梁建輝，宋獻慧

（中國水利水電科學研究院，北京 100048）

基于液壓系統(tǒng)的離心模擬試驗大荷載施加方法研究

梁建輝，宋獻慧

（中國水利水電科學研究院，北京 100048）

離心模擬試驗是通過離心機的轉(zhuǎn)動創(chuàng)造超重力場，使小比尺模型處于原型應力狀態(tài)，從而模擬土工構(gòu)筑物力學特性的一種研究手段。隨著工程技術(shù)的不斷發(fā)展和技術(shù)難度的逐漸提高，在超重力場中開展模擬實際工況中的特定動作，逐漸成為離心模擬試驗中的一個熱點問題，而如何在超重力場中實現(xiàn)大荷載力的施加是離心模型試驗研究中的一個難點。為解決這一問題，中國水利水電科學研究院基于液壓技術(shù)，開發(fā)了可在超重力場中模擬各種施工動作的試驗系統(tǒng)，本文介紹了該系統(tǒng)的工作原理和主要特點，并結(jié)合試驗案例，證明該系統(tǒng)的實用與可靠性。

離心模擬試驗；液壓系統(tǒng)；大荷載力；超重力場

1 研究背景

隨著離心機模擬試驗技術(shù)的不斷發(fā)展、試驗手段的不斷豐富和測試設備的推陳出新，極大地完善了離心模擬試驗測試數(shù)據(jù)內(nèi)容［1］。同時，隨著離心機試驗種類及應用領(lǐng)域的迅速擴展，如何在離心模擬試驗過程中模擬各種實際工況中的特定動作，由此帶來了從未遇到的新的問題。由于原有設備存在著很大的局限性，達不到試驗工況提出的基本測試條件，因而無法測試到相關(guān)試驗數(shù)據(jù)。為解決這些問題，實現(xiàn)在超重力場中模擬各種施工動作，中國水利水電科學研究院基于液壓技術(shù)，開發(fā)了液壓動作模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備結(jié)構(gòu)簡單、共能多樣、易于改裝和施加荷載范圍大的特點。本文將通過介紹利用該系統(tǒng)完成特定動作的試驗，說明該系統(tǒng)的工作原理和技術(shù)特點。

圖1和圖2是中國水利水電科學研究院離心模擬實驗室的基礎(chǔ)設備［2］。圖1是450g-ton大型土工離心機主體，其中高4 m，直徑12 m。圖2是控制室相關(guān)設備，包括離心機控制臺以及監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1 450g-ton 大型土工離心機

圖2 控制臺和監(jiān)控系統(tǒng)

土工離心模型試驗通過將土工模型放置在高速旋轉(zhuǎn)的離心機中，通過模型收到的數(shù)倍至數(shù)百倍的重力加速度，使土工模型在縮小尺寸的情況下能夠模擬原形土體的應力狀態(tài)。通過模型試驗，可以在一定離心模擬相似比尺的條件下，減少模型尺寸，縮短模型試驗時間，研究工程實際問題。目前，采用離心機進行離心模型試驗已成為研究巖土工程問題的有效手段之一［3］。

通過土工離心機上配置開挖、填筑、鑿洞、支護、錨固、觸探等系統(tǒng)，可在試驗過程中用來模擬相應的工程施工過程，用以研究結(jié)構(gòu)，荷載變化，以及不同施工方式所帶來的工程問題，為力學分析與施工設計提供試驗數(shù)據(jù)。

本文介紹的系統(tǒng)是一種用于離心機試驗平臺的測試系統(tǒng)，如圖3所示。其中包括：供壓分系統(tǒng)，主要是液壓泵，泵與交流電源及電磁閥連接，電磁閥與壓力傳感器及通壓油管連接，通壓油管裝有液控單向閥；量測分系統(tǒng)，主要是壓力室，壓力室底部通過螺釘與支架固定連接，側(cè)部與通壓油管連接，支架上安裝有位移傳感器，連桿的一端，穿過支架與內(nèi)部活塞連接，另一端與側(cè)頭連接，側(cè)頭上安裝有孔隙水壓力及土壓力傳感器；采集控測分系統(tǒng)，包括傳感器連接線，采集箱，計算機及液控單向閥控制開關(guān)，采集箱通過傳感器連接線分別與壓力傳感器，位移傳感器及孔隙水壓力及土壓力傳感器連接，計算機與采集箱連接，液控單向閥控制開關(guān)與電磁閥連接。

通過該套液壓測試系統(tǒng)，進行了很多不同類型的試驗，例如在涉及到邊坡穩(wěn)定類試驗中，如邊坡的開挖、加荷等，陳祖煜等［4］曾詳細闡述了邊坡穩(wěn)定的理論及驗證方法，據(jù)此采用該系統(tǒng)進行邊坡穩(wěn)定試驗；在混凝土面板堆石壩的離心模型試驗中，運用該系統(tǒng)調(diào)整線激光測試傳感器，測試面板的不均勻變形、周邊縫變形，依據(jù)徐澤平等人［5］的試驗方法，首次完成了大于1000測點的面板的不均勻變形測試，取得了完美的測量結(jié)果；在壩肩變坡離心機試驗中，需在坡頂分級施加荷載，該試驗需應用液壓測試系統(tǒng)逐級控制釋放荷載，逐級完成數(shù)據(jù)采集［6］；上述試驗均需要在要求的重力場下進行施工模擬，當模型在重力場下穩(wěn)定時，依據(jù)試驗要求，在規(guī)定的運行時間內(nèi)，控制液壓系統(tǒng)完成上述開挖、加荷等動作，通過測試采集系統(tǒng)，采集傳感器的各種相關(guān)數(shù)據(jù)。

本文主要介紹海底鈣質(zhì)土上重力錨水平承載力離心模型試驗研究。該試驗需滿足海底復雜工況要求，使用了不同類型的傳感器及設備。

該實驗采用液壓系統(tǒng)來解決大荷載力的施加，液壓系統(tǒng)可以在超重力場下完成特定的施工動作。與一些已有的設備相比，液壓系統(tǒng)施加大荷載力具有很多優(yōu)勢，例如一些過去試驗中測量不到的數(shù)據(jù)可通過該系統(tǒng)測量，并且在不同試驗中，液壓系統(tǒng)缸體做功方向可以多樣。本文介紹的試驗缸體做功方向與加速度方向相反。

2 海底鈣質(zhì)土上重力錨水平承載力離心模型試驗

近些年，離心模擬試驗技術(shù)開始應用于海洋研究，通常海洋鉆井平臺需要在深海作業(yè)，本文試驗中利用液壓系統(tǒng)，解決了在大荷載力施加下進行不同施工動作模擬問題。

本試驗進行鈣質(zhì)土重力錨的抗滑穩(wěn)定離心模型試驗，提供重力錨抗滑過程中力與位移的變化關(guān)系以及基底壓力變化情況。主要研究3個方面問題：（1）重力錨在不同類型鈣質(zhì)土上的水平承載力；（2）不同重力錨錨底形式對承載力的影響；（3）研究在不同情況下重力錨在鈣質(zhì)土上的水平失穩(wěn)機理。

試驗設備包括液壓泵、數(shù)據(jù)采集器、重力錨、點激光傳感器、線激光傳感器、高清攝像系統(tǒng)、測壓傳感器和模型箱等。

圖3是液壓及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，液壓用于模型試驗過程中施加動作的做功，使結(jié)構(gòu)件在試驗過程中完成推、壓、拔等相關(guān)動作。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行系統(tǒng)狀態(tài)控制，同時采集各種傳感器相關(guān)數(shù)據(jù)。圖4是點激光位移傳感器，該傳感器可采集高精度位移量，用于分析結(jié)構(gòu)體及結(jié)構(gòu)件變形量。圖5是線激光位移傳感器，該傳感器可在被測物表面發(fā)射一條測試線段，此測試線段可在同一時刻發(fā)出1024測點，可對測試線段內(nèi)的結(jié)構(gòu)體進行不規(guī)則變形測試、采集相關(guān)數(shù)據(jù)。圖6是模擬的重力錨模型。重力錨在深海中主要靠材料本身重量來抵抗外力，部分靠錨與土壤之間的摩擦力來抵抗。圖7是不同底面結(jié)構(gòu)的重力錨模型。圖8是高清攝像系統(tǒng)，可以抓拍到重力錨被拖拉的詳細過程。圖9是試驗安裝圖，可看出液壓缸和整個模型箱的安裝連接及工作過程。本試驗中缸體做功方向與加速度方向相反，液壓系統(tǒng)在離心機加速度15 g時穩(wěn)定運行，液壓系統(tǒng)提供拉力，使運動件（重力錨）移動至設定位置，同時測量運動件（重力錨）移動中的位移量與拉力值、起伏變化值、高精度圖像采集值。

液壓系統(tǒng)提供強大的拉力，可以完成運動件（重力錨）的定向位移，在設計位移范圍內(nèi)，通過壓力傳感器和激光位移傳感器，精確得出每一時刻的拉力與移動距離的關(guān)系曲線。同時通過線激光傳感器，精確測量每一時刻運動件（重力錨）不同位置動態(tài)起伏位移值。運動件（重力錨）拉力最大值0.7 t。圖10是模擬重力錨在海底被拖拉的過程，該圖采用了高清晰攝像頭，拍攝試驗過程中運動件（重力錨）的運動軌跡，用于分析各個時刻的相關(guān)數(shù)據(jù)，如：重力錨在位移過程中對土體的作用力，及重力錨在位移過程中的起伏量，對土體的作用深度，等等。

圖3 液壓及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

圖4 點激光位移傳感器

圖5 線激光位移傳感器

圖6 重力錨模型

圖7 不同底面結(jié)構(gòu)的重力錨模型

圖8 高清攝像系統(tǒng)

圖9 試驗安裝圖

圖10 模擬重力錨在海底被拖拉過程

試驗測量數(shù)據(jù)可在同一時刻得到運動件（重力錨）移動距離、拉力值、運動起伏位移值和起伏軌跡變化值。圖11是通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的曲線圖。本試驗數(shù)據(jù)合理，滿足了海底的工況要求，得到了合理的結(jié)論。

圖11 采集到的數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

本文通過一個深海拖拉重力錨的試驗案例，介紹了液壓系統(tǒng)在離心機重力場下提供大荷載力的原理及使用方式。缸體做功方向與加速度方向相反，液壓系統(tǒng)在離心機加速度15g時穩(wěn)定運行，液壓系統(tǒng)提供拉力，使運動件（重力錨）移動至設定位置。

本文介紹的液壓系統(tǒng)提供了用于離心機試驗平臺的測試系統(tǒng)，包括：供壓分系統(tǒng)，該供壓分系統(tǒng)包括液壓泵、交流電源、電磁閥、壓力傳感器、通壓油管及液控單向閥；量測分系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括壓力室、支架、位移傳感器、連桿、內(nèi)部活塞、測頭、孔隙水壓力傳感器及土壓力傳感器；采集控制分系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括傳感器連接線、采集箱、計算機及液控單向閥控制開關(guān)；壓力室與通壓油管連接，采集箱通過傳感器連接線分別與壓力傳感器、位移傳感器及孔隙水壓力傳感器連接，液控單項閥控制開關(guān)與電磁閥連接。提高了測試效率及測試能力，擴大了應用范圍及深度測試范圍，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設計，降低了制造成本，增強了實用性。

重力場下缸體的做功方向及安裝位置角度的不同，直接關(guān)系到液壓系統(tǒng)能否正常工作，同時設備輔助件也會對液壓系統(tǒng)產(chǎn)生諸多影響，各種試驗工況要求不同，穩(wěn)定控制、移動時間控制、位置控制和壓力測試，均對液壓系統(tǒng)的配置與使用提出了很高的要求，安裝調(diào)試工作量占到了試驗總體工作量70%以上。液壓系統(tǒng)工作狀態(tài)和穩(wěn)定性直接關(guān)乎試驗的成敗。

通過試驗案例可以看到，液壓系統(tǒng)應用在離心機試驗中，有其突出的特點，表現(xiàn)在：（1）可提供強大的做功動力，通常離心機的測試設備大多由電機提供動力，受試驗平臺體積安裝位置限制、滑環(huán)容量限制等諸多不變，當工程試驗中需要大功率動作時，難以完成，因此液壓系統(tǒng)是很好的選擇；（2）液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟，輔助件種類豐富，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］ 陳祖煜，汪小剛，邢義川，等.邊坡穩(wěn)定分析最大原理的理論分析和試驗驗證［J］.巖土工程學報，2005，27（5）：495-499.

［5］ 徐澤平，侯瑜京，梁建輝.深覆蓋層上混凝土面板堆石壩的離心模型試驗研究［J］.巖土工程學報，2010，32（9）：1323-1328.

［6］ 侯瑜京，韓連兵，梁建輝.深水港碼頭圍堤和群樁結(jié)構(gòu)的離心模型試驗［J］.巖土工程學報，2004，26（5）：594-600.

［7］ 王秋生，陳祖煜，隋海濱，等.離心機模擬中滲流相似率的試驗驗證［J］.巖土工程學報，2011，33（8）：1235-1239.

［8］ 牛起飛，侯瑜京，梁建輝，等.壩肩變坡引起心墻裂縫和水力劈裂的離心模型試驗研究［J］.巖土工程學報，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

（責任編輯：王成麗）

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

梁建輝（1961-），男，北京人，高級工程師，主要從事離心機試驗研究。E-mail：liangjh@iwhr.com