鼓式土工離心機技術(shù)及其工程應用研究

                  張霆1,2,3，劉漢龍1,2，胡玉霞3，STEWART Doug4

    (1.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，南京210098；2.河海大學巖土工程科學研究所，南京210098；3.澳大利亞SKM工程咨詢有限公司，珀斯WA6000；4.科廷理工大學，澳大利亞珀斯WA6102；5.高達集團西澳分公司，澳大利亞珀斯WA 6005)

    摘要：20世紀90年代以來，離心機模型試驗在巖土工程的研究和工程實踐等方面的應用得到了顯著的提高。研究者之所以把目光投向離心機，是因為相對于昂貴和未知的現(xiàn)場試驗來說，用離心機模型試驗要比現(xiàn)場試驗更為優(yōu)越。自從1978年劍橋大學Schofield首次利用鼓式離心機以來，它的應用研究越來越多。通過介紹鼓式離心機的主要結(jié)構(gòu)、模型控制以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等主要特征參數(shù)，闡述了其在巖土工程應用中的優(yōu)點。通過PCC樁的承載特性模型試驗介紹了鼓式離心機在巖土工程中的應用。

    關(guān)鍵詞：土工離心機；鼓式；模型試驗；數(shù)據(jù)采集；工程應用

    中圖分類號：TQ 051.8.4文獻標識碼：A

    1 引言

    1869年法國工程師Edouard PhiliPs首次提出把離心機模型試驗技術(shù)應用于土木工程領(lǐng)域的構(gòu)想[1]，直到20世紀30年代初期，離心模型試驗才開始用于研究巖土工程問題[2]。80年代開始，法國、荷蘭、意大利、新加坡等國家相繼發(fā)展了大型離心機。中國水利水電科學研究院、南京水利水電科學研究院、長科院等也相繼在80年代末和90年代初期建造了一些離心機[3]，90年代以來，離心機試驗在巖土工程的研究和工程實踐等方面的應用得到了顯著的提高[4]。目前世界上土工離心機已經(jīng)超過了100臺[5]。對于很多難處理的巖土工程問題，離心機模擬是一個強有力的工具，對于研究和理解大型巖土系統(tǒng)的基本力學性質(zhì)十分有效，可以通過直接的物理對比（相似和標度法則，見表1）分析其理想特性，驗證設(shè)計和計算方法，以便于進一步對原型問題做更深入細致的分析。研究者們之所以青睞離心機，是因為相對于昂貴和未知的現(xiàn)場測試來說，用離心機模型試驗要比現(xiàn)場試驗更為優(yōu)越。

    2.土工離心機的應用及分類

    應用于各行各業(yè)的離心機有很多種類，而土工離心機主要可以分為兩大類：臂式離心機見圖1（a）和鼓式離心機如圖1(b)所示。

                   

    通常，鼓式離心機的試樣和模型要比臂式離心機的都要小一些，但鼓式離心機在許多方面要比臂式離心機更具有優(yōu)越性，比如，在模擬管線（海岸工程）、污染物的傳播（環(huán)境巖土工程），波浪模型，或者基礎(chǔ)響應參數(shù)研究等具有線性特性的模型等。最大的優(yōu)勢在于連續(xù)而均質(zhì)的試樣可以在不受邊界效應的影響情況下提供較大的試驗所需要的平面空間，一般要比具有相似直徑的臂式離心機大很多倍。在鼓式離心機中進行土與結(jié)構(gòu)相互作用模型試驗，主要通過固定在中央控制臺的驅(qū)動裝置來實現(xiàn)。為了保證最大化利用試驗區(qū)域，中央控制臺必須具備以下兩個重要的特征：(1)中央控制臺相對于外圍的模型槽的相對運動可以控制；(2)中央控制臺可以根據(jù)需要隨時停止，以便校正或者更換試驗設(shè)備，即可直接進行進一步試驗而不需要停下模型槽。

    3.西澳大學鼓式離心機

    自從1978年劍橋大學Schofield首次利用鼓式離心機模型試驗進行邊坡穩(wěn)定分析以來[6-7]，鼓式離心機在巖土工程領(lǐng)域的應用研究越來越多。1991年，澳大利亞西澳大學（UWA）Mark Randolph教授發(fā)起建造了澳大利亞第一臺臂式土工離心機[8]，隨著科研項目和學生數(shù)量的日趨增多，原有的臂式土工離心機已經(jīng)不能滿足教學和研究需要，于是1998年西澳大學和Schofield合作建造了鼓式土工離心機[9]。離心機一些的主要特性和相關(guān)中心驅(qū)動裝置其有關(guān)細節(jié)以及數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)簡單介紹如下。

    3.1鼓式離心機的主體結(jié)構(gòu)

    鼓式離心機安裝在實驗室中一個專門建造的鋼筋混凝土地下基坑內(nèi)，機試樣槽為環(huán)行（鼓體），豎直向?qū)?00 mm，徑向深200 mm，直徑為1.2 m（圖2）。它的最大轉(zhuǎn)速為850 rpm，相當于模型槽底部離心加速度為485 g。典型試樣的厚150 mm，該試樣表面的最大加速度可達364 g。對于此厚度的試樣，在它表面的最大應力誤差約為10%，最大有效加速度為400 g（有效半徑為0.5 m）。最大允許的不平衡力為6.3 kN。

    模型槽和控制臺分別與內(nèi)、外兩個獨立的傳動軸相連，通過不同的馬達控制其相對轉(zhuǎn)動。模型槽與外傳動軸相連，通過傳動皮帶由一個馬達來驅(qū)動，而控制臺與內(nèi)傳動軸相連，由另一個伺服馬達驅(qū)動。離心機系統(tǒng)有一個相對獨立的試樣準備區(qū)域，此區(qū)域裝有制冷系統(tǒng)來維持試驗期間的恒定溫度，同時可以冷卻離心機的各種機械部件。

                    

    3.2控制臺驅(qū)動器

    控制臺與伺服馬達組合在一起，可在3個方向運動：豎直向、徑向和圓周向（轉(zhuǎn)動）。控制臺驅(qū)動器見圖33。所有元件都安裝在一個直徑為700 mm的基礎(chǔ)板上，它通過套管和離心機的內(nèi)傳動軸結(jié)合在一起。

    豎直向驅(qū)動器主要用來控制離心機中間的水平平臺（長780 mm，寬290 mm）的升降，其中一個徑向驅(qū)動器用來加載模型或者準備試樣，另外一個則充當動態(tài)配重通過調(diào)節(jié)位置來維持系統(tǒng)平衡。每個驅(qū)動器沿著雙重的線性軸承驅(qū)動一個剛性的工具架。工具架上裝有夾具用來攜帶測試設(shè)備或者試樣制備工具。在主平臺的側(cè)向有兩個小的平臺，分別安裝了儀器放大器和伺服放大器以收集徑向驅(qū)動器信號。

                    

    3.3數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)

    數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)主要包括幾個互相關(guān)聯(lián)的部分：模型槽控制、數(shù)據(jù)采集和控制臺操作。模型槽的旋轉(zhuǎn)通過專門的軟件由計算機控制并監(jiān)控，其控制軟件是在原有臂式離心機軟件基礎(chǔ)上改進而成，一旦發(fā)現(xiàn)不安全的情形，程序會自動停止離心機。

    鼓式離心機安裝兩個隨機攜帶的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，分別放置在模型槽和控制臺上。系統(tǒng)一共可記錄32個信號，模型槽和控制臺各占一半。隨機攜帶計算機的數(shù)字信號經(jīng)過串行接口（RS232）輸入控制室中專門的數(shù)據(jù)采集計算機。數(shù)據(jù)可直接存儲在計算機磁盤上，也可以把存儲的數(shù)據(jù)傳送到其他計算機上實時圖像展示?？刂婆_還攜帶另外一個計算機主要用來控制驅(qū)動器。伺服控制模型槽的旋轉(zhuǎn)，動力、信號的控制和反饋都是通過滑動套環(huán)來傳輸。

    4 鼓式離心機在樁基工程中的應用離心機試驗可以精確復制現(xiàn)場的應力條件，在模擬樁基工程中具有特殊的優(yōu)勢，即可模擬現(xiàn)場應力隨深度增加這一基本的現(xiàn)象。河海大學巖土工程研究所和西澳大學合作進行了離心機模型試驗[10-11]，對現(xiàn)澆混凝土薄壁管樁（PCC樁）承載特性進行了研究，所有試驗都在的UWA鼓式離心機中完成。PCC樁是河海大學巖土工程研究所開發(fā)的專利技術(shù)[12-13]。主要工藝是通過振動力將雙層鋼套管所形成的環(huán)形腔體在活瓣樁靴的保護下打入到下臥層或設(shè)計深度，然后，在腔體內(nèi)澆注混凝土后振動拔管，在環(huán)形域中便形成混凝土管樁[14-16]。與其他樁相比，對于相同的混凝土體積比PCC樁有很大的樁身摩擦力，為承擔荷載提供了一個比較經(jīng)濟的方法[17]。

    4.1 試樣準備

    首先，在離心機試樣槽的底部設(shè)置一層10 mm左右厚的砂土作為排水層。加速度為20 g時，通過專門軟管再把含水率為120%的高嶺土泥漿注入鼓式試樣槽，然后讓試樣在250 g時進行固結(jié)。在試樣槽相應的位置布置了3個微型孔隙水壓力計，以便觀測黏土的固結(jié)過程。當黏土固結(jié)一段時間后，表面會下沉，此時再進一步注入泥漿，重復上述步驟，直到最后固結(jié)后的試樣高度達到150 mm。再把離心加速度調(diào)整到125 g，使得超固結(jié)比（OCR）為2，所有的試驗均在此條件下進行。

    4.2 試驗裝置

    試驗所用的模型樁的示意圖見圖4(a)。模型樁所用材料為鋁，外徑為10.2 mm，樁表面進行了磨砂處理。試驗所用模型樁一共有3種：閉口樁、開口厚壁管樁（樁端有效面積比Ar=0.46）和開口薄壁管樁（Ar=0.13）。群樁包含5個單樁，群樁樁帽的設(shè)計見圖4(b)（平面圖），樁帽也是鋁制的，質(zhì)地較輕，但是相對剛度較大。樁間距比（s/D）可定義為中心樁和邊角樁中心到中心的距離與樁的外徑之比（由樁外徑歸一化處理）。樁間距可以通過樁帽上連接樁頭的連接器位置來調(diào)節(jié)。在群樁試驗時，在樁帽的頂部安裝了一個量程為8 kN的總測力計，另外，在1、2、4樁號的頂部分別安裝了1個量程為1 kN的測力計，這樣既可以測群樁總的承載力，又可以測得單樁的承載力。

                      

    4.3 試驗方案

    在離心加速度為125 g時，模型樁的安裝是通過一個專門設(shè)計的槽型鉤以1 mm/s的速度勻速壓入試樣中，最后模型樁壓入試樣的深度為105 mm。5根單樁安裝完成以后把樁帽安裝在控制臺上，通過計算機精確控制完成其與群樁的對接。在單樁安裝完成100 min和群樁安裝完成120 min后，進行壓縮試驗。試驗方案見表2。

                     

    4.4試驗結(jié)果分析

    （1）單樁與單樁（編號SC、SOB和SOA）有關(guān)的荷載位移關(guān)系見圖5?？偟臉O限承載力Qult定義為當樁頭發(fā)生10%的樁徑的沉降值。需要注意的是，測試結(jié)果需要考慮到模型樁自身的重量，SC和SOA為10 N，SOB為20 N，如圖5所示曲線的起點并不是0。單樁的極限承載力Qult、樁端阻力Qb和樁側(cè)摩阻力Qs見表3，這里假設(shè)壓縮過程中的樁側(cè)摩阻力Qs和隨后拉伸試驗中所測試的樁側(cè)摩阻力相同。

    試驗結(jié)果表明，樁端有效面積比Ar對上述樁的極限承載力有重大的影響。樁側(cè)摩阻力隨著Ar的增加而增加。開口厚壁管樁和閉口樁的樁端阻力大小相近，但要比開口薄壁管樁（Ar=0.13）大50%。Qs與Ar之間的相互關(guān)系與文獻[18]所得到的結(jié)果一致。另外，還有一些相關(guān)研究表明，在Ar<0.2時，典型管樁的樁身承載力只比閉口樁小10%左右。

                    

    （2）群樁壓力荷載作用下實測的群樁的荷載-位移關(guān)系見圖6。一共進行了8組壓縮試驗。群樁承載力效應折減系數(shù)ηcapacity可定義為群樁總的承載力與單樁的承載力乘以單樁數(shù)量（本文為5）的比值。本文中極限承載力定義為樁頂位移達到直徑的10%時的對應值。由圖6可以得到ηcapacity值，作為樁端面積比Ar和間距比s/D的函數(shù)，見圖7。很顯然閉口群樁的ηcapacity值隨著Ar的增加而增加，當s/D=3時，約為0.8，該值和文獻[19]在類似的現(xiàn)場試驗中所測得的值基本相同。有趣的是，對于管樁群樁來說，ηcapacity值并不隨樁間距（2D～4D）的變化而變化。但是，試驗所預期是ηcapacity值隨著Ar的增加可能會減小。

    當ηcapacity<1時，需要考慮承載極限狀態(tài)，大多數(shù)群樁設(shè)計均由可適用性極限狀態(tài)來控制，因此定義剛度效應折減系數(shù)ηg比較重要，見式（1）。ηg值取決于樁的作用系數(shù)，樁的作用系數(shù)則隨著土的剛度非線性、s/D、L/D、Ar群樁中樁的數(shù)量和位置以及樁帽的剛度而變化。

                     

    式中：kg為群樁的軸向剛度（發(fā)生單位位移的荷載）；ks為單樁的軸向剛度；n為群樁中單樁數(shù)。

                   

    4.5 模型試驗小結(jié)

    通過討論一系列的PCC樁的單樁和群樁離心機模型試驗結(jié)果，與閉口樁試驗結(jié)果的比較，得到了單樁和群樁性能的有關(guān)特征（圖7）：①樁端有效面積比（Ar）對單樁和群樁極限承載有著很大的影響。樁側(cè)摩阻力的增加與Ar成正比，而且在荷載試驗過程中，樁端阻力隨著Ar及其相應的是否發(fā)生閉塞效應而變化。②對于群樁結(jié)構(gòu)，當s/D=3時，研究所得閉口群樁承載力折減系數(shù)為0.8，而開口薄壁管樁，承載力折減系數(shù)接近1。

                    

    5 .結(jié)語

    鼓式土工離心機有獨特的多功能中心控制臺，可以隨時根據(jù)試驗需要啟動和停止，而不受模型槽轉(zhuǎn)動的影響，因此可以在試樣保持旋轉(zhuǎn)的過程中準備試驗設(shè)備和測試工具?？刂婆_可以在垂直向、徑向和圓周向3個方向精確驅(qū)動轉(zhuǎn)動，并且保持著動態(tài)平衡。專門設(shè)計了多功能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)可以得到試驗所需要的相關(guān)結(jié)果。

    瑞士聯(lián)邦工學院于1999年也建造了同類型的鼓式土工離心機，我國大連理工大學也已經(jīng)開始著手鼓式離心機的建造。隨著海洋技術(shù)的開發(fā)，環(huán)境巖土工程的發(fā)展，鼓式離心機在巖土工程、海岸工程和環(huán)境巖土工程等領(lǐng)域的開發(fā)和應用將越來越廣泛。