土工鼓式离心机研发及在海底滑坡研究中的应用

李家钢，王忠涛，徐 博，3，栾茂田

(1.中海油研究总院，北京 100081;2.大连理工大学a.土木工程学院岩土工程研究所;b.海岸和近海工程国家重点实验室，大连 116024;3.中交水运规划设计院有限公司，北京 100007)

1 研究背景

1869年，法国工程师E.Phillips首次提出了土工离心模型试验的理念［1］。该方法借助高速旋转的离心机，将小尺寸的土工模型置于大于重力加速度的离心场内，补偿因模型缩尺引起的自重损失，为模型提供一个与原型应力水平相同的应力场，从而在模型中再现原型的性状［2－3］。

自1931年世界上第一台土工离心机诞生以来，离心模型试验作为一种行之有效的物理模拟手段，已经广泛应用于岩土工程的各个研究领域。具体可归纳为:①工作机理及破坏机制研究;②设计方案验证及参数研究;③数学模型及数值计算方法验证［4］。作为离心模型试验的重要设备，土工离心机分为臂式离心机和鼓式离心机，世界上现有的土工臂式离心机超过200台，而鼓式离心机不足10台。

面对国内鼓式离心机的设备空白，为畅通从土工试验、理论分析、数值计算到模型试验验证的完整研究通道，搭建相对完善的海洋环境荷载条件下海洋土的静－动力特性试验研究技术平台，在教育部第4次国家重点实验室设备更新改造项目和“985”3期学科建设项目的支持下，大连理工大学与英国Broadbent公司达成合作研发协议，于2009年成功研制出国内首台大型土工鼓式离心机GT450/1.4，如图1所示。

图1 大连理工大学土工鼓式离心机GT450/1.4Fig.1 Geotechnical drum centrifuge GT450/1.4 at DUT

2 设备工作原理及性能优势

鼓式离心机由英国剑桥大学Schofield教授在1978年首次提出设计方案［5－6］，鼓式离心机通过大功率电机驱动环形模型槽高速旋转，提供N倍于重力加速度g的离心加速度，其模型率为

式中:N为离心加速度相对重力加速度的比值，无量纲;n为离心机转速(RPM);r为模型重心对应的旋转半径(m);g=9.81 m/s2，为重力加速度。将一个与原型比尺为1∶N的模型置于由离心机提供的离心加速度为N倍于重力加速度g的环境中，则模型的应力和应变可按式(2)和(3)进行计算:

式中:L为原型的长度;B为原型的宽度;M为原型的质量。式中右侧对应原型中的应力和应变，因此离心模型试验可以获得与原型完全一致的应力、应变水平，N即为模型率。

相比臂式离心机，鼓式离心机旋转半径较小，但旋转速度更快，可提供更高的离心加速度，在环向上可模拟更大的原型尺寸，因而具有不可替代的技术优势，具体体现在:①便于消除边界效应，适合深入开展海底管线、深海滑坡、海上机场跑道等长、大线性结构物在波浪等非常规环境荷载作用下的静、动力响应研究;②环形装样保证了同一深度处土层平面的离心加速度相同;③环形模型槽始终保持水平整体旋转，避免模型箱受1 g重力产生的竖向偏移;④整体刚度高，能够承受较大不平衡力矩，配重简便;⑤中央操控平台可相对环形模型槽实现自由、精确的相对旋转，配合视频监视系统，可在保持试样高加速度旋转、不更换土样的前提下，借助作动器的运动进行多组对比试验，避免多次重塑土样形成的试验误差。同时在整体试验的不同时段，可独立升降中央操控平台，更换T-bar、SCPT等装置进行原位强度测试，保证试验进程的高度连续;⑥易于安装造波机和消能装置，实现无反射造波，进而研究海床液化及结构物－波浪－海洋地基的流固耦合问题。

与剑桥大学和西澳大利亚大学现有的同类设备相比，大连理工大学土工鼓式离心机GT450/1.4的优势在于:①具备更大尺寸的环形装样槽，利于更为合理地布置物理模型和安装各类传感器;②通过操控虹吸管可在mm精度控制装样槽内水位，同时可在5 min内迅速完成全槽的进水或排水，更利于海床动力学的研究;③设备整体刚度更高，能够克服更大的不平衡力，可以施加更大幅值的静、动力荷载。

3 设备组成及特点

土工鼓式离心机GT450/1.4主要包括机械系统、驱动控制系统、数据采集系统、作动器及专用配套装置。设备整体安装于实验室的地下钢筋混凝土防护外罩内，配备工业空调系统维持试验期间的恒定温度及冷却离心机各机械部件。

3.1 机械系统

机械系统由转动系统(鼓槽、中轴)、传动系统(电机、齿牙履带等)、操控平台等组成，如图1所示。

环形模型槽直径1.4 m，宽度0.35 m，径向深度0.27 m，体积0.335 m3，重1300kg。离心机最大转速875RPM，总容量450 g·t，即满负载750 kg时可提供600 g加速度。全加速度下中轴位置最大允许不平衡力67.1 kN，最大允许力矩8 kg·m，最大允许径向荷载10 kN。采用环形全槽装样，以875RPM速度运行，当试样厚度为150 mm时，试样表面最大加速度为471 g，有效半径为0.6 m［7］，对应有效加速度514 g，可模拟的原型尺寸长度1 775 m，宽度179 m，深度77 m。环形模型槽安装在高强度碳钢基架上，为确保运行安全，外部安装有钢制防护罩。环形模型槽上部固定2个进水口，侧壁布置有排水孔，与底部的集水槽相连通。集水槽侧边安装有虹吸管，通过伺服电机可在mm级别精确调整虹吸口的径向位置，吸出多余水量进而控制模型槽内的水位。选用大功率电机调节虹吸管吸力确保了模型槽内迅速排水的能力。环形模型槽内对称布置了多个螺丝孔位，用于独立安装多套小尺寸模型箱进行试验，工作原理与臂式离心机相同。

土工鼓式离心机GT450/1.4具有内、外2个独立的同心转动轴。外轴为空心圆柱体，竖向、径向荷载分别由推力角接触球轴承、圆柱滚子轴承承担，上端与环形模型槽相连，下端经传动比为1 610∶1的齿轮箱与重500 kg的西门子55 kW四级异步电机相连，电机最大转速1 800 RPM，频率60 Hz，额定电压3相400 V。匹配变频器为丹佛斯PMW 5 000系列，功率55 kW，输入电压220 V，输出电压0～400 V，输出频率0～60 Hz;内轴重600 kg，上端与中央操控平台相连，底部连接2.2 kW西门子六级制动电机，电机最大转速1 200 RPM，电压3相400 V，频率50 Hz，制动电压单相230 V，频率50 Hz，匹配2.2 kW丹佛斯变频器。离心机底部安装刹车离合器，可实现内、外转动轴的结合与分离，确保中央操控平台可随时根据试验需要停止和重新同步旋转。内外转动轴之间的相对运动可进一步通过操控安装于中轴顶部内侧的Parker直流无刷伺服电机精密控制。操控程序为专用电机控制程序EASI-V，精度为3弧秒/步。

中央操控平台如图2所示，直径0.75 m，全加速度440 g条件下最大允许不平衡力矩为1 kg·m。上端配有1个光纤旋转接头和2个气环旋转接头。平台采集的试验数据可通过光纤传输。气环通道最大可承压力1 MPa，可用于提供正压或真空负压驱动汽缸加载，如模拟吸力式沉箱负压沉贯过程。中央操控平台通过下部中空套管与中轴结合，借助电动升降杆可实现相对环形模型槽的独立升降，同时中空套管上可固定不同形式的作动器。

图2 环形模型槽及中央操控平台Fig.2 Drum and tool table

3.2 驱动控制系统

土工鼓式离心机GT450/1.4由交流电机驱动变频调速系统，具有动态响应速度快、调速精度高、抗干扰能力强的特点，主要包括电机驱动、转速调节、转速反馈、运行监控等。系统利用PLC控制器，结合加速度计、应变仪、接近开关、继电器、逆变器等对离心机的运行进行实时控制与监视，具备故障报警和紧急制动功能。其中离心机的开启、停止、调速、水位控制等均可通过控制室内的触摸屏便捷实现。

3.3 数据采集系统

数据采集系统由传感器、采集板卡、信号传输设备、数据采集计算机等组成。土工离心模型试验的比尺效应较高，要求测试传感器必须具有强度高、体积小、精度高和响应快等特点。土工鼓式离心机GT450/1.4配备使用的传感器主要有:Druck/Kulite微型孔隙水压力传感器、Solartron接触式位移传感器、Oadm非接触式激光位移传感器、Novatech力传感器等。

土工鼓式离心机GT450/1.4自带2套数据采集系统，分别安装在操控平台上和主机外轴底部。系统采用数字信号传输，由串行接口RS232经机械触点电滑环或光纤传输至控制室的数据采集计算机。接触式电滑环，额定电流7.5 A，采集精度16bit。外轴电滑环共计36通道，主要满足环形模型槽上各类传感器的供电和信号传输，包括6个50 MHz带宽的视频监视信号通道，2个专有供电通道，4个试验数据传输通道可满足16个传感器同步使用，并提供24个用户预留通道;上部电滑环的48个通道主要满足操控平台上传感器的信号传输和供电，其中预留用户通道28个，另有8个Parker电机控制通道。IOTech公司DaqOEM采集器，安装于环形模型槽附近，与传感器的短距离连接确保就近将采集的微弱模拟信号预处理为数字信号，数据转换率5 us，线性误差±1 bit，最大取样频率200 kHz，零点偏移±10 ppm/℃，增益偏移±30 ppm/℃。数据处理采用Acqlipse专业软件。

对于动力模型试验，如爆破、海底滑坡、波浪诱发海床液化等，发生时间极短(10 ms级别)，原厂自带的数据采集系统在采集频率、传输速度和缓存容量方面不能满足技术要求，因此从西澳大利亚大学COFS研究中心引进无线数据采集系统。该系统能够有效避免数据传输中机械摩擦、振动及噪音的影响，提高了数据采集的精度和可靠性。系统由网络交换机、信号处理器、无线路由、数据采集计算机等组成。

图3 信号处理器Fig.3 Signal conditioner

信号处理器(如图3所示)，作为无线数据采集系统的核心部件，集数据的采集、放大、处理等功能于一体，能够实现低频(10 Hz)、高频(1 MHz)信号采集的自动触发转换。每个信号处理器具有1个供电接口及8个传感器接口，每个接口可一次记录12.8万个数据，采集精度16 bit，信号增益范围1～1 000，采用固态硬盘缓存数据。一个交换机同时与多个处理器相连，每个处理器具有独立IP地址，可通过TCP/IP协议进行无线网络访问。采集软件可使用基于Labview的Daqbox或Dasylab软件模块化编程。该无线网络采集系统可在其他环境中即插即用，进行标定等相关工作。

3.4 作动器

作动器主要提供静力、动力荷载及进行土样表面成型。土工鼓式离心机GT450/1.4配备2个作动器，如图4所示。加载幅值分别为10 kN和5 kN，行程分别为150 mm和300 mm，可实现0.001～10 mm/s的精细变速调节。作动器可独立地或借助中央操控平台与中轴相连，实现径向和圆周向二维运动，径向运动由Parker无刷伺服电机驱动，圆周向运动可随同操控平台独立旋转来实现。

作动器推进板上可安装加载装置、T-bar原位强度测试仪等，借助视频监控系统，通过自主编程控制行进方向、速度和路径，可实现应变控制式加载。作动器可发挥机械手的作用，执行打桩、开挖等动作。

图4 作动器Fig.4 Actuator

3.5 专属配套设备

为满足不同离心模型试验要求，自主开发了各类传感器标定设备和PIV图像观测系统，并配备了黏土真空搅拌器、大型固结仪、撒样器、原位强度测试仪等专用设备。

3.5.1 模型制作装置

土样重塑技术是离心模型试验的关键手段，其技术水平直接关系到试验的成败。

砂土在环形模型槽内较难制样，因此专门研制了N倍于重力加速度g条件下的撒样器，将砂料通过旋喷的方式装入环形模型槽，可实现指定相对密实度的均匀砂土装样。装置由进料漏斗、8通道滑环、套筒、喷嘴、便携控制柜组成，如图5所示。撒样器底盘固定在离心机钢制防护罩上，喷嘴可以相对环形模型槽作三维运动。环向运动通过套筒与可独立旋转的中轴相连实现相对运动;径向和竖向运动分别通过操控撒样器上的2个伺服电机，驱动丝杠套件实现。喷砂结束后，喷嘴可以更换为不同形状的刮板，根据试验要求调整砂土表面形状。

图5 撒样器Fig.5 Soil placement device

图6 PIV监测系统Fig.6 PIV detection device

黏土制样可首先采用真空搅拌器，在负压85 kPa条件下，按照含水量120%或2倍液限比例配水，将高岭土或者烘干、碾碎后的现场干土颗粒充分搅拌成饱和泥浆。真空搅拌器容积500 L，可一次性满足离心机的全槽装样。制备好的黏土泥浆可由撒样器旋喷装样，随后泥浆在N倍于重力加速度的离心加速度场中快速形成正常固结土，固结时间仅为1 g条件下的1/N2。搅拌后的泥浆也可以通过大型固结仪DGJ－30在1 g条件下进行预固结。

3.5.2 PIV 检测系统

离心模型试验中，常规的接触式LVDT传感器的测杆端部无法与土体保持同步变形，同时重量过大容易造成刺入破坏。非接触式激光位移传感器通常用于测量土体表面位移，但常因测距点遇水折射而产生误差甚至失效。近年来随着数码相机像素的提升和计算机处理能力的提高，PIV粒子成像测速技术在离心模型试验中得以应用，可定量描述模型表面土体颗粒的平面运动，并进行应变分析［8］。鼓式离心机GT450/1.4配有 2 个 PIV模型箱，如图6所示。单侧为高强度有机玻璃，安有相机支座。静力试验采用宾得W90防水相机和佳能G10相机，通过USB接口由电脑远程操控拍照。动力试验采用Gazelle CMOS高速照相机。

3.5.3 原位强度和孔压测量装置

实验室分别从西澳大利亚大学COFS研究中心和剑桥大学 Schofield实验室引进 T-bar、Ball-bar、CPT、Piezo-ball和 SCPT原位测量装置。1991年T-bar强度测试仪首次运用到离心模型试验［9］，目前在软土不排水强度的原位测试中得到广泛应用。T-bar技术优势在于贯入过程中软土沿圆柱杆流动形成更大接触面，符合塑性定律，易于建立杆端受力与土体强度的对应关系。大连理工大学现有的T-bar强度测试仪如图7所示，圆柱杆直径5 mm，直杆长度20 cm，靠近圆柱杆正上方贴有高精度应变片用于测量贯入阻力。

SCPT测试仪可同步测量土中同一位置的原位不排水剪切强度和孔隙水压力，同时通过内置的MEMS传感器采集加速度信号，换算剪切波速，进而反映土体剪切模量和密度变化［10］。

4 海底滑坡离心模型试验

土工鼓式离心机GT450/1.4的应用涉及机械、电子、自动控制和数据采集与网络通信等多门技术，经过不断的交流、学习、实践，目前设备运转正常，基本达到预定目标，正结合国家科技重大专项和自然科学基金项目开展研究工作。以海底滑坡的离心模型试验为例，介绍土工鼓式离心机的应用。

试验以南海北部海底滑坡为研究对象，采用现场取样土，对深海滑坡进行探索性研究。模型槽如图8所示，分为上、下两腔式，中间通过5 mm厚有机玻璃间隔。上腔高度10 cm，用于安装4部宾得W90防水相机，可透过有机玻璃对滑坡形态进行拍照或录像;下腔高度20 cm，底部固定变厚度苯板，模拟6°～20°海底斜坡，长度1.5 m，斜坡表面埋设有4个Druck微型孔隙水压力传感器。斜坡的顶端架设无线摄像头，用于观察滑坡整体滑动情况。

图8 海底滑坡离心模型布设Fig.8 Instrumentation layout of centrifuge model for submarine landslide

离心机中轴上安装注浆管，下端延伸到斜坡顶端。试验中首先在10 g条件下，通过环形模型槽底部的注水口注水，待水位超过斜坡一定高度后停止注水。随后在设定的离心加速度条件下，将充分搅拌的泥浆由漏斗口缓缓注入，如此形成海底滑坡，如图9所示。初步试验结果表明，当注浆口直径为5 cm时，在50 g条件下，测得平均流速为0.89 m/s，换算的原型流速为44.5 m/s，与文献［11］中的对应的1 g模型试验的流速非常接近。由此验证了设备的可用性。

试验中通过孔隙水压力传感器监测滑坡过程中海床土体内的孔隙水压力变化，同时由拍摄到的照片及影像资料，借助PIV技术计算海底滑坡的速度和距离。试验中将重点考察土样含水量和斜坡坡度对滑移距离的影响。

图9 试验方法示意图Fig.9 Illustration of the experiment

5 结论

总体上，土工鼓式离心机GT450/1.4性能优良，功能全面，在机械设备规模、数据采集精度、控制系统自动化程度及作动器加载模式方面均优于国外同类产品，同时便于升级改造为“土工鼓－臂联合式离心机”。试验表明，土工鼓式离心机对于研究海底滑坡等相关海洋工程领域课题具有一定的优越性。该设备的引进在国内是开拓性工作，相信随着设备的不断完善及试验经验的积累，将为今后离心模型试验技术的发展和应用推广提供有益的借鉴。

致谢:大连理工大学邱大洪院士、西澳大利亚大学Mark Randolph教授对本项研究工作给予了特别的关心与支持，特此致谢!

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