长江科学院土工离心机的应用与发展

程永辉，李青云，饶锡保，刘 鸣

（长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010）

长江科学院土工离心机的应用与发展

程永辉，李青云，饶锡保，刘 鸣

（长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010）

土工离心机是研究复杂岩土工程问题的大型专用设备，长江科学院（以下简称长科院）早在20世纪80年代建成了当时国内最大的总容量300 g-t、有效容量180 g-t的土工离心机，为我国离心机研制和离心模型试验技术的发展奠定了重要基础。简要总结了国内外土工离心机的发展历史，介绍了长科院第一代土工离心机的研制过程和意义，回顾了第一代离心机所开展的重要研究工作及所取得的成果；详细叙述了长科院第二代土工离心机的研制过程和性能。在此基础上，对近期完成的几个离心模型试验成果进行介绍，并通过多项试验研究验证了试验系统的可靠性。

土工离心机；升级改造；离心模型试验

1 土工离心机发展概况

在对许多复杂工程问题的科学研究中，常常需要使用小比尺的物理模型去揭示和分析现象的本质和机理，以验证理论和解决工程实际问题。在岩土工程中，自重是主要荷载，岩土体内的应力场主要由自重引起的，且岩土体属非线性材料，若采用常规的小比尺的物理模型试验，由于应力水平大大降低，从而导致结果失真，必须在模型试验中增大岩土体的自重应力，才能真正达到试验的目的。土工离心模型试验是解决此问题的有效方法［1，2］，即将模型置于特制的离心机中旋转，使得1／n缩尺的模型试验在离心惯性力ng的空间中进行；由于惯性力与重力绝对等效，且加速度不会改变工程材料的性质，使得模型与原型应力、应变相等，变形相似，破坏机理相同。

由于能够模拟原型岩土结构中起决定作用的自重应力，离心机模拟技术成为岩土力学与岩土工程研究中不可缺少的试验手段；近年来离心机及试验技术在国内外获得了极大的发展，并已逐步成为岩土学科领域研究水平的重要标志。

1.1 国外发展概况

1869年，法国人Phillips在进行横跨英吉利海峡的钢大桥研究时，首次提出用离心机做模型试验的设想，并明确提出了离心机设计的一般原理［1］。

60年后，美国Bucky（1931）在半径0.5 m的离心机上研究了煤矿坑顶的稳定问题；同期，苏联Pokrovskii和Dovidenkov（1932）研究了土坡稳定问题，并在首界国际土力学与基础工程学会上公开了研究成果，标志着离心模型试验技术开始应用于岩土工程领域。

20世纪30年代至60年代，前苏联土工离心机快速发展，建造了20余台离心机，最大容量达到了750 g-t。60年代后期，英国、美国、日本、法国、德国、丹麦、意大利、荷兰等国相继开始建造土工离心机，如英国剑桥大学、美国国家土工离心模型试验中心、日本港湾研究所、意大利ISMES、荷兰Delft岩土研究所等，这些代表性离心机的建设和使用，使得离心模拟试验理论和技术得到了长足的发展。80年代以后，土工离心模型试验有了进一步发展，不同程度地采用了现代化的设计制造工艺及试验监测方法，美国、欧洲、日本、新加坡、印度等国家陆续建造了一些新型的离心机，部分离心机向大容量方向发展，以满足研究高土石坝、高应力等重型结构工程问题的需要。但目前更多的研究者认为离心机具有较大的吊篮容积，合适的加速度值（如150～250 g），更具有优越性。

1.2 国内发展概况［3-5］

国内土工离心机的发展大致可分为3个阶段：（1）第一阶段（20世纪80年代），以长江科学院（以下简称长科院）离心机为代表。

中国早在50年代就着手进行离心机建造的研究，但受各种原因影响，一直没有实质性的进展。20世纪80年代初，长科院建成当时国内最大的一台总容量300 g-t的专用离心机，为中国土工离心机试验技术的发展和创新奠定了重要的基础。期间，还有部分单位建造了容量20 g-t至100 g-t的中小型土工离心机。

（2）第二阶段（20世纪90年代），以中国水科院和南科院大型土工离心机为代表。

在国家“七五”科技攻关期间，中国水利水电科学研究院建造了一台有效容量450 g-t的大型土工离心机，1991正式投入运用；南京水利科学研究院也同时建造了一台有效容量400 g-t的大型土工离心机；清华大学水利水电工程系1993年建成一台50 g-t土工离心机；这些离心机为我国开展大型水利工程建设的技术攻关提供了有效的手段。

（3）第三阶段（2000年以来），以香港科技大学离心机为代表。

香港科技大学于2002年建成了代表现代化发展水平的400 g-t大型土工离心机，配备有双向振动台、四组机械手、网络数据采集及处理功能。

近几年，我国离心机发展迅速，离心机性能也正向高、精、尖和多功能方向发展。据不完全统计，已建或在建土工离心机21台，分布在水利科研机构、高等院校等，这些离心机的建设必将为推动离心模型试验技术的发展和岩土工程科技进步发挥重要作用。

2 长科院第一代土工离心机的研制及应用

2.1 研制过程及意义

受前苏联的影响，长科院曾在1957年就提出要建立一座大型的水利工程综合应用的离心机，并在1958年完成图纸设计，但未进行加工。由于丹江口工程的需要，制造了一台直径为2.3 m的小型离心机进行试验，完成了科研生产任务，也为大型离心机的制造提供了经验。

70年代后期，长科院开始着手建造大型土工离心机，攻克了当时存在的直流电机驱动、数据实时采集和高速运动图像遥视等难题，解决了散热和抗震等问题，但在机械中的螺旋伞齿轮制造方面遇到困难。后在林一山主任的帮助下，由天津第一机床厂完成了大型伞齿轮的制造，从而使得国内第一台大型土工离心机在长科院建成，并于1983年投入运行，为中国土工离心机试验技术的发展和创新奠定了重要的基础［6，7］。

2.2 离心机性能

长科院第一代土工离心机最大加速度为300 g，转斗最大容许重量1 000 kg（含转斗自重），总容量300 g-t，有效容量为180 g-t。离心机转臂总长6 m，有效半径3 m，加上转斗长度，离心机半径为4.42 m；直流驱动电机动率410 kW；模型箱尺寸为700 mm×700 mm×820 mm，长度方向可延伸至1 100 mm；连续运行时间可达36 h以上，可开展土工和结构方面的离心模型试验研究。如图1所示。

图1 长科院第一代土工离心机Fig.1 The first generation geotechnical centrifuge in CRSRI

2.3 岩土工程研究中的应用

长科院第一代土工离心机自1983年底投入使用，至2002年运行近20年，期间完成了大量的开创性试验研究成果，为工程建设和科技进步发挥了重要作用，以下简要叙述部分代表性成果。

2.3.1 土石坝工程

李凤鸣、饶锡保等（1990）以250倍的模型率开展了6组离心模型试验，研究了小浪底斜墙堆石坝的上游坝体稳定性和防渗墙的应力应变性状，为工程设计和计算提供了依据［8］。

李玫、龚壁卫等（1990）针对三峡二期围堰水下抛填风化砂密度无法确定的问题，开展了8组离心模型试验，获得了水下抛填风化砂密度在1.68～1.85 g／cm3范围内变化的成果，解决了困扰工程设计的技术难题［9］。

饶锡保（1990）系统总结分析了土石坝离心模型试验方法，并结合葛洲坝上游围堰的试验结果，开展了三峡二期深水土石围堰低墙和高墙方案的离心模型试验研究，论证了方案的优劣，并与数值计算成果对比分析，为工程设计优化提供了依据［10］。

2.3.2 粱柱式石油平台

粱柱式海洋平台是一种新型平台，结构复杂，工作机理不清，粱、柱分担荷载以及与土的相互作用情况不明确，给设计带来了很大的困难。李玫、包承纲（1995）在长科院离心机上开展了梁柱式海洋平台基础与土相互作用的离心模型试验研究，由试验测出了平台柱底、粱底土反力及柱侧摩阻力的大小和分布规律，得出了柱底、粱底及柱的土反力的荷载分担比例。从而揭示了平台土荷载传递的途径，分析了影响平台工作性能的主要因素及其彼此关系，为平台的设计提供科学依据［11］。

2.3.3 格形钢板桩码头

格形钢板桩结构具有很多优点，但其设计和施工比较复杂，其技术在国内外均不成熟。饶锡保，程展林等（1997）进行了8组离心模型试验，揭示了钢板桩格体与格仓内外填料的相互作用的工作机理，为数值分析提供了良好的基础，为建立格形钢板桩码头侧向变形计算方法提供了依据［12，13］。

2.3.4 软基处理

软土地基是工程建设中经常遇到的地质条件，因软土具有高含水量、高压缩性和低强度的特点，此类地区的地基处理往往是制约工程建设的关键问题。由于离心模型试验的时间缩尺效应，在模拟软基方面具有独特的优势。长科院针对广佛、岱黄、宜黄、黄黄及武汉绕城公路等开展了大量的离心模型试验研究，优化了地基处理方案，掌握了软土段稳定和沉降规律，提出了简化的分析模式和施工期稳定的控制参数、方法，解决了工程问题并节省了大量投资［14］。

2.3.5 边坡及护岸结构稳定性

挡板式护岸在河道治理工程具有挖方少、结构轻、造价低等优点，但其受力状态和稳定性计算尚不清晰。高大水（1990年）结合太湖流域的实际情况，开展了离心模型试验研究，并获得了结构的受力状态和岸坡的破坏机理，为该结构的应用提供了理论支撑［15］。

林开球、包承纲（1990）根据非粘性土加筋陡坡破坏面是沿着自然休止角的直线的离心模型试验成果，利用极限平衡方法进行了推导，提出了等长度、不等间距、不同材料加筋陡坡新的设计方法，并通过离心模型试验验证了方法的正确性和合理性，对工程优化设计有重要的参考意义［16］。

2.3.6 拦淤堤稳定

吹填土初始强度很低，如何在吹填土上筑堤是困扰工程建设者的一个难题。针对宁波东钱湖湖心岛堆筑工程，丁金华、包承纲（1999）在长科院的离心机上开展了吹填土上筑堤的模型试验研究，论证了吹填土上筑堤的可行性和方法，为工程设计和施工提供了依据［17］。

除以上所提的方面外，在长江黄腊石滑坡、煤层开采引起地面沉降机理、尾矿坝加高、土钉加固机理［18］等方面也开展了研究工作，并取得了较好的成果。

长科院第一代土工离心机在经过近20年的运行后，控制系统、测量系统、驱动系统等均已超过期限，于2002年停止运行。

3 长科院第二代土工离心机研制

3.1 升级改造论证

3.1.1 目 标

为了满足科研生产的需要，通过升级改造，恢复原有离心机功能，在此基础上改造建设一套现代化多功能土工离心机试验系统；重点在模型安装、电器控制、数据采集、辅助试验系统等方面达到较高的自动化水平；升级改造过程中，充分考虑系统的扩展功能，预留接口。

3.1.2 升级改造方案及选择

根据长科院原有离心机的条件，即机械系统尚完好，电器元件等老化，制定了2个方案：

方案一：原有离心机上直接进行升级改造，保留原有机械系统部分，对电器系统进行更换，对试验室进行改造；

方案二：进行异地升级改造，将原有离心机进行拆除，并尽可能利用其部件，新建试验室。

由于原有离心机试验室位置不符合武汉市规划要求，同时，试验室基本属于危房，最终选择了异地升级改造方案。试验系统总体布局如图2所示，自2006年起，经过了3年的研究、生产制造和调试，至2008年底，第二代土工离心机试验系统已完成研制，并具备了开展试验研究的条件。

3.2 离心机性能及特色

3.2.1 主机系统

主机系统在实验室内分为3层，如图2所示。底层为传动系统、稀油站及旋转接头；中层为转动系统；上层为上仪器仓。传动系统为400kW直流电机驱动，通过鼓型齿式联轴器为转动系统提供动力。转动系统如图3所示，为解决不平衡力检测问题，在拉力梁上对称设置4组力传感器，实现不平衡力检测；为保证转动系统两端平衡，在转臂的配重一端设置平衡调节系统，如图4所示；为满足试验需要，系统在模型吊篮一侧，设置供油、供气通道各2路，供水1路，回水、回油各1路，并通过快换接头连接，以方便试验时的安装；设置了40通道静态采集端口，预留60通道动态数据采集端口，模型监测探头信号可通过航空插头接至监控室，实现自动数据采集；模型吊篮为开敞式，为模型装配提供了便利条件。上仪器仓内为光电滑环系统，各路信号通过滑环传至监控室，实现自动控制和数据自动采集。

长科院第二代土工离心机主机系统在以下几个方面具有较好的性能：

（1）离心机有效半径3.75 m，最大加速度200 g，容量为200 g-t，比较符合现代土工离心机的设计要求，在一定程度可减少离心机的固有误差。

（2）配置了高清照相系统，可以从旋转室顶部对运行中的模型进行拍照，照片非常清晰且基本没有畸变，可以通过照片数字化处理技术，实现运转过程中变形监测。

（3）主机安全控制性能较高，在底层传动部位、中层转动部位、上层仪器仓和监控室均设置了急停按纽，紧急情况按下后，主机自动停止；各组成系统、机室门等设置了安全联锁，任何部位出现异常或机室门打开的情况下，主机均不能运转，保障了设备和操作人员的安全。

3.2.2 附属设备

为满足水利岩土工程科研工作的需要，专门设计制造了以下附属设备系统。

（1）机械手系统：在70 g条件下工作，可实现x，y，z三轴任意点定位，行程范围为30 cm×50 cm× 40 cm，移动速度为20 mm／s，具有通用安装接口，可模拟加荷、压拨桩、开挖等多种复杂岩土工程问题，如图5所示。

图2 长科院第二代离心机建设方案Fig.2 Construction scheme of the second generation geotechnical centrifuge in CRSRI

图3 转动系统Fig.3 Rotation system of the second generation geotechnical centrifuge in CRSRI

图4 长科院第二代离心机动平衡系统Fig.4 Dynam ic balance system of the second generation geotechnical centrifuge in CRSRI

图5 离心机机械手系统Fig.5 Manipulator system of geotechnical centrifuge

（2）蓄水与疏干模拟系统：可模拟渠道、大坝、堤防边坡等的蓄水和疏干过程，可在模型箱内注水、排水，能够进行水位高度控制和注、排水流量手动控制。

（3）降雨与蒸发模拟系统：实现了自然界降雨和蒸发过程的连续模拟；通过雾化技术，将水转化为细水颗粒，可对降雨量和水的冲刷作用进行模拟；通过红外加温技术，实现了蒸发过程模拟。

（4）填筑过程模拟系统：可在100 g条件下进行散粒体的抛填和填筑过程模拟，通过计算机控制填筑形成任意形状断面，如图6所示。

图6 填筑过程模拟系统Fig.6 System of simulating the filling process

4 近期研究成果及应用评价

胀土体产生膨胀变形，由膨胀变形引起的应力重分布，进而产生的顺坡向剪应力，对边坡稳定性起着控制作用；由此对完整均匀的膨胀土边坡（不存在原生裂隙），提出了失稳模式为“膨胀作用下的边坡滑动”的理论。

4.1 块体理论非连续变形方法的离心模型验证

块体理论是由石根华在上世纪80年代初期提出的，随后他又建立了非连续变形分析方法，简称DDA。由于DDA可以在计算中通过调整重力加速度的取值，实现同离心模型试验原理相同的计算分析，称之为DDA数值离心模型试验［19］。为验证DDA对块体边坡稳定计算的合理性，以乌江银盘工程右坝肩开挖岩质边坡为研究对象，开展了块体边坡稳定离心模型试验，试验模型如图7所示。研究表明，离心模型试验结果与DDA数值计算成果较为一致，印证了DDA计算方法的正确性。

4.2 降雨对膨胀土边坡稳定性的影响

膨胀土问题是工程地质领域的世界级难题，以往普遍认为膨胀土边坡失稳是由于干湿循环作用引起的；但工程实际情况表明，即使新开挖的边坡，在一次降雨后即可产生滑坡，另外，干湿循环引起的强度衰减作用有限，并不足以引起滑坡；为查明膨胀土滑坡的机理，开展了降雨条件下膨胀土边坡稳定的离心模型试验研究，第一次真正意义上实现了离心机运转过程中膨胀土边坡的降雨模拟［20］。

试验模型如图8所示，降雨引起的滑坡见图9。研究表明：降雨引起土体含水量变化，一定程度上降低了土体强度，但不足以引起边坡失稳；降雨导致膨

图7 岩石块体边坡模型Fig.7 M odel of rock block slope

图8 膨胀土边坡模型示意图Fig.8 Sketch map of expansive soil slopemodel

4.3 离心机应用评价

除以上研究成果外，近期还开展了散粒体水下抛填密度、山体跨塌机理、桩基承载力屈服面特性、黄土滑坡机理、船闸结构安全性状等研究工作，取得了一批有新意的成果，并验证了设备的性能。研究表明，长科院第二代土工离心机运行情况良好，加速度控制精确，可实现自动控制或手动控制；监测数据采集正常，精度满足试验要求；可实现各类复杂岩土工程问题的模拟。

5 结 语

土工离心机是研究复杂岩土工程问题的大型专用设备。长江科学院早在20世纪80年代即建成了当时国内最大的总容量300 g-t、有效容量为180 g-t的土工离心机，为我国离心机研制和离心模型试验技术的发展奠定了重要的基础。为三峡、小浪底、南水北调工程等重大科研项目的完成发挥了重要作用。长科院第二代土工离心机是在第一代的基础上，充分利用现有的制造和自动化技术，建成的现代多功能土工离心机试验系统；该设备为本院乃至中南地区岩土工程问题的解决和科研水平的提高提供了研究平台，也将为技术骨干和研究生的培养发挥重要作用。

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（编辑：周晓雁）

Application and Development of Geotechnical Centrifuge in Yangtze River Scientific Research Institute

CHENG Yong-hui，LIQing-yun，RAO Xi-bao，LIU Ming
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Geotechnical centrifuge is a large special equipment to study complex geotechnical engineering problems.As early as in the 1980s，the largest geotechnical centrifuge in china at that time with a total capacity of 300 g-t and an effective capacity of 180 g-twas built at Changjiang／Yangtze River Scientific Research Institute（CRSRI），which laid foundation for the developmentof centrifuge and centrifugalmodel test technology in china.The development history of geotechnical centrifuge at home and abroad is firstly summarized in this paper.The developing process of the first generation geotechnical centrifuge in CRSRI and its significance are introduced，and the main research work and achievements regarding the first generation centrifuge are reviewed.Moreover，the development and properties of the second generation geotechnical centrifuge of CRSRIare described in details，and the reliability of the test system is proved by centrifugalmodel tests completed recently.

geotechnical centrifuge；upgrade and reform；centrifugalmodel test

TU441

A

1001-5485（2011）10-0141-07

2011-07-20

国家“十一五”科技支撑课题（2006BAB04A10，2008BAB29B02）；中央级公益性科研院所基本科研业务费项目（CKSF2010015）。

程永辉（1977-），男，山东博兴人，高级工程师，主要从事环境岩土工程及离心模型试验技术方面的研究，（电话）027-82827141（电子信箱）chengyh＠mail.crsri.cn。