基于液压系统的离心模拟试验大荷载施加方法研究

梁建辉，宋献慧

（中国水利水电科学研究院，北京 100048）

基于液压系统的离心模拟试验大荷载施加方法研究

梁建辉，宋献慧

（中国水利水电科学研究院，北京 100048）

离心模拟试验是通过离心机的转动创造超重力场，使小比尺模型处于原型应力状态，从而模拟土工构筑物力学特性的一种研究手段。随着工程技术的不断发展和技术难度的逐渐提高，在超重力场中开展模拟实际工况中的特定动作，逐渐成为离心模拟试验中的一个热点问题，而如何在超重力场中实现大荷载力的施加是离心模型试验研究中的一个难点。为解决这一问题，中国水利水电科学研究院基于液压技术，开发了可在超重力场中模拟各种施工动作的试验系统，本文介绍了该系统的工作原理和主要特点，并结合试验案例，证明该系统的实用与可靠性。

离心模拟试验；液压系统；大荷载力；超重力场

1 研究背景

随着离心机模拟试验技术的不断发展、试验手段的不断丰富和测试设备的推陈出新，极大地完善了离心模拟试验测试数据内容［1］。同时，随着离心机试验种类及应用领域的迅速扩展，如何在离心模拟试验过程中模拟各种实际工况中的特定动作，由此带来了从未遇到的新的问题。由于原有设备存在着很大的局限性，达不到试验工况提出的基本测试条件，因而无法测试到相关试验数据。为解决这些问题，实现在超重力场中模拟各种施工动作，中国水利水电科学研究院基于液压技术，开发了液压动作模拟系统。该系统具备结构简单、共能多样、易于改装和施加荷载范围大的特点。本文将通过介绍利用该系统完成特定动作的试验，说明该系统的工作原理和技术特点。

图1和图2是中国水利水电科学研究院离心模拟实验室的基础设备［2］。图1是450g-ton大型土工离心机主体，其中高4 m，直径12 m。图2是控制室相关设备，包括离心机控制台以及监控系统。

图1 450g-ton 大型土工离心机

图2 控制台和监控系统

土工离心模型试验通过将土工模型放置在高速旋转的离心机中，通过模型收到的数倍至数百倍的重力加速度，使土工模型在缩小尺寸的情况下能够模拟原形土体的应力状态。通过模型试验，可以在一定离心模拟相似比尺的条件下，减少模型尺寸，缩短模型试验时间，研究工程实际问题。目前，采用离心机进行离心模型试验已成为研究岩土工程问题的有效手段之一［3］。

通过土工离心机上配置开挖、填筑、凿洞、支护、锚固、触探等系统，可在试验过程中用来模拟相应的工程施工过程，用以研究结构，荷载变化，以及不同施工方式所带来的工程问题，为力学分析与施工设计提供试验数据。

本文介绍的系统是一种用于离心机试验平台的测试系统，如图3所示。其中包括：供压分系统，主要是液压泵，泵与交流电源及电磁阀连接，电磁阀与压力传感器及通压油管连接，通压油管装有液控单向阀；量测分系统，主要是压力室，压力室底部通过螺钉与支架固定连接，侧部与通压油管连接，支架上安装有位移传感器，连杆的一端，穿过支架与内部活塞连接，另一端与侧头连接，侧头上安装有孔隙水压力及土压力传感器；采集控测分系统，包括传感器连接线，采集箱，计算机及液控单向阀控制开关，采集箱通过传感器连接线分别与压力传感器，位移传感器及孔隙水压力及土压力传感器连接，计算机与采集箱连接，液控单向阀控制开关与电磁阀连接。

通过该套液压测试系统，进行了很多不同类型的试验，例如在涉及到边坡稳定类试验中，如边坡的开挖、加荷等，陈祖煜等［4］曾详细阐述了边坡稳定的理论及验证方法，据此采用该系统进行边坡稳定试验；在混凝土面板堆石坝的离心模型试验中，运用该系统调整线激光测试传感器，测试面板的不均匀变形、周边缝变形，依据徐泽平等人［5］的试验方法，首次完成了大于1000测点的面板的不均匀变形测试，取得了完美的测量结果；在坝肩变坡离心机试验中，需在坡顶分级施加荷载，该试验需应用液压测试系统逐级控制释放荷载，逐级完成数据采集［6］；上述试验均需要在要求的重力场下进行施工模拟，当模型在重力场下稳定时，依据试验要求，在规定的运行时间内，控制液压系统完成上述开挖、加荷等动作，通过测试采集系统，采集传感器的各种相关数据。

本文主要介绍海底钙质土上重力锚水平承载力离心模型试验研究。该试验需满足海底复杂工况要求，使用了不同类型的传感器及设备。

该实验采用液压系统来解决大荷载力的施加，液压系统可以在超重力场下完成特定的施工动作。与一些已有的设备相比，液压系统施加大荷载力具有很多优势，例如一些过去试验中测量不到的数据可通过该系统测量，并且在不同试验中，液压系统缸体做功方向可以多样。本文介绍的试验缸体做功方向与加速度方向相反。

2 海底钙质土上重力锚水平承载力离心模型试验

近些年，离心模拟试验技术开始应用于海洋研究，通常海洋钻井平台需要在深海作业，本文试验中利用液压系统，解决了在大荷载力施加下进行不同施工动作模拟问题。

本试验进行钙质土重力锚的抗滑稳定离心模型试验，提供重力锚抗滑过程中力与位移的变化关系以及基底压力变化情况。主要研究3个方面问题：（1）重力锚在不同类型钙质土上的水平承载力；（2）不同重力锚锚底形式对承载力的影响；（3）研究在不同情况下重力锚在钙质土上的水平失稳机理。

试验设备包括液压泵、数据采集器、重力锚、点激光传感器、线激光传感器、高清摄像系统、测压传感器和模型箱等。

图3是液压及数据采集系统，液压用于模型试验过程中施加动作的做功，使结构件在试验过程中完成推、压、拔等相关动作。数据采集系统进行系统状态控制，同时采集各种传感器相关数据。图4是点激光位移传感器，该传感器可采集高精度位移量，用于分析结构体及结构件变形量。图5是线激光位移传感器，该传感器可在被测物表面发射一条测试线段，此测试线段可在同一时刻发出1024测点，可对测试线段内的结构体进行不规则变形测试、采集相关数据。图6是模拟的重力锚模型。重力锚在深海中主要靠材料本身重量来抵抗外力，部分靠锚与土壤之间的摩擦力来抵抗。图7是不同底面结构的重力锚模型。图8是高清摄像系统，可以抓拍到重力锚被拖拉的详细过程。图9是试验安装图，可看出液压缸和整个模型箱的安装连接及工作过程。本试验中缸体做功方向与加速度方向相反，液压系统在离心机加速度15 g时稳定运行，液压系统提供拉力，使运动件（重力锚）移动至设定位置，同时测量运动件（重力锚）移动中的位移量与拉力值、起伏变化值、高精度图像采集值。

液压系统提供强大的拉力，可以完成运动件（重力锚）的定向位移，在设计位移范围内，通过压力传感器和激光位移传感器，精确得出每一时刻的拉力与移动距离的关系曲线。同时通过线激光传感器，精确测量每一时刻运动件（重力锚）不同位置动态起伏位移值。运动件（重力锚）拉力最大值0.7 t。图10是模拟重力锚在海底被拖拉的过程，该图采用了高清晰摄像头，拍摄试验过程中运动件（重力锚）的运动轨迹，用于分析各个时刻的相关数据，如：重力锚在位移过程中对土体的作用力，及重力锚在位移过程中的起伏量，对土体的作用深度，等等。

图3 液压及数据采集系统

图4 点激光位移传感器

图5 线激光位移传感器

图6 重力锚模型

图7 不同底面结构的重力锚模型

图8 高清摄像系统

图9 试验安装图

图10 模拟重力锚在海底被拖拉过程

试验测量数据可在同一时刻得到运动件（重力锚）移动距离、拉力值、运动起伏位移值和起伏轨迹变化值。图11是通过数据采集系统得到的曲线图。本试验数据合理，满足了海底的工况要求，得到了合理的结论。

图11 采集到的数据

3 结论

本文通过一个深海拖拉重力锚的试验案例，介绍了液压系统在离心机重力场下提供大荷载力的原理及使用方式。缸体做功方向与加速度方向相反，液压系统在离心机加速度15g时稳定运行，液压系统提供拉力，使运动件（重力锚）移动至设定位置。

本文介绍的液压系统提供了用于离心机试验平台的测试系统，包括：供压分系统，该供压分系统包括液压泵、交流电源、电磁阀、压力传感器、通压油管及液控单向阀；量测分系统，该系统包括压力室、支架、位移传感器、连杆、内部活塞、测头、孔隙水压力传感器及土压力传感器；采集控制分系统，该系统包括传感器连接线、采集箱、计算机及液控单向阀控制开关；压力室与通压油管连接，采集箱通过传感器连接线分别与压力传感器、位移传感器及孔隙水压力传感器连接，液控单项阀控制开关与电磁阀连接。提高了测试效率及测试能力，扩大了应用范围及深度测试范围，优化了结构设计，降低了制造成本，增强了实用性。

重力场下缸体的做功方向及安装位置角度的不同，直接关系到液压系统能否正常工作，同时设备辅助件也会对液压系统产生诸多影响，各种试验工况要求不同，稳定控制、移动时间控制、位置控制和压力测试，均对液压系统的配置与使用提出了很高的要求，安装调试工作量占到了试验总体工作量70%以上。液压系统工作状态和稳定性直接关乎试验的成败。

通过试验案例可以看到，液压系统应用在离心机试验中，有其突出的特点，表现在：（1）可提供强大的做功动力，通常离心机的测试设备大多由电机提供动力，受试验平台体积安装位置限制、滑环容量限制等诸多不变，当工程试验中需要大功率动作时，难以完成，因此液压系统是很好的选择；（2）液压系统结构简单，技术成熟，辅助件种类丰富，易于配套加工。

［1］ DU Y L，ZHU S Z，HAN L B，et al.LXJ-4-450 Geotechnical Centrifuge in Beijing［C］//Centrifuge 94.Leung.1994.

［2］ HOU Y J，HAN L B.Performance of Large Geotechnical Centrifuge at IWHRT［C］//In Proceedings of the 1st In⁃ternational Symposium on Hydraulic Measurement.CHES，IAHR，Beijing，1994.

［3］ GARNIER J，GAUDIN C，SPRINGMAN S M，et al.Catalogue scaling laws and similitude questions in geotechni⁃cal centrifuge modeling［J］.International Journal of Modeling in Geotechnics，2007（3）：1-23

［4］ 陈祖煜，汪小刚，邢义川，等.边坡稳定分析最大原理的理论分析和试验验证［J］.岩土工程学报，2005，27（5）：495-499.

［5］ 徐泽平，侯瑜京，梁建辉.深覆盖层上混凝土面板堆石坝的离心模型试验研究［J］.岩土工程学报，2010，32（9）：1323-1328.

［6］ 侯瑜京，韩连兵，梁建辉.深水港码头围堤和群桩结构的离心模型试验［J］.岩土工程学报，2004，26（5）：594-600.

［7］ 王秋生，陈祖煜，隋海滨，等.离心机模拟中渗流相似率的试验验证［J］.岩土工程学报，2011，33（8）：1235-1239.

［8］ 牛起飞，侯瑜京，梁建辉，等.坝肩变坡引起心墙裂缝和水力劈裂的离心模型试验研究［J］.岩土工程学报，2010，32（12）：1935-1941.

Abstract：The purpose of centrifuge modelling is to produce a physical scaled model to replicate the real prototype system by increasing the gravitational acceleration level and proportionally reducing the dimen⁃sions.Due to rapid progress of technologies，how to simulate some specified motions in high gravitational field becomes a hot topic.How to exert large load force is the most difficult problem to solve in centrifuge modelling researches.IWHR made a hydraulic system that can provide a large power and process specified geotechnical engineering motions in high gravitational field to solve this problem.This paper introduces the principles and features of this hydraulic system and proves it valid and reliable through an example.

Keywords：centrifuge modelling；hydraulic system；large load force；high gravitational field

（责任编辑：王成丽）

Research of exerting large load force for centrifuge modelling based on using hydraulic system

LIANG Jianhui，SONG Xianhui
（China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100048，China）

TU413.4

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.04.014

1672-3031（2017）04-0324-05

2017-06-15

梁建辉（1961-），男，北京人，高级工程师，主要从事离心机试验研究。E-mail：liangjh@iwhr.com