鼓式土工離心機(jī)技術(shù)及其工程應(yīng)用研究

                  張?chǎng)?,2,3，劉漢龍1,2，胡玉霞3，STEWART Doug4

    (1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210098；2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)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(xué)，澳大利亞珀斯WA6102；5.高達(dá)集團(tuán)西澳分公司，澳大利亞珀斯WA 6005)

    摘要：20世紀(jì)90年代以來，離心機(jī)模型試驗(yàn)在巖土工程的研究和工程實(shí)踐等方面的應(yīng)用得到了顯著的提高。研究者之所以把目光投向離心機(jī)，是因?yàn)橄鄬?duì)于昂貴和未知的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來說，用離心機(jī)模型試驗(yàn)要比現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)更為優(yōu)越。自從1978年劍橋大學(xué)Schofield首次利用鼓式離心機(jī)以來，它的應(yīng)用研究越來越多。通過介紹鼓式離心機(jī)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(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)。通過PCC樁的承載特性模型試驗(yàn)介紹了鼓式離心機(jī)在巖土工程中的應(yīng)用。

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

    中圖分類號(hào)：TQ 051.8.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

    1 引言

    1869年法國(guó)工程師Edouard PhiliPs首次提出把離心機(jī)模型試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域的構(gòu)想[1]，直到20世紀(jì)30年代初期，離心模型試驗(yàn)才開始用于研究巖土工程問題[2]。80年代開始，法國(guó)、荷蘭、意大利、新加坡等國(guó)家相繼發(fā)展了大型離心機(jī)。中國(guó)水利水電科學(xué)研究院、南京水利水電科學(xué)研究院、長(zhǎng)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(jī)[3]，90年代以來，離心機(jī)試驗(yàn)在巖土工程的研究和工程實(shí)踐等方面的應(yīng)用得到了顯著的提高[4]。目前世界上土工離心機(jī)已經(jīng)超過了100臺(tái)[5]。對(duì)于很多難處理的巖土工程問題，離心機(jī)模擬是一個(gè)強(qiáng)有力的工具，對(duì)于研究和理解大型巖土系統(tǒng)的基本力學(xué)性質(zhì)十分有效，可以通過直接的物理對(duì)比（相似和標(biāo)度法則，見表1）分析其理想特性，驗(yàn)證設(shè)計(jì)和計(jì)算方法，以便于進(jìn)一步對(duì)原型問題做更深入細(xì)致的分析。研究者們之所以青睞離心機(jī)，是因?yàn)橄鄬?duì)于昂貴和未知的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試來說，用離心機(jī)模型試驗(yàn)要比現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)更為優(yōu)越。

    2.土工離心機(jī)的應(yīng)用及分類

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

                   

    通常，鼓式離心機(jī)的試樣和模型要比臂式離心機(jī)的都要小一些，但鼓式離心機(jī)在許多方面要比臂式離心機(jī)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(yīng)參數(shù)研究等具有線性特性的模型等。最大的優(yōu)勢(shì)在于連續(xù)而均質(zhì)的試樣可以在不受邊界效應(yīng)的影響情況下提供較大的試驗(yàn)所需要的平面空間，一般要比具有相似直徑的臂式離心機(jī)大很多倍。在鼓式離心機(jī)中進(jìn)行土與結(jié)構(gòu)相互作用模型試驗(yàn)，主要通過固定在中央控制臺(tái)的驅(qū)動(dòng)裝置來實(shí)現(xiàn)。為了保證最大化利用試驗(yàn)區(qū)域，中央控制臺(tái)必須具備以下兩個(gè)重要的特征：(1)中央控制臺(tái)相對(duì)于外圍的模型槽的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可以控制；(2)中央控制臺(tái)可以根據(jù)需要隨時(shí)停止，以便校正或者更換試驗(yàn)設(shè)備，即可直接進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)而不需要停下模型槽。

    3.西澳大學(xué)鼓式離心機(jī)

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

    3.1鼓式離心機(jī)的主體結(jié)構(gòu)

    鼓式離心機(jī)安裝在實(shí)驗(yàn)室中一個(gè)專門建造的鋼筋混凝土地下基坑內(nèi)，機(jī)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(dāng)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(dá)364 g。對(duì)于此厚度的試樣，在它表面的最大應(yīng)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(tái)分別與內(nèi)、外兩個(gè)獨(dú)立的傳動(dòng)軸相連，通過不同的馬達(dá)控制其相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。模型槽與外傳動(dòng)軸相連，通過傳動(dòng)皮帶由一個(gè)馬達(dá)來驅(qū)動(dòng)，而控制臺(tái)與內(nèi)傳動(dòng)軸相連，由另一個(gè)伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。離心機(jī)系統(tǒng)有一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的試樣準(zhǔn)備區(qū)域，此區(qū)域裝有制冷系統(tǒng)來維持試驗(yàn)期間的恒定溫度，同時(shí)可以冷卻離心機(jī)的各種機(jī)械部件。

                    

    3.2控制臺(tái)驅(qū)動(dòng)器

    控制臺(tái)與伺服馬達(dá)組合在一起，可在3個(gè)方向運(yùn)動(dòng)：豎直向、徑向和圓周向（轉(zhuǎn)動(dòng)）?？刂婆_(tái)驅(qū)動(dòng)器見圖33。所有元件都安裝在一個(gè)直徑為700 mm的基礎(chǔ)板上，它通過套管和離心機(jī)的內(nèi)傳動(dòng)軸結(jié)合在一起。

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

                    

    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(gè)互相關(guān)聯(lián)的部分：模型槽控制、數(shù)據(jù)采集和控制臺(tái)操作。模型槽的旋轉(zhuǎn)通過專門的軟件由計(jì)算機(jī)控制并監(jiān)控，其控制軟件是在原有臂式離心機(jī)軟件基礎(chǔ)上改進(jìn)而成，一旦發(fā)現(xiàn)不安全的情形，程序會(huì)自動(dòng)停止離心機(jī)。

    鼓式離心機(jī)安裝兩個(gè)隨機(jī)攜帶的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，分別放置在模型槽和控制臺(tái)上。系統(tǒng)一共可記錄32個(gè)信號(hào)，模型槽和控制臺(tái)各占一半。隨機(jī)攜帶計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過串行接口（RS232）輸入控制室中專門的數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)可直接存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)磁盤上，也可以把存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)傳送到其他計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)圖像展示。控制臺(tái)還攜帶另外一個(gè)計(jì)算機(jī)主要用來控制驅(qū)動(dòng)器。伺服控制模型槽的旋轉(zhuǎn)，動(dòng)力、信號(hào)的控制和反饋都是通過滑動(dòng)套環(huán)來傳輸。

    4 鼓式離心機(jī)在樁基工程中的應(yīng)用離心機(jī)試驗(yàn)可以精確復(fù)制現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)力條件，在模擬樁基工程中具有特殊的優(yōu)勢(shì)，即可模擬現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力隨深度增加這一基本的現(xiàn)象。河海大學(xué)巖土工程研究所和西澳大學(xué)合作進(jìn)行了離心機(jī)模型試驗(yàn)[10-11]，對(duì)現(xiàn)澆混凝土薄壁管樁（PCC樁）承載特性進(jìn)行了研究，所有試驗(yàn)都在的UWA鼓式離心機(jī)中完成。PCC樁是河海大學(xué)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(dòng)力將雙層鋼套管所形成的環(huán)形腔體在活瓣樁靴的保護(hù)下打入到下臥層或設(shè)計(jì)深度，然后，在腔體內(nèi)澆注混凝土后振動(dòng)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(duì)于相同的混凝土體積比PCC樁有很大的樁身摩擦力，為承擔(dān)荷載提供了一個(gè)比較經(jīng)濟(jì)的方法[17]。

    4.1 試樣準(zhǔn)備

    首先，在離心機(jī)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(shí)，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(shí)進(jìn)行固結(jié)。在試樣槽相應(yīng)的位置布置了3個(gè)微型孔隙水壓力計(jì)，以便觀測(cè)黏土的固結(jié)過程。當(dāng)黏土固結(jié)一段時(shí)間后，表面會(huì)下沉，此時(shí)再進(jìn)一步注入泥漿，重復(fù)上述步驟，直到最后固結(jié)后的試樣高度達(dá)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(yàn)均在此條件下進(jìn)行。

    4.2 試驗(yàn)裝置

    試驗(yàn)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(jìn)行了磨砂處理。試驗(yàn)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(gè)單樁，群樁樁帽的設(shè)計(jì)見圖4(b)（平面圖），樁帽也是鋁制的，質(zhì)地較輕，但是相對(duì)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(yàn)時(shí)，在樁帽的頂部安裝了一個(gè)量程為8 kN的總測(cè)力計(jì)，另外，在1、2、4樁號(hào)的頂部分別安裝了1個(gè)量程為1 kN的測(cè)力計(jì)，這樣既可以測(cè)群樁總的承載力，又可以測(cè)得單樁的承載力。

                      

    4.3 試驗(yàn)方案

    在離心加速度為125 g時(shí)，模型樁的安裝是通過一個(gè)專門設(shè)計(jì)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(tái)上，通過計(jì)算機(jī)精確控制完成其與群樁的對(duì)接。在單樁安裝完成100 min和群樁安裝完成120 min后，進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)方案見表2。

                     

    4.4試驗(yàn)結(jié)果分析

    （1）單樁與單樁（編號(hào)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(dāng)樁頭發(fā)生10%的樁徑的沉降值。需要注意的是，測(cè)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(diǎn)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(yàn)中所測(cè)試的樁側(cè)摩阻力相同。

    試驗(yàn)結(jié)果表明，樁端有效面積比Ar對(duì)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(xiàn)[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(shí)，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(shí)測(cè)的群樁的荷載-位移關(guān)系見圖6。一共進(jìn)行了8組壓縮試驗(yàn)。群樁承載力效應(yīng)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(dá)到直徑的10%時(shí)的對(duì)應(yīng)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(dāng)s/D=3時(shí)，約為0.8，該值和文獻(xiàn)[19]在類似的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中所測(cè)得的值基本相同。有趣的是，對(duì)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(yàn)所預(yù)期是ηcapacity值隨著Ar的增加可能會(huì)減小。

    當(dāng)ηcapacity<1時(shí)，需要考慮承載極限狀態(tài)，大多數(shù)群樁設(shè)計(jì)均由可適用性極限狀態(tài)來控制，因此定義剛度效應(yīng)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(yàn)小結(jié)

    通過討論一系列的PCC樁的單樁和群樁離心機(jī)模型試驗(yàn)結(jié)果，與閉口樁試驗(yàn)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(duì)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(yàn)過程中，樁端阻力隨著Ar及其相應(yīng)的是否發(fā)生閉塞效應(yīng)而變化。②對(duì)于群樁結(jié)構(gòu)，當(dāng)s/D=3時(shí)，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(yǔ)

    鼓式土工離心機(jī)有獨(dú)特的多功能中心控制臺(tái)，可以隨時(shí)根據(jù)試驗(yàn)需要啟動(dòng)和停止，而不受模型槽轉(zhuǎn)動(dòng)的影響，因此可以在試樣保持旋轉(zhuǎn)的過程中準(zhǔn)備試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試工具?？刂婆_(tái)可以在垂直向、徑向和圓周向3個(gè)方向精確驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，并且保持著動(dòng)態(tài)平衡。專門設(shè)計(jì)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(yàn)所需要的相關(guān)結(jié)果。

    瑞士聯(lián)邦工學(xué)院于1999年也建造了同類型的鼓式土工離心機(jī)，我國(guó)大連理工大學(xué)也已經(jīng)開始著手鼓式離心機(jī)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(jī)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(yīng)用將越來越廣泛。