TPEI-200g·t土工离心模型试验系统建设

王雪奎，朱耀庭，李京爽，曹永华

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津 300222；2.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

在岩土工程中，岩土体的工程性质主要是由其应力水平决定的，由于岩土体天然的复杂性和非线性，常规的1g小比尺模型试验往往难以再现原型的物理特性，从而导致试验结果失真[1]。土工离心模型试验技术是将缩尺的模型置于高速旋转的离心机中，通过离心惯性系补偿模型因缩尺带来的自重损失，使模型的应力与原型一致，从而成功模拟原型土体的应力水平[2]。近年来，离心模拟技术已经成为研究复杂岩土工程问题的重要试验手段，受到了国内外学者们的广泛关注[3-4]。

最早在1869年，法国人Phillips就首先提出了土工离心模型试验的基本设想和相似准则，但受限于当时的技术条件，尚不能应用。直到20世纪30年代，这一概念才在美国和苏联重新提出并开始进行试验[5]。1985年以后，随着当代高新科学技术的发展，土工离心模型试验技术进入了一个新的大发展期，英国、美国、德国、日本等发达国家先后都建成了一批大型土工离心机[6]。我国受苏联的影响，20世纪50年代就曾考虑建设土工离心机，但受到当时条件的制约，直到1982年，才在南京水利科学研究院和长江科学院等单位建成第一批土工离心机[7]。随后同济大学、浙江大学等高校也先后建成了大型离心机[8]。目前我国已经建成大中小等各型离心机30余台，大多集中在高等院校，完成了一大批科研成果[9-13]，在土工离心模型试验技术领域已经走在世界前列。值得一提的是，与国外主要进行工程机理、验证理论的研究内容相比，我国在运用离心模型试验解决工程实际问题方面形成了自己的特色。

中交天津港湾工程研究院有限公司多年以来在近岸海洋土和软土的工程性质及其可靠性、港口岩土工程勘测试验技术、地基基础加固与补强技术等领域积累了丰富的经验。近年来，随着港口岩土工程越来越向着大型化、复杂化发展，建设交通工程领域有特色的土工离心机十分有必要。TPET-200g·t土工离心机于2021年全面建成，本文主要介绍了TPEI-200g·t土工离心模型试验系统的建设历程、主要功能参数和特色等内容。

1 建设的背景和历程

中交天津港湾工程研究院有限公司是港口岩土工程技术交通行业重点实验室、天津市港口岩土工程技术重点实验室和中国交建岩土工程重点实验室的依托单位。从水运交通行业的发展来看，离岸深水港、跨海湾通道、大型桥梁和隧道、远海岛礁等基础设施的建设面临恶劣的自然环境，工程建设难度大，为确保工程建设的顺利进行，必须进行大量相关的研究工作。并且，随着“一带一路”倡议、京津冀协同发展、长江经济带等发展战略的推进，也给研究工作提出了更高的要求。离心模型试验技术由于其在自重应力模拟方面的优势，必然有力推动港口岩土工程技术的创新与进步。为提升港口岩土工程的科研水平，为现代港口和近海工程建设提供试验依据和技术支撑，建设离心模型试验系统是非常有必要的。

TPET-200g·t土工离心机立项以后，先后赴中国水利科学研究院、同济大学、南京水利科学研究院、浙江大学等单位进行交流学习，调研了各种先进的离心模型试验技术设备及辅助设备，分析比较了各种离心机及附属土建结构的优缺点，同时邀请相关专家对离心机试验系统进行论证和审查，广泛听取各方意见。但由于土工离心机配套土建工程建设手续较多，周期长，造成了离心模型试验系统建设进度迟缓。2015年天津临港试验基地土地手续完成以后，土工离心机项目得到快速推进。2018年TPEI-200g·t土工离心机随土建工程一起主体完工。经过精密细致的安装调试，土工离心机和各机载设备于2021年全面建成并投入使用。

2 离心机主机系统

2.1 主机系统的布局

离心机主机系统是离心模型试验的基础平台，综合考虑主机容量、转速、功率消耗、噪音控制与隔离、散热等因素，TPEI-200g·t土工离心机采用经典的3层布局，如图1所示。

图1 TPEI-200型土工离心机布置图Fig.1 Layout of TPEI-200 geotechnical centrifuge

底层主要安装电机、减速机、稀油润滑系统、振动台用油站和旋转接头等，主要为离心机提供动力和稀油润滑功能，并为机载设备提供油源和水源。中层为离心机主机室，主要安装传动支承、吊篮、转臂系统、下仪器舱等，是离心模型安装和系统配平的主要工作场所。顶层为上仪器舱，安装有信号环、电力环、光纤集流环等，主要负责传输信号和电力。该布局将离心机的传动系统安装在一个相对封闭的独立空间内，能够有效减小离心机的运行阻力，方便控制机室的温度和噪音，并有利于离心机各系统的安全防护，也有利于各系统的安装和维护，减少相互之间的干扰和影响。

2.2 主要技术指标

TPEI-200g·t土工离心机的主要技术指标如下：

1）离心机容量为200g·t，最大离心加速度为200g，最大负载为2 t。

2）旋转半径为4 000 mm（吊篮平台至转轴）。

3）采用直流电机驱动，经减速器换速转向后，带动主轴转动，电机功率为475 kW。

4）离心机的最大加速能力为10g/min，转速稳定度为0.5%F·S。

5）吊篮的有效空间为1 350 mm×1 300 mm×1 300 mm，造波机专用吊篮的有效空间为1 500 mm×1 300 mm×1 300 mm。

6）主机强度设计满足100 kN不平衡力要求，当不平衡力大于40 kN时，及时报警并自动停机。

7）安装有三路光电滑环，分别为功率滑环10环（30 A，380 V）、信号通道40环（2 A，220 V）、光纤滑环4环。

8）旋转接头上安装有4通道油接头（最大压力21 MPa）、2通道水接头（最大压力1.5 MPa）、1通道气接头（最大压力0.8 MPa）。

9）数据采集系统共有128通道，数据通过光纤传输，实现土压力、应变、位移等的变量自动采集。

10）离心机设计时考虑了振动荷载的影响，同时预留了多种机载设备接口，方便以后的功能拓展。

2.3 主要特点

TPEI-200型土工离心机虽为中型土工离心机，但其功能多样，具有良好的性能，能够满足交通工程复杂工况的试验需要，形成了自己的特点，具体如下：

1）离心机容量为200g·t，最大离心加速度为200g，最大负载为2 t，有效半径为4 m，能够满足绝大部分情况下交通工程的试验需要，技术上比较成熟，且比较经济合理。

2）配备了离心振动台、多轴机器人、抛填机器人和水位升降机器人等多套机载设备，还预留了造波机器人安装及运行接口，功能多样，能够动态模拟实际工程的施工过程。

3）采用动静一体数据采集系统，所有通道既可用于静态测量也可用于动态测量。核心数采模块采用美国NI模块，技术上比较成熟，抗干扰能力强，保证数采系统的可靠性和稳定性。

4）主机配备了完善的安全监控系统，具有高度的安全控制性。在主机室、底层拖动系统、控制室都安装了急停开关，可实现紧急情况下快速停机。主机室安全门和各系统之间设置了安全联锁装置，出现异常情况时，离心机无法启动，保证设备和人员安全。并且，在离心机各个关键部位安装了多路视频监控系统，同时配备了UPS系统，保证24 h实时安全监控。

5）转臂系统采用双吊篮对称臂结构，如图2所示。两侧转臂上都配有数采面板，理论上可以同时做2组对比试验，提高了试验效率。设计转臂时将振动台用蓄能器安装在转臂支架内，并在转臂外设置蒙皮，使之具有良好的气动特性，优化了转臂系统结构，增大附件安装空间，减小转动惯量，降低转臂惯性功率。

图2 离心机转臂布置图Fig.2 Layout of centrifuge rotating arm

3 数据采集系统

数据采集系统是离心模型试验系统的关键部分。试验数据的正确采集和处理，关系到整个试验的成败。考虑到高重力场下数采系统受到干扰较大，另外振动、温度、电磁干扰甚至灯光都可能对数据传输和测量精度产生影响，TPEI-200g·t土工离心机采用比较成熟稳定的NI模块作为核心采集模块，基于PXI平台来进行128通道动静一体数据采集系统研制。数采系统的所有通道都既可用于静态测量也可用于动态测量。在静态试验时，系统采样率最小为1 Hz。在动态试验时，系统采样率最大为10 kHz。数采通道按功能可分为应变通道、电压通道、电流通道、振动通道等，能够采集土压、孔压、应变、位移、加速度等试验参数。

应变通道共有80道，采用24位、25 kS/s电桥输入模块，各通道均具有抗混叠和数字滤波功能，且均能够提供遥感、内桥电阻和分路校准选件。应变桥路可根据需要分别采用全桥、半桥、1/4桥。

电流通道共有8道，单通道采样速率为51.2 kS/s，具有24位AD转换的电流输入测量功能，测量范围为±20 mA。

电压通道共有24道，采用18位分辨率模拟电压输入模块，输入范围为±10 V，采样率为1.25 MS/s（单通道）、1 MS/s（多通道），四路32位计数器/定时器，针对PWM、编码器、频率、事件计数功能测量。

振动通道共有16道，采用24位、200 kS/s、114 dB动态信号输入模块，交流和直流可选耦合，最大输入范围±10 V，可实现振动加速度测试。

4 配套的主要机载设备

土工离心机只是为离心模型试验提供一个超重力场平台，若要进行多种工况的模型试验，必须要配备各种专用的机载设备。从目前的发展来看，离心模型试验水平的高低主要取决于试验设备的水平，研制各种功能的试验设备，已经成为提高离心模型试验水平的关键。通过总结和分析交通工程的主要工程特性，开发了多种土工离心机的机载设备。

4.1 多轴机器人

TPEI-200g·t土工离心机多轴机器人主要由驱动系统、电气系统、图像采集系统和专用模型箱组成，具体布置图如图3所示。该多轴机器人的空间定位均采用具备断电制动功能的伺服电机驱动丝杠转动，丝杠螺母带动可移动件在导轨上滑动，并通过伺服电机自带旋转变压器来实现位置的精确控制。该机器人增设了θ向电机，配合各种专用工具头，可实现插拔桩、削坡、挖洞等多种功能。

图3 多轴机器人布置图Fig.3 Layout of centrifuge manipulator

多轴机器人在100g高离心场下可实现X、Y、Z三轴联动，其基本的性能参数如表1所示。

表1 多轴机器人的基本性能参数Table 1 Basic performance parameters of centrifuge manipulator

多轴机器人能够实现的具体功能如下：

1）插拔桩功能：打拔桩径为5～20 mm之间；打桩最大深度为400 mm；能够自动或手动控制打桩位置。

2）削坡功能：坡比范围为1∶（0.75～2）；单个坡最小为10 mm×300 mm（宽×长）；最少能削5个连续坡。

3）挖洞、坑功能：圆坑开挖工具2个，分别为φ30 mm、φ50 mm；方洞开挖工具2个，分别为宽50 mm和80 mm；坑的形状可为方形或圆形；最大挖深为150～200 mm。

4.2 振动台

土工离心机振动台是研究岩土动力学问题的关键设备，在地震破坏机理、抗震设计计算、数值模型验证等方面显示出巨大的优越性。电液伺服控制振动台是目前最先进也是最流行的一种离心机振动台系统，可以模拟真实的地震波。TPEI-200g·t土工离心机振动台即采用电液伺服控制形式，该离心振动系统由机械系统、液压系统、伺服控制系统、安全保护环节、动态采集系统以及离心模型试验辅助设备组成。其中，液压系统是系统的动力机构，采用波形失真较小的单作动器驱动；机械系统提供负载运动支承以及试验体安放平台，采用“振动系统一体化”设计，各部分与振动台底板形成一个整体，可整体拆吊；伺服控制实现地震波加速度振动波形的信号处理、地震波响应测量及控制，并具有试验数据和试验曲线的实时测量、屏显、存储、数据管理等功能；安全保护环节用以确保振动系统以及离心机主机在运行时的安全。振动台系统的布置图如图4所示。

图4 离心机振动台布置图Fig.4 Layout of centrifuge shaking table

该振动台能够实现80g重力场下的一维振动，振动方向为垂臂方向，其基本的性能参数如表2所示。

表2 振动台的基本性能参数Table 2 Basic performance parameters of shaking table

4.3 抛填机器人

抛填机器人可在50g离心加速度下工作，其抛填料主要为无黏性土料，包括碎石、粗砂、中砂、细砂和粉砂等，土料最大粒径不超过20 mm。当离心机运行时，可将无黏性土料按照设定程序抛入模型箱中，形成不同的断面和厚度的土坡，从而模拟动态情况下模型的填筑过程。

该抛填机器人安装于离心机的转臂及模型箱上，主要由储料装置、抛料装置及配重系统组成，其整体布置图如图5所示。储料装置安装在转臂上，可装土料的最大量为500 kg；抛料装置安装在模型箱上，并一起放置在吊篮内，抛料装置上设置液压缸、位移传感器、称重传感器等器件，用于驱动抛料斗的移动、检测抛料点并称量单次抛料重量，单次抛土料量为5～40 kg；配重系统为水箱，用于离心机运转过程中的动态配平，配重系统放置在离心机的配重块上。

图5 抛填机器人布置图Fig.5 Layout of filling robot

4.4 水位升降机器人

水位升降机器人可在100g离心加速度下工作，能够模拟动态情况下水位的升降过程。该水位升降机器人采用双层模型箱设计，其上层为试验模型箱，下层为蓄水模型箱，整体布置见图6。

图6 水位升降机器人布置图Fig.6 Layout of centrifuge water level fluctuation robot

试验模型箱由加筋铝合金板和有机玻璃板通过螺栓组合而成，其净空尺寸为1 000 mm×400 mm×600 mm。液位监控系统通过螺钉固定在试验模型箱上端面处，通过安装在横梁上的位移传感器检测模型箱内液面高度。在进出试验模型箱的水管上均设置有液控单向阀，当需要控制水位时，通过调节液控单向阀控制水流流入或流出，从而实现水位的升高或降低。蓄水模型箱为合金钢板焊接而成的箱型框架结构，最大蓄水量为200 L。

5 结语

土工离心模型试验是各类土工物理模型试验中相似性最好的试验手段，受到了业内学者们的广泛重视。近二三十年来，该技术得到快速发展，几乎应用到岩土工程的所有领域。TPEI-200g·t土工离心模型系统于2021年全面建成，该系统的最大离心加速度为200g，最大负载为2 t，有效半径为4 m，技术成熟，安全可靠。同时，该系统配备了多轴机器人、振动台、抛填机器人、水位升降机器人等多种机载设备，能够动态模拟插拔桩、挖坑、打洞、振动、填筑、水位升降等多种现实工况，满足绝大部分情况下交通工程试验的需要。

该系统的建成将为交通工程行业提供一个高水平的研究平台。今后，该系统将依托中国交通建设集团，立足于解决重大工程技术问题，借助国家大力发展基础设施的契机，积极利用土工离心模拟技术开展技术创新，解决实际工程难题，为行业技术进步提供强有力支撑。