李家鋼，王忠濤，徐 博，3，欒茂田

(1.中海油研究總院，北京 100081;2.大連理工大學a.土木工程學院巖土工程研究所;b.海岸和近海工程國家重點實驗室，大連 116024;3.中交水運規(guī)劃設計院有限公司，北京 100007)

1 研究背景

1869年，法國工程師E.Phillips首次提出了土工離心模型試驗的理念［1］。該方法借助高速旋轉的離心機，將小尺寸的土工模型置于大于重力加速度的離心場內，補償因模型縮尺引起的自重損失，為模型提供一個與原型應力水平相同的應力場，從而在模型中再現原型的性狀［2－3］。

自1931年世界上第一臺土工離心機誕生以來，離心模型試驗作為一種行之有效的物理模擬手段，已經廣泛應用于巖土工程的各個研究領域。具體可歸納為:①工作機理及破壞機制研究;②設計方案驗證及參數研究;③數學模型及數值計算方法驗證［4］。作為離心模型試驗的重要設備，土工離心機分為臂式離心機和鼓式離心機，世界上現有的土工臂式離心機超過200臺，而鼓式離心機不足10臺。

面對國內鼓式離心機的設備空白，為暢通從土工試驗、理論分析、數值計算到模型試驗驗證的完整研究通道，搭建相對完善的海洋環(huán)境荷載條件下海洋土的靜－動力特性試驗研究技術平臺，在教育部第4次國家重點實驗室設備更新改造項目和“985”3期學科建設項目的支持下，大連理工大學與英國Broadbent公司達成合作研發(fā)協(xié)議，于2009年成功研制出國內首臺大型土工鼓式離心機GT450/1.4，如圖1所示。

圖1 大連理工大學土工鼓式離心機GT450/1.4Fig.1 Geotechnical drum centrifuge GT450/1.4 at DUT

2 設備工作原理及性能優(yōu)勢

鼓式離心機由英國劍橋大學Schofield教授在1978年首次提出設計方案［5－6］，鼓式離心機通過大功率電機驅動環(huán)形模型槽高速旋轉，提供N倍于重力加速度g的離心加速度，其模型率為

式中:N為離心加速度相對重力加速度的比值，無量綱;n為離心機轉速(RPM);r為模型重心對應的旋轉半徑(m);g=9.81 m/s2，為重力加速度。將一個與原型比尺為1∶N的模型置于由離心機提供的離心加速度為N倍于重力加速度g的環(huán)境中，則模型的應力和應變可按式(2)和(3)進行計算:

式中:L為原型的長度;B為原型的寬度;M為原型的質量。式中右側對應原型中的應力和應變，因此離心模型試驗可以獲得與原型完全一致的應力、應變水平，N即為模型率。

相比臂式離心機，鼓式離心機旋轉半徑較小，但旋轉速度更快，可提供更高的離心加速度，在環(huán)向上可模擬更大的原型尺寸，因而具有不可替代的技術優(yōu)勢，具體體現在:①便于消除邊界效應，適合深入開展海底管線、深海滑坡、海上機場跑道等長、大線性結構物在波浪等非常規(guī)環(huán)境荷載作用下的靜、動力響應研究;②環(huán)形裝樣保證了同一深度處土層平面的離心加速度相同;③環(huán)形模型槽始終保持水平整體旋轉，避免模型箱受1 g重力產生的豎向偏移;④整體剛度高，能夠承受較大不平衡力矩，配重簡便;⑤中央操控平臺可相對環(huán)形模型槽實現自由、精確的相對旋轉，配合視頻監(jiān)視系統(tǒng)，可在保持試樣高加速度旋轉、不更換土樣的前提下，借助作動器的運動進行多組對比試驗，避免多次重塑土樣形成的試驗誤差。同時在整體試驗的不同時段，可獨立升降中央操控平臺，更換T-bar、SCPT等裝置進行原位強度測試，保證試驗進程的高度連續(xù);⑥易于安裝造波機和消能裝置，實現無反射造波，進而研究海床液化及結構物－波浪－海洋地基的流固耦合問題。

與劍橋大學和西澳大利亞大學現有的同類設備相比，大連理工大學土工鼓式離心機GT450/1.4的優(yōu)勢在于:①具備更大尺寸的環(huán)形裝樣槽，利于更為合理地布置物理模型和安裝各類傳感器;②通過操控虹吸管可在mm精度控制裝樣槽內水位，同時可在5 min內迅速完成全槽的進水或排水，更利于海床動力學的研究;③設備整體剛度更高，能夠克服更大的不平衡力，可以施加更大幅值的靜、動力荷載。

3 設備組成及特點

土工鼓式離心機GT450/1.4主要包括機械系統(tǒng)、驅動控制系統(tǒng)、數據采集系統(tǒng)、作動器及專用配套裝置。設備整體安裝于實驗室的地下鋼筋混凝土防護外罩內，配備工業(yè)空調系統(tǒng)維持試驗期間的恒定溫度及冷卻離心機各機械部件。

3.1 機械系統(tǒng)

機械系統(tǒng)由轉動系統(tǒng)(鼓槽、中軸)、傳動系統(tǒng)(電機、齒牙履帶等)、操控平臺等組成，如圖1所示。

環(huán)形模型槽直徑1.4 m，寬度0.35 m，徑向深度0.27 m，體積0.335 m3，重1300kg。離心機最大轉速875RPM，總容量450 g·t，即滿負載750 kg時可提供600 g加速度。全加速度下中軸位置最大允許不平衡力67.1 kN，最大允許力矩8 kg·m，最大允許徑向荷載10 kN。采用環(huán)形全槽裝樣，以875RPM速度運行，當試樣厚度為150 mm時，試樣表面最大加速度為471 g，有效半徑為0.6 m［7］，對應有效加速度514 g，可模擬的原型尺寸長度1 775 m，寬度179 m，深度77 m。環(huán)形模型槽安裝在高強度碳鋼基架上，為確保運行安全，外部安裝有鋼制防護罩。環(huán)形模型槽上部固定2個進水口，側壁布置有排水孔，與底部的集水槽相連通。集水槽側邊安裝有虹吸管，通過伺服電機可在mm級別精確調整虹吸口的徑向位置，吸出多余水量進而控制模型槽內的水位。選用大功率電機調節(jié)虹吸管吸力確保了模型槽內迅速排水的能力。環(huán)形模型槽內對稱布置了多個螺絲孔位，用于獨立安裝多套小尺寸模型箱進行試驗，工作原理與臂式離心機相同。

土工鼓式離心機GT450/1.4具有內、外2個獨立的同心轉動軸。外軸為空心圓柱體，豎向、徑向荷載分別由推力角接觸球軸承、圓柱滾子軸承承擔，上端與環(huán)形模型槽相連，下端經傳動比為1 610∶1的齒輪箱與重500 kg的西門子55 kW四級異步電機相連，電機最大轉速1 800 RPM，頻率60 Hz，額定電壓3相400 V。匹配變頻器為丹佛斯PMW 5 000系列，功率55 kW，輸入電壓220 V，輸出電壓0～400 V，輸出頻率0～60 Hz;內軸重600 kg，上端與中央操控平臺相連，底部連接2.2 kW西門子六級制動電機，電機最大轉速1 200 RPM，電壓3相400 V，頻率50 Hz，制動電壓單相230 V，頻率50 Hz，匹配2.2 kW丹佛斯變頻器。離心機底部安裝剎車離合器，可實現內、外轉動軸的結合與分離，確保中央操控平臺可隨時根據試驗需要停止和重新同步旋轉。內外轉動軸之間的相對運動可進一步通過操控安裝于中軸頂部內側的Parker直流無刷伺服電機精密控制。操控程序為專用電機控制程序EASI-V，精度為3弧秒/步。

中央操控平臺如圖2所示，直徑0.75 m，全加速度440 g條件下最大允許不平衡力矩為1 kg·m。上端配有1個光纖旋轉接頭和2個氣環(huán)旋轉接頭。平臺采集的試驗數據可通過光纖傳輸。氣環(huán)通道最大可承壓力1 MPa，可用于提供正壓或真空負壓驅動汽缸加載，如模擬吸力式沉箱負壓沉貫過程。中央操控平臺通過下部中空套管與中軸結合，借助電動升降桿可實現相對環(huán)形模型槽的獨立升降，同時中空套管上可固定不同形式的作動器。

圖2 環(huán)形模型槽及中央操控平臺Fig.2 Drum and tool table

3.2 驅動控制系統(tǒng)

土工鼓式離心機GT450/1.4由交流電機驅動變頻調速系統(tǒng)，具有動態(tài)響應速度快、調速精度高、抗干擾能力強的特點，主要包括電機驅動、轉速調節(jié)、轉速反饋、運行監(jiān)控等。系統(tǒng)利用PLC控制器，結合加速度計、應變儀、接近開關、繼電器、逆變器等對離心機的運行進行實時控制與監(jiān)視，具備故障報警和緊急制動功能。其中離心機的開啟、停止、調速、水位控制等均可通過控制室內的觸摸屏便捷實現。

3.3 數據采集系統(tǒng)

數據采集系統(tǒng)由傳感器、采集板卡、信號傳輸設備、數據采集計算機等組成。土工離心模型試驗的比尺效應較高，要求測試傳感器必須具有強度高、體積小、精度高和響應快等特點。土工鼓式離心機GT450/1.4配備使用的傳感器主要有:Druck/Kulite微型孔隙水壓力傳感器、Solartron接觸式位移傳感器、Oadm非接觸式激光位移傳感器、Novatech力傳感器等。

土工鼓式離心機GT450/1.4自帶2套數據采集系統(tǒng)，分別安裝在操控平臺上和主機外軸底部。系統(tǒng)采用數字信號傳輸，由串行接口RS232經機械觸點電滑環(huán)或光纖傳輸至控制室的數據采集計算機。接觸式電滑環(huán)，額定電流7.5 A，采集精度16bit。外軸電滑環(huán)共計36通道，主要滿足環(huán)形模型槽上各類傳感器的供電和信號傳輸，包括6個50 MHz帶寬的視頻監(jiān)視信號通道，2個專有供電通道，4個試驗數據傳輸通道可滿足16個傳感器同步使用，并提供24個用戶預留通道;上部電滑環(huán)的48個通道主要滿足操控平臺上傳感器的信號傳輸和供電，其中預留用戶通道28個，另有8個Parker電機控制通道。IOTech公司DaqOEM采集器，安裝于環(huán)形模型槽附近，與傳感器的短距離連接確保就近將采集的微弱模擬信號預處理為數字信號，數據轉換率5 us，線性誤差±1 bit，最大取樣頻率200 kHz，零點偏移±10 ppm/℃，增益偏移±30 ppm/℃。數據處理采用Acqlipse專業(yè)軟件。

對于動力模型試驗，如爆破、海底滑坡、波浪誘發(fā)海床液化等，發(fā)生時間極短(10 ms級別)，原廠自帶的數據采集系統(tǒng)在采集頻率、傳輸速度和緩存容量方面不能滿足技術要求，因此從西澳大利亞大學COFS研究中心引進無線數據采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠有效避免數據傳輸中機械摩擦、振動及噪音的影響，提高了數據采集的精度和可靠性。系統(tǒng)由網絡交換機、信號處理器、無線路由、數據采集計算機等組成。

圖3 信號處理器Fig.3 Signal conditioner

信號處理器(如圖3所示)，作為無線數據采集系統(tǒng)的核心部件，集數據的采集、放大、處理等功能于一體，能夠實現低頻(10 Hz)、高頻(1 MHz)信號采集的自動觸發(fā)轉換。每個信號處理器具有1個供電接口及8個傳感器接口，每個接口可一次記錄12.8萬個數據，采集精度16 bit，信號增益范圍1～1 000，采用固態(tài)硬盤緩存數據。一個交換機同時與多個處理器相連，每個處理器具有獨立IP地址，可通過TCP/IP協(xié)議進行無線網絡訪問。采集軟件可使用基于Labview的Daqbox或Dasylab軟件模塊化編程。該無線網絡采集系統(tǒng)可在其他環(huán)境中即插即用，進行標定等相關工作。

3.4 作動器

作動器主要提供靜力、動力荷載及進行土樣表面成型。土工鼓式離心機GT450/1.4配備2個作動器，如圖4所示。加載幅值分別為10 kN和5 kN，行程分別為150 mm和300 mm，可實現0.001～10 mm/s的精細變速調節(jié)。作動器可獨立地或借助中央操控平臺與中軸相連，實現徑向和圓周向二維運動，徑向運動由Parker無刷伺服電機驅動，圓周向運動可隨同操控平臺獨立旋轉來實現。

作動器推進板上可安裝加載裝置、T-bar原位強度測試儀等，借助視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過自主編程控制行進方向、速度和路徑，可實現應變控制式加載。作動器可發(fā)揮機械手的作用，執(zhí)行打樁、開挖等動作。

圖4 作動器Fig.4 Actuator

3.5 專屬配套設備

為滿足不同離心模型試驗要求，自主開發(fā)了各類傳感器標定設備和PIV圖像觀測系統(tǒng)，并配備了黏土真空攪拌器、大型固結儀、撒樣器、原位強度測試儀等專用設備。

3.5.1 模型制作裝置

土樣重塑技術是離心模型試驗的關鍵手段，其技術水平直接關系到試驗的成敗。

砂土在環(huán)形模型槽內較難制樣，因此專門研制了N倍于重力加速度g條件下的撒樣器，將砂料通過旋噴的方式裝入環(huán)形模型槽，可實現指定相對密實度的均勻砂土裝樣。裝置由進料漏斗、8通道滑環(huán)、套筒、噴嘴、便攜控制柜組成，如圖5所示。撒樣器底盤固定在離心機鋼制防護罩上，噴嘴可以相對環(huán)形模型槽作三維運動。環(huán)向運動通過套筒與可獨立旋轉的中軸相連實現相對運動;徑向和豎向運動分別通過操控撒樣器上的2個伺服電機，驅動絲杠套件實現。噴砂結束后，噴嘴可以更換為不同形狀的刮板，根據試驗要求調整砂土表面形狀。

圖5 撒樣器Fig.5 Soil placement device

圖6 PIV監(jiān)測系統(tǒng)Fig.6 PIV detection device

黏土制樣可首先采用真空攪拌器，在負壓85 kPa條件下，按照含水量120%或2倍液限比例配水，將高嶺土或者烘干、碾碎后的現場干土顆粒充分攪拌成飽和泥漿。真空攪拌器容積500 L，可一次性滿足離心機的全槽裝樣。制備好的黏土泥漿可由撒樣器旋噴裝樣，隨后泥漿在N倍于重力加速度的離心加速度場中快速形成正常固結土，固結時間僅為1 g條件下的1/N2。攪拌后的泥漿也可以通過大型固結儀DGJ－30在1 g條件下進行預固結。

3.5.2 PIV 檢測系統(tǒng)

離心模型試驗中，常規(guī)的接觸式LVDT傳感器的測桿端部無法與土體保持同步變形，同時重量過大容易造成刺入破壞。非接觸式激光位移傳感器通常用于測量土體表面位移，但常因測距點遇水折射而產生誤差甚至失效。近年來隨著數碼相機像素的提升和計算機處理能力的提高，PIV粒子成像測速技術在離心模型試驗中得以應用，可定量描述模型表面土體顆粒的平面運動，并進行應變分析［8］。鼓式離心機GT450/1.4配有 2 個 PIV模型箱，如圖6所示。單側為高強度有機玻璃，安有相機支座。靜力試驗采用賓得W90防水相機和佳能G10相機，通過USB接口由電腦遠程操控拍照。動力試驗采用Gazelle CMOS高速照相機。

3.5.3 原位強度和孔壓測量裝置

實驗室分別從西澳大利亞大學COFS研究中心和劍橋大學 Schofield實驗室引進 T-bar、Ball-bar、CPT、Piezo-ball和 SCPT原位測量裝置。1991年T-bar強度測試儀首次運用到離心模型試驗［9］，目前在軟土不排水強度的原位測試中得到廣泛應用。T-bar技術優(yōu)勢在于貫入過程中軟土沿圓柱桿流動形成更大接觸面，符合塑性定律，易于建立桿端受力與土體強度的對應關系。大連理工大學現有的T-bar強度測試儀如圖7所示，圓柱桿直徑5 mm，直桿長度20 cm，靠近圓柱桿正上方貼有高精度應變片用于測量貫入阻力。

SCPT測試儀可同步測量土中同一位置的原位不排水剪切強度和孔隙水壓力，同時通過內置的MEMS傳感器采集加速度信號，換算剪切波速，進而反映土體剪切模量和密度變化［10］。

4 海底滑坡離心模型試驗

土工鼓式離心機GT450/1.4的應用涉及機械、電子、自動控制和數據采集與網絡通信等多門技術，經過不斷的交流、學習、實踐，目前設備運轉正常，基本達到預定目標，正結合國家科技重大專項和自然科學基金項目開展研究工作。以海底滑坡的離心模型試驗為例，介紹土工鼓式離心機的應用。

試驗以南海北部海底滑坡為研究對象，采用現場取樣土，對深海滑坡進行探索性研究。模型槽如圖8所示，分為上、下兩腔式，中間通過5 mm厚有機玻璃間隔。上腔高度10 cm，用于安裝4部賓得W90防水相機，可透過有機玻璃對滑坡形態(tài)進行拍照或錄像;下腔高度20 cm，底部固定變厚度苯板，模擬6°～20°海底斜坡，長度1.5 m，斜坡表面埋設有4個Druck微型孔隙水壓力傳感器。斜坡的頂端架設無線攝像頭，用于觀察滑坡整體滑動情況。

圖8 海底滑坡離心模型布設Fig.8 Instrumentation layout of centrifuge model for submarine landslide

離心機中軸上安裝注漿管，下端延伸到斜坡頂端。試驗中首先在10 g條件下，通過環(huán)形模型槽底部的注水口注水，待水位超過斜坡一定高度后停止注水。隨后在設定的離心加速度條件下，將充分攪拌的泥漿由漏斗口緩緩注入，如此形成海底滑坡，如圖9所示。初步試驗結果表明，當注漿口直徑為5 cm時，在50 g條件下，測得平均流速為0.89 m/s，換算的原型流速為44.5 m/s，與文獻［11］中的對應的1 g模型試驗的流速非常接近。由此驗證了設備的可用性。

試驗中通過孔隙水壓力傳感器監(jiān)測滑坡過程中海床土體內的孔隙水壓力變化，同時由拍攝到的照片及影像資料，借助PIV技術計算海底滑坡的速度和距離。試驗中將重點考察土樣含水量和斜坡坡度對滑移距離的影響。

圖9 試驗方法示意圖Fig.9 Illustration of the experiment

5 結論

總體上，土工鼓式離心機GT450/1.4性能優(yōu)良，功能全面，在機械設備規(guī)模、數據采集精度、控制系統(tǒng)自動化程度及作動器加載模式方面均優(yōu)于國外同類產品，同時便于升級改造為“土工鼓－臂聯合式離心機”。試驗表明，土工鼓式離心機對于研究海底滑坡等相關海洋工程領域課題具有一定的優(yōu)越性。該設備的引進在國內是開拓性工作，相信隨著設備的不斷完善及試驗經驗的積累，將為今后離心模型試驗技術的發(fā)展和應用推廣提供有益的借鑒。

致謝:大連理工大學邱大洪院士、西澳大利亞大學Mark Randolph教授對本項研究工作給予了特別的關心與支持，特此致謝!

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