：首先两阶段法模拟时模型的应变小于原型的应变，导致试验时模型的应变响应失真；其次模型的剪胀性大于原型，无法准确模拟原型的剪胀响应，上述两个缺陷带来的误差会随着几何比尺的增大而变大。已有的研究结果表明两阶段相似律进行模型试验，模型试验结果中孔压消散和土体位移结果失真。
土体的临界状态与状态参数的概念。土体的临界状态是临界状态土体学的核心，定义为：土体在剪切试验的大变形阶段，它趋向于最后的临界条件，即体积和应力不变，而剪应变还不断持续的发展和流动的状态。状态参数也是临界状态土力学中的一个重要概念，具体的是指：土体目前所处状态(e，p′)与该平均有效应力下的临界状态(ec，p′)之间的孔隙比差值，一般用ψ＝e-ec表示。根据临界状态土力学理论，状态参数决定土体的应力应变关系及剪胀性：当土体孔隙比小于临界状态孔隙比时，土体状态参数为负值，土体应力应变关系为应变硬化，表现为剪胀性，且状态参数绝对值越大剪胀性越强；若当土体孔隙比大于临界状态孔隙比时，土体状态参数为正值，土体应力应变关系为应变软化，表现为剪缩性，且状态参数绝对值越大剪缩性越强。因此，控制构成模型与原型的土体状态参数相同就可以在模型的应力状态低于原型的情况下，保证二者仍具有相似的应力应变关系及剪胀/剪缩性。
发明内容
为了解决背景技术中大尺度岩土工程问题超重力物理模型试验存在的问题，本发明公开了一种控制土体状态参数的物理模型分层制备与试验方法，主要考虑控制构成模型的土体状态来控制土体的应力应变关系及剪胀/剪缩性，使模型实现等应变模拟，可以解决大尺度复杂岩土工程问题的直接开展模型试验的技术难题。
本发明采用的技术方案如下：
(1)对试验土体进行室内三轴试验和基本物性测试试验，获得试验土体的临界状态线CSL、最大/小孔隙比及比重等参数；
基本物性测试试验能获得土体最大/小孔隙比及比重等参数，可以按照相关试验规程得到。
(2)模型箱固定在振动台上，模型箱内放置试验土体，根据模型箱的尺寸和振动台的性能参数选择原型和模型之间的试验几何相似比尺，确定试验的几何相似比尺(原型长度/模型长度)λ；模型箱和振动台可以置于超重力离心机中。
试验几何相似比尺是原型和模型之间的几何比例关系。
原型是指现场实际的土工构筑物，(物理)模型是指由试验土体在模型箱内按照原型的相同结构以试验几何相似比尺缩小搭建构成的同样构筑物。
(3)确定试验中离心加速度的值相比于重力加速度g的倍数N；
(4)设置原型和模型的分层层数，后续将构成原型和模型的土体分为n层；
(5)根据分层处理获得原型各层土体中心点处的状态，状态包括孔隙比和平均有效应力(epi，ppi′)，i＝1,2，……，n，i表示原型和模型的土体分层层序数，ppi′表示原型第i层土体中心点处的平均有效应力，epi表示原型第i层土体中心点处的孔隙比，通过初始设置模型各层土体的孔隙比与原型在各层的孔隙比相同，迭代处理获得模型各层土体中心点处的状态(emi，pmi′)，下标p和m分别代表原型物理量和模型物理量；
(6)按照(5)处理获得的模型每层土体的状态分层制备模型，如图2所示，模型中实际的各层土体属性参数和情况保持和以(5)处理获得的模型每层土体的状态一致；分层制备模型时，要尽量控制每层土体的孔隙比和步骤5得到孔隙比相同，这一步是整个试验方法成功的关键步骤。
(7)确定振动台输入波形的参数及试验所用饱和流体粘度；
(8)将制备完成的模型固定在振动台上进行试验，获得模型响应结果，并由模型响应结果处理推演获得原型响应结果。
具体根据以下表1的相似系数(原型物理量大小/模型物理量大小)由模型响应结果处理推演获得原型响应结果。
表1控制土体状态参数的模型试验相似准则
物理量 量纲 相似系数
长度 L λ
密度 ML<sup>-3</sup> λ<sub>ρ</sub>
时间 T λ<sup>0.5</sup>N<sup>0.5</sup>
频率 T<sup>-1</sup> λ<sup>-0.5</sup>N<sup>-0.5</sup>
加速度 LT<sup>-2</sup> N<sup>-1</sup>
速度 LT<sup>-1</sup> λ<sup>0.5</sup>N<sup>-0.5</sup>
位移 L λ
应力 ML<sup>-1</sup>T<sup>-2</sup> λN<sup>-1</sup>
应变 - 1
刚度 ML<sup>-1</sup>T<sup>-2</sup> λN<sup>-1</sup>
剪切波速 LT<sup>-1</sup> λ<sup>0.5</sup>N<sup>-0.5</sup>
渗透系数 LT<sup>-2</sup> λ<sup>0.5</sup>N<sup>0.5</sup>
孔隙水压力 ML<sup>-1</sup>T<sup>-2</sup> λN<sup>-1</sup>
所述步骤(1)中，所述三轴试验中，当试验土体达到临界状态时，记录试验土体此时的平均有效应力p′和孔隙比e，按照以下公式拟合获得试验土体的临界状态线CSL：
e＝a+b ln p'
其中，a是拟合临界状态线的截距，b是拟合临界状态线的斜率，对于某一特定的土体来说a，b是固定值。
所述步骤(3)中，离心加速度的值相比于重力加速度g的倍数N按照以下方式确定：
(3a)若进行常重力振动台试验，则N＝1；
(3b)若进行超重力振动台试验，N取为：在保证离心机转臂水平和构成模型的土体孔隙比大于最小孔隙比的情况下，选择最大的N值。
所述步骤(5)中，确定模型第i层土体状态(emi，pmi′)包含以下步骤：
(5.1)利用公式(1)-(3)计算原型各层土体中心点处的平均有效应力和孔隙比，由原型第i层土体中心点处的平均有效应力ppi′和孔隙比epi组成原型在第i层土体的状态(epi，ppi′)：
Figure BDA0002719879950000041
Figure BDA0002719879950000042
Figure BDA0002719879950000043
式中，ρpi′是原型第i层土体的浮密度；g为重力加速度；hpi为原型第i层土体的厚度；K0为试验土体的静止土压力系数；ds为试验土体比重，ρw为水的密度；下标pi表示原型中的第i层土体，σ'pi表示原型第i层土体中心点处的有效自重应力，j表示第i层土体中的遍历序数；
(5.2)初始设置模型第i层土体中心点处的孔隙比emi等于原型第i层土体中心点处的孔隙比epi；
(5.3)然后将模型第i层土体的孔隙比emi的数值代入公式(4)计算获得模型第i层土体的浮密度ρmi′，然后再把浮密度ρmi′代入公式(5)和(6)，这样按照(5.1)中的相同方式对模型进行处理获得模型第i层土体中心点处的平均有效应力pmi′；
Figure BDA0002719879950000051
Figure BDA0002719879950000052
Figure BDA0002719879950000053
(4)-(6)式中，ρmi′是模型第i层土体的浮密度；g为重力加速度；N为离心加速度的值相比于重力加速度g的倍数；hmi为模型第i层土体的厚度；K0为试验土体的静止土压力系数；ds为土体比重，ρw为水的密度；下标mi表示原型中的第i层土体，σ'mi表示模型第i层土体中心点处的有效自重应力，j表示第i层土体中的遍历序数；
(5.4)如图1所示，将(5.1)步中得到原型第i层土体的状态(epi，ppi′)标注在e-lnp′半对数坐标系中，e表示孔隙比为纵坐标，p′表示平均有效应力，以自然对数标尺作为横坐标，过点(epi，ppi′)作临界状态线CSL的平行线，将平行线和直线p′＝pmi′的交点作为更新点，更新点中的孔隙比e坐标更新作为模型第i层土体中心点处的孔隙比emi；
(5.5)根据更新后的孔隙比emi按照(5.3)再处理获得模型的平均有效应力pmi′，这样不断重复(5.3)～(5.4)迭代处理，直至迭代结果满足试验要求误差，具体实施中当两次迭代之间的结果差值小于预设阈值认为迭代结果满足试验要求误差，模型第i层土体的状态为最后一次迭代更新获得的模型第i层土体的状态(emi，pmi′)。
所述步骤(7)中，输入波形参数包括加速度幅值和频率，饱和流体粘度参数包括密度和粘滞系数。
振动台的输入波形的加速度幅值和频率具体的输入波形主要参数见表2。若模型为饱和模型，则饱和流体应选用密度与水接近的粘滞流体进行饱和，流体粘滞系数的选择见表2。
表2模型试验设计表
Figure BDA0002719879950000061
按照相似律的计算，模型输入的加速度幅值应扩大为原型的N倍，频率应该扩大为原型的λ0.5N0.5倍。
若进行饱和试验，应该采用粘滞流体代替原型体孔隙中的水去饱和模型。首先，粘滞流体要具备密度与水接近，且无毒、污染小、不易燃等特点，常用的有甲基硅油、甲基纤维素溶液等。其次，粘滞流体的粘滞系数应该扩大为水的粘滞系数的λ0.5N0.5倍。
本发明利用不等应力的缩尺物模型试验来解决诸如高土石坝、大型边坡、港口等超大尺度工程原型的静力或动力问题，可以克服传统缩尺不等应力模型试验中土体响应失真的缺陷，为原来无法进行的大型工程问题的物理模型试验提供了一个科学可行的途径。
此外，本发明可以克服现有离心机负载能力及超重力振动台性能不足的问题，在相同的负载能力条件下使土工离心机模型的缩尺范围从目前常用的10-100提高至100-1000。
最后本发明克服了其他不等应力相似律开展模型试验时应变失真的缺陷，可以准确模拟原型的应变水平。本发明可以实现对大尺度复杂岩土工程原型直接开展模型试验，为大尺度岩土构筑物的设计、建设及运行提供了技术支撑。
本发明方法具有以下优点：
(1)本发明方法能够以很小的比尺模拟大型工程，扩大了现有1g振动台和超重力振动台的物理模拟能力，使这些设备在不升级硬件的情况下，也能实现百米级岩土工程原型问题的正确模拟。
(2)本发明方法相较于外延分析方法，试验组数少，极大地节约了试验的成本，缩短了试验时间，且比外延方法得到的结果更加可靠。
(3)本发明方法克服了目前两阶段相似律应变模拟失真及无法正确模拟土体的剪胀性两大缺陷，在实现了等应变模拟的同时兼顾土体剪胀性的正确模拟。
为了更好的阐述本发明的优点及有益效果，表3对比总结了几种模型试验方法在模拟百米级大尺度岩土工程原型问题的效果。
表3几种模型试验方法在模拟大尺度工程原型问题效果的对比
Figure BDA0002719879950000071
本发明适用于大尺度土-结构-流体动力相互作用问题的试验，同时还可应用于大型土工构筑物地基承载力、地震破坏机理等方面的试验，可以扩大现有离心机设备的物理模拟能力，实现百米级岩土工程原型问题的正确模拟，并为检验现有数值模拟方法的可靠性提供科学依据。
附图说明
图1是模型状态参数确定的原理图；
图2实施例模型和原型分层示意图；
图3是实施例模型各层土体状态参数确定的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的说明。以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应该理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，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申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施例如下：
具体实施例中，原型简化为某一80m厚的水平饱和砂土场地，静止土压力系数为0.5，土体的比重为2.65，饱和重度为2000kg/m3；研究在幅值为0.2g，频率为1Hz的正弦加速度波激励下该场地的加速度响应、孔隙水压力分布及应变分布规律等。
第一步，根据室内三轴试验确定，该砂土的临界状态线可以用式(6)表示，通过基本物性试验确定该砂土的最大孔隙比为0.82，最小孔隙比为0.5。
e＝0.743-0.01lnp' (6)
第二步，根据原型的几何尺寸为80m，而实验室的模型箱尺寸为0.43m，从而确定试验的几何相似比尺为200倍。此时，模型的高度为0.4m。
第三步，确定试验中离心加速度的值相比于重力加速度g的倍数N。试验在超重力振动台下进行，为了充分利用超重力振动台的性能，试验的离心机加速度g值为N＝50。
第四步，设置原型和模型的分层层数。具体实施中将原型和模型平均分为5层土体，原型每层土体厚16m，模型每层土体厚0.08m。分层后模型和原型的示意图见图2，原型和模型每层土体中心点处的状态分别记为(epi，ppi′)和(emi，pmi′)，其中i＝1，2……，5。
第五步，根据分层方案确定原型第i层(i＝1,2，……，5)土体中心点处的状态(epi，ppi′)，通过初始设置模型各层土体的孔隙比与原型在各层的孔隙比相同，迭代处理获得模型第i层土体中心点处的状态(emi，pmi′)。
为了详细说明此步的过程，以第1层的计算过程为例，详细说明模型第1层土体的状态(em1，pm1′)的计算过程：
(1)首先利用公式(5)计算原型第1层土体中点处的应力pp1′和孔隙比epi，确定原型第i层土体中点处的状态(ep1，pp1′)；
Figure BDA0002719879950000081
Figure BDA0002719879950000082
Figure BDA0002719879950000083
(1)-(3)式中，ρpi′是原型第i层土体的浮密度；g为重力加速度；hpi为原型第i层土体的厚度；K0为试验土体的静止土压力系数；ds为试验土体比重，ρw为水的密度；下标pi表示原型中的第i层土体，σ'pi表示原型第i层土体中心点处的有效自重应力，j表示第i层土体中的遍历序数；
根据原型砂土的赋存状态可知ds＝2.65,ρ1′＝1000kg/m3，K0＝0.5，带入计算得到原型在1层土体中心点处(hp1＝8m)的状态为(ep1，pp1′)＝(0.65，52.27kPa)。
(2)假设em1＝ep1，按照式(4)-(6)估算模型第一层中间的应力pm1′；
Figure BDA0002719879950000084
Figure BDA0002719879950000091
Figure BDA0002719879950000092
式中，ρmi′是模型第i层土体的浮密度；g为重力加速度；N为离心加速度的值相比于重力加速度g的倍数；hmi为模型第i层土体的厚度；K0为试验土体的静止土压力系数；ds为土体比重，ρw为水的密度；下标mi表示原型中的第i层土体，σ'mi表示模型第i层土体中心点处的有效自重应力，j表示第i层土体中的遍历序数；
假设em1＝ep1,则ρm1′＝1000kg/m3，将K0＝0.5及N＝50带入计算得到模型在第1层土体中点处(hm1＝0.04m)的pm1′＝13.06kPa。
(3)按照图1所示的原理，将(1)步中计算得到原型的状态(ep1，pp1′)标注在e-lnp′半对数坐标系，过点(ep1，pp1′)作临界状态线CSL的平行线，于直线p′＝pm1′的交点作为更新后的em1。
按照(3)的方法，得到的新的为em1＝0.664。
(4)根据更新的em1＝0.664，按照式(5)估算模型第1层土体中心点处的应力pm1′；
根据模型砂土的赋存状态可以得到em1＝0.664,ds＝2.65，由(4式)计算得到ρm1′＝991kg/m3，K0＝0.5及N＝50，带入计算更新模型在第1层土体中心点处的pm1′＝12.95kPa。
(5)经计算，更新一次后模型第1层中心点处的平均有效应力误差Δpm1′＝0.11kPa，误差非常小，满足试验精度需求。故最终确定模型第1层土体中心点处的状态为(em1，pm1′)＝(0.664，12.96kPa)。
第六步，按照第五步的方法，确定其他各层的模型状态，最终确定模型各层土体的最终状态如图3所示；
第七步，确定试验振动台输入波形加速度幅值及频率参数和试验所用饱和流体粘度；
此步是为了确定设计振动台的输入波形的控制参数：加速度幅值及频率。按照相似律的计算，模型输入的加速度的幅值应扩大为原型的N＝50倍，频率应该扩大为原型的λ0.5N0.5＝100倍。所以最终模型的输入波为幅值0.2g×50＝10g，频率为1Hz×100＝100Hz的正弦波。
此实施例为饱和试验，应该采用粘滞流体代替原型孔隙中的水去饱和模型。粘滞流体要具备密度与水接近，且无毒、污染小、不易燃等特点，常用的有甲基硅油、甲基纤维素溶液等。此试验选择相对便宜的甲基硅油作为孔隙粘滞流体，粘滞流体的粘滞系数为水的粘滞系数的λ0.5N0.5＝100倍。粘滞流体的粘滞系数很大，采用负压饱和，保持模型和流体处于相同的负压，靠重力水头差使流体缓慢进入模型。饱和时需注意不能使流速过快，防止模型因为渗流而被破坏。
步骤8：对制备完成的模型固定在振动台上进行试验，并根据表4的相似系数由模型响应推演原型响应。
模型的试验结果表明在0.04m深度处的土体响应如下：孔隙水压力的峰值为13kPa，完全消散共耗时100s；最大应变为4.8％；最大加速度为20g；则根据表4推演原型在0.04m×200＝8m深处的土体响应为：孔隙水压力的峰值为13kPa×4＝52kPa，完全消散共耗时100s×100＝1000s；最大应变为4.8％×1＝4.8％；最大加速度为20g×0.02＝0.4g。
表4实施例中模型试验相似准则
物理量 量纲 相似系数
长度 L 200
密度 ML<sup>-3</sup> 1
时间 T 100
频率 T<sup>-1</sup> 0.01
加速度 LT<sup>-2</sup> 0.02
速度 LT<sup>-1</sup> 2
位移 L 200
应力 ML<sup>-1</sup>T<sup>-2</sup> 4
应变 - 1
刚度 ML<sup>-1</sup>T<sup>-2</sup> 4
剪切波速 LT<sup>-1</sup> 2
渗透系数 LT<sup>-2</sup> 100
孔隙水压力 ML<sup>-1</sup>T<sup>-2</sup> 4

Claims (5)

1.一种控制土体状态参数的物理模型分层制备与试验方法，其特征在于：方法包含以下步骤：
(1)对试验土体进行室内三轴试验和基本物性测试试验，获得试验土体的临界状态线CSL、最大/小孔隙比及比重等参数；
(2)模型箱固定在振动台上，模型箱内放置试验土体，根据模型箱的尺寸和振动台的性能参数选择原型和模型之间的试验几何相似比尺，确定试验的几何相似比尺λ；
(3)确定试验中离心加速度的值相比于重力加速度g的倍数N；
(4)设置原型和模型的分层层数，后续将构成原型和模型的土体分为n层；
(5)根据分层处理获得原型各层土体中心点处的状态，状态包括孔隙比和平均有效应力(epi，ppi′)，i＝1,2，……，n，i表示原型和模型的土体分层层序数，ppi′表示原型第i层土体中心点处的平均有效应力，epi表示原型第i层土体中心点处的孔隙比，通过初始设置模型各层土体的孔隙比与原型在各层的孔隙比相同，迭代处理获得模型各层土体中心点处的状态(emi，pmi′)；
(6)按照(5)处理获得的模型每层土体的状态分层制备模型；
(7)确定振动台输入波形的参数及试验所用饱和流体粘度；
(8)将制备完成的模型固定在振动台上进行试验，获得模型响应结果，并由模型响应结果处理推演获得原型响应结果。
2.根据权利要求1所述的一种控制土体状态参数的物理模型分层制备与试验方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述三轴试验中，当试验土体达到临界状态时，记录试验土体此时的平均有效应力p′和孔隙比e，按照以下公式拟合获得试验土体的临界状态线CSL：
e＝a+b ln p'
其中，a是拟合临界状态线的截距，b是拟合临界状态线的斜率。
3.根据权利要求1所述的一种控制土体状态参数的物理模型分层制备与试验方法，其特征在于：所述步骤(3)中，离心加速度的值相比于重力加速度g的倍数N按照以下方式确定：
(3a)若进行常重力振动台试验，则N＝1；
(3b)若进行超重力振动台试验，N取为：在保证离心机转臂水平和构成模型的土体孔隙比大于最小孔隙比的情况下，选择最大的N值。
4.根据权利要求1所述的一种控制土体状态参数的物理模型分层制备与试验方法，其特征在于：所述步骤(5)中，确定模型第i层土体状态(emi，pmi′)包含以下步骤：
(5.1)利用公式(1)-(3)计算原型各层土体中心点处的平均有效应力和孔隙比，由原型第i层土体中心点处的平均有效应力ppi′和孔隙比epi组成原型在第i层土体的状态(epi，ppi′)：
Figure FDA0002719879940000021
Figure FDA0002719879940000022
Figure FDA0002719879940000023
式中，ρpi′是原型第i层土体的浮密度；g为重力加速度；hpi为原型第i层土体的厚度；K0为试验土体的静止土压力系数；ds为试验土体比重，ρw为水的密度；下标pi表示原型中的第i层土体，σ'pi表示原型第i层土体中心点处的有效自重应力，j表示第i层土体中的遍历序数；
(5.2)初始设置模型第i层土体中心点处的孔隙比emi等于原型第i层土体中心点处的孔隙比epi；
(5.3)然后将模型第i层土体的孔隙比emi的数值按照(5.1)中的相同方式对模型进行处理获得模型第i层土体中心点处的平均有效应力pmi′；
Figure FDA0002719879940000024
Figure FDA0002719879940000025
Figure FDA0002719879940000026
(4)-(6)式中，ρmi′是模型第i层土体的浮密度；g为重力加速度；N为离心加速度的值相比于重力加速度g的倍数；hmi为模型第i层土体的厚度；K0为试验土体的静止土压力系数；ds为土体比重，ρw为水的密度；下标mi表示原型中的第i层土体，σ'mi表示模型第i层土体中心点处的有效自重应力，j表示第i层土体中的遍历序数；
(5.4)将(5.1)步中得到原型第i层土体的状态(epi，ppi′)标注在e-lnp′半对数坐标系中，过点(epi，ppi′)作临界状态线CSL的平行线，将平行线和直线p′＝pmi′的交点作为更新点，更新点中的孔隙比e坐标更新作为模型第i层土体中心点处的孔隙比emi；
(5.5)不断重复(5.3)～(5.4)迭代处理，直至迭代结果满足试验要求误差，模型第i层土体的状态为最后一次迭代更新获得的模型第i层土体的状态(emi，pmi′)。
5.根据权利要求1所述的一种控制土体状态参数的物理模型分层制备与试验方法，其特征在于：所述步骤(7)中，输入波形参数包括加速度幅值和频率，饱和流体粘度参数包括密度和粘滞系数。
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