長(zhǎng)江科學(xué)院土工離心機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展

程永輝，李青云，饒錫保，劉 鳴

（長(zhǎng)江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

長(zhǎng)江科學(xué)院土工離心機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展

程永輝，李青云，饒錫保，劉 鳴

（長(zhǎng)江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

土工離心機(jī)是研究復(fù)雜巖土工程問(wèn)題的大型專用設(shè)備，長(zhǎng)江科學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱長(zhǎng)科院）早在20世紀(jì)80年代建成了當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)最大的總?cè)萘?00 g-t、有效容量180 g-t的土工離心機(jī)，為我國(guó)離心機(jī)研制和離心模型試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。簡(jiǎn)要總結(jié)了國(guó)內(nèi)外土工離心機(jī)的發(fā)展歷史，介紹了長(zhǎng)科院第一代土工離心機(jī)的研制過(guò)程和意義，回顧了第一代離心機(jī)所開(kāi)展的重要研究工作及所取得的成果；詳細(xì)敘述了長(zhǎng)科院第二代土工離心機(jī)的研制過(guò)程和性能。在此基礎(chǔ)上，對(duì)近期完成的幾個(gè)離心模型試驗(yàn)成果進(jìn)行介紹，并通過(guò)多項(xiàng)試驗(yàn)研究驗(yàn)證了試驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性。

土工離心機(jī)；升級(jí)改造；離心模型試驗(yàn)

1 土工離心機(jī)發(fā)展概況

在對(duì)許多復(fù)雜工程問(wèn)題的科學(xué)研究中，常常需要使用小比尺的物理模型去揭示和分析現(xiàn)象的本質(zhì)和機(jī)理，以驗(yàn)證理論和解決工程實(shí)際問(wèn)題。在巖土工程中，自重是主要荷載，巖土體內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)主要由自重引起的，且?guī)r土體屬非線性材料，若采用常規(guī)的小比尺的物理模型試驗(yàn)，由于應(yīng)力水平大大降低，從而導(dǎo)致結(jié)果失真，必須在模型試驗(yàn)中增大巖土體的自重應(yīng)力，才能真正達(dá)到試驗(yàn)的目的。土工離心模型試驗(yàn)是解決此問(wèn)題的有效方法［1，2］，即將模型置于特制的離心機(jī)中旋轉(zhuǎn)，使得1／n縮尺的模型試驗(yàn)在離心慣性力ng的空間中進(jìn)行；由于慣性力與重力絕對(duì)等效，且加速度不會(huì)改變工程材料的性質(zhì)，使得模型與原型應(yīng)力、應(yīng)變相等，變形相似，破壞機(jī)理相同。

由于能夠模擬原型巖土結(jié)構(gòu)中起決定作用的自重應(yīng)力，離心機(jī)模擬技術(shù)成為巖土力學(xué)與巖土工程研究中不可缺少的試驗(yàn)手段；近年來(lái)離心機(jī)及試驗(yàn)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外獲得了極大的發(fā)展，并已逐步成為巖土學(xué)科領(lǐng)域研究水平的重要標(biāo)志。

1.1 國(guó)外發(fā)展概況

1869年，法國(guó)人Phillips在進(jìn)行橫跨英吉利海峽的鋼大橋研究時(shí)，首次提出用離心機(jī)做模型試驗(yàn)的設(shè)想，并明確提出了離心機(jī)設(shè)計(jì)的一般原理［1］。

60年后，美國(guó)Bucky（1931）在半徑0.5 m的離心機(jī)上研究了煤礦坑頂?shù)姆€(wěn)定問(wèn)題；同期，蘇聯(lián)Pokrovskii和Dovidenkov（1932）研究了土坡穩(wěn)定問(wèn)題，并在首界國(guó)際土力學(xué)與基礎(chǔ)工程學(xué)會(huì)上公開(kāi)了研究成果，標(biāo)志著離心模型試驗(yàn)技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域。

20世紀(jì)30年代至60年代，前蘇聯(lián)土工離心機(jī)快速發(fā)展，建造了20余臺(tái)離心機(jī)，最大容量達(dá)到了750 g-t。60年代后期，英國(guó)、美國(guó)、日本、法國(guó)、德國(guó)、丹麥、意大利、荷蘭等國(guó)相繼開(kāi)始建造土工離心機(jī)，如英國(guó)劍橋大學(xué)、美國(guó)國(guó)家土工離心模型試驗(yàn)中心、日本港灣研究所、意大利ISMES、荷蘭Delft巖土研究所等，這些代表性離心機(jī)的建設(shè)和使用，使得離心模擬試驗(yàn)理論和技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。80年代以后，土工離心模型試驗(yàn)有了進(jìn)一步發(fā)展，不同程度地采用了現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)制造工藝及試驗(yàn)監(jiān)測(cè)方法，美國(guó)、歐洲、日本、新加坡、印度等國(guó)家陸續(xù)建造了一些新型的離心機(jī)，部分離心機(jī)向大容量方向發(fā)展，以滿足研究高土石壩、高應(yīng)力等重型結(jié)構(gòu)工程問(wèn)題的需要。但目前更多的研究者認(rèn)為離心機(jī)具有較大的吊籃容積，合適的加速度值（如150～250 g），更具有優(yōu)越性。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展概況［3-5］

國(guó)內(nèi)土工離心機(jī)的發(fā)展大致可分為3個(gè)階段：（1）第一階段（20世紀(jì)80年代），以長(zhǎng)江科學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱長(zhǎng)科院）離心機(jī)為代表。

中國(guó)早在50年代就著手進(jìn)行離心機(jī)建造的研究，但受各種原因影響，一直沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。20世紀(jì)80年代初，長(zhǎng)科院建成當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)最大的一臺(tái)總?cè)萘?00 g-t的專用離心機(jī)，為中國(guó)土工離心機(jī)試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新奠定了重要的基礎(chǔ)。期間，還有部分單位建造了容量20 g-t至100 g-t的中小型土工離心機(jī)。

（2）第二階段（20世紀(jì)90年代），以中國(guó)水科院和南科院大型土工離心機(jī)為代表。

在國(guó)家“七五”科技攻關(guān)期間，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院建造了一臺(tái)有效容量450 g-t的大型土工離心機(jī)，1991正式投入運(yùn)用；南京水利科學(xué)研究院也同時(shí)建造了一臺(tái)有效容量400 g-t的大型土工離心機(jī)；清華大學(xué)水利水電工程系1993年建成一臺(tái)50 g-t土工離心機(jī)；這些離心機(jī)為我國(guó)開(kāi)展大型水利工程建設(shè)的技術(shù)攻關(guān)提供了有效的手段。

（3）第三階段（2000年以來(lái)），以香港科技大學(xué)離心機(jī)為代表。

香港科技大學(xué)于2002年建成了代表現(xiàn)代化發(fā)展水平的400 g-t大型土工離心機(jī)，配備有雙向振動(dòng)臺(tái)、四組機(jī)械手、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集及處理功能。

近幾年，我國(guó)離心機(jī)發(fā)展迅速，離心機(jī)性能也正向高、精、尖和多功能方向發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，已建或在建土工離心機(jī)21臺(tái)，分布在水利科研機(jī)構(gòu)、高等院校等，這些離心機(jī)的建設(shè)必將為推動(dòng)離心模型試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展和巖土工程科技進(jìn)步發(fā)揮重要作用。

2 長(zhǎng)科院第一代土工離心機(jī)的研制及應(yīng)用

2.1 研制過(guò)程及意義

受前蘇聯(lián)的影響，長(zhǎng)科院曾在1957年就提出要建立一座大型的水利工程綜合應(yīng)用的離心機(jī)，并在1958年完成圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，但未進(jìn)行加工。由于丹江口工程的需要，制造了一臺(tái)直徑為2.3 m的小型離心機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，完成了科研生產(chǎn)任務(wù)，也為大型離心機(jī)的制造提供了經(jīng)驗(yàn)。

70年代后期，長(zhǎng)科院開(kāi)始著手建造大型土工離心機(jī)，攻克了當(dāng)時(shí)存在的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和高速運(yùn)動(dòng)圖像遙視等難題，解決了散熱和抗震等問(wèn)題，但在機(jī)械中的螺旋傘齒輪制造方面遇到困難。后在林一山主任的幫助下，由天津第一機(jī)床廠完成了大型傘齒輪的制造，從而使得國(guó)內(nèi)第一臺(tái)大型土工離心機(jī)在長(zhǎng)科院建成，并于1983年投入運(yùn)行，為中國(guó)土工離心機(jī)試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新奠定了重要的基礎(chǔ)［6，7］。

2.2 離心機(jī)性能

長(zhǎng)科院第一代土工離心機(jī)最大加速度為300 g，轉(zhuǎn)斗最大容許重量1 000 kg（含轉(zhuǎn)斗自重），總?cè)萘?00 g-t，有效容量為180 g-t。離心機(jī)轉(zhuǎn)臂總長(zhǎng)6 m，有效半徑3 m，加上轉(zhuǎn)斗長(zhǎng)度，離心機(jī)半徑為4.42 m；直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)率410 kW；模型箱尺寸為700 mm×700 mm×820 mm，長(zhǎng)度方向可延伸至1 100 mm；連續(xù)運(yùn)行時(shí)間可達(dá)36 h以上，可開(kāi)展土工和結(jié)構(gòu)方面的離心模型試驗(yàn)研究。如圖1所示。

圖1 長(zhǎng)科院第一代土工離心機(jī)Fig.1 The first generation geotechnical centrifuge in CRSRI

2.3 巖土工程研究中的應(yīng)用

長(zhǎng)科院第一代土工離心機(jī)自1983年底投入使用，至2002年運(yùn)行近20年，期間完成了大量的開(kāi)創(chuàng)性試驗(yàn)研究成果，為工程建設(shè)和科技進(jìn)步發(fā)揮了重要作用，以下簡(jiǎn)要敘述部分代表性成果。

2.3.1 土石壩工程

李鳳鳴、饒錫保等（1990）以250倍的模型率開(kāi)展了6組離心模型試驗(yàn)，研究了小浪底斜墻堆石壩的上游壩體穩(wěn)定性和防滲墻的應(yīng)力應(yīng)變性狀，為工程設(shè)計(jì)和計(jì)算提供了依據(jù)［8］。

李玫、龔壁衛(wèi)等（1990）針對(duì)三峽二期圍堰水下拋填風(fēng)化砂密度無(wú)法確定的問(wèn)題，開(kāi)展了8組離心模型試驗(yàn)，獲得了水下拋填風(fēng)化砂密度在1.68～1.85 g／cm3范圍內(nèi)變化的成果，解決了困擾工程設(shè)計(jì)的技術(shù)難題［9］。

饒錫保（1990）系統(tǒng)總結(jié)分析了土石壩離心模型試驗(yàn)方法，并結(jié)合葛洲壩上游圍堰的試驗(yàn)結(jié)果，開(kāi)展了三峽二期深水土石圍堰低墻和高墻方案的離心模型試驗(yàn)研究，論證了方案的優(yōu)劣，并與數(shù)值計(jì)算成果對(duì)比分析，為工程設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了依據(jù)［10］。

2.3.2 粱柱式石油平臺(tái)

粱柱式海洋平臺(tái)是一種新型平臺(tái)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作機(jī)理不清，粱、柱分擔(dān)荷載以及與土的相互作用情況不明確，給設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的困難。李玫、包承綱（1995）在長(zhǎng)科院離心機(jī)上開(kāi)展了梁柱式海洋平臺(tái)基礎(chǔ)與土相互作用的離心模型試驗(yàn)研究，由試驗(yàn)測(cè)出了平臺(tái)柱底、粱底土反力及柱側(cè)摩阻力的大小和分布規(guī)律，得出了柱底、粱底及柱的土反力的荷載分擔(dān)比例。從而揭示了平臺(tái)土荷載傳遞的途徑，分析了影響平臺(tái)工作性能的主要因素及其彼此關(guān)系，為平臺(tái)的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)［11］。

2.3.3 格形鋼板樁碼頭

格形鋼板樁結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點(diǎn)，但其設(shè)計(jì)和施工比較復(fù)雜，其技術(shù)在國(guó)內(nèi)外均不成熟。饒錫保，程展林等（1997）進(jìn)行了8組離心模型試驗(yàn)，揭示了鋼板樁格體與格倉(cāng)內(nèi)外填料的相互作用的工作機(jī)理，為數(shù)值分析提供了良好的基礎(chǔ)，為建立格形鋼板樁碼頭側(cè)向變形計(jì)算方法提供了依據(jù)［12，13］。

2.3.4 軟基處理

軟土地基是工程建設(shè)中經(jīng)常遇到的地質(zhì)條件，因軟土具有高含水量、高壓縮性和低強(qiáng)度的特點(diǎn)，此類地區(qū)的地基處理往往是制約工程建設(shè)的關(guān)鍵問(wèn)題。由于離心模型試驗(yàn)的時(shí)間縮尺效應(yīng)，在模擬軟基方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。長(zhǎng)科院針對(duì)廣佛、岱黃、宜黃、黃黃及武漢繞城公路等開(kāi)展了大量的離心模型試驗(yàn)研究，優(yōu)化了地基處理方案，掌握了軟土段穩(wěn)定和沉降規(guī)律，提出了簡(jiǎn)化的分析模式和施工期穩(wěn)定的控制參數(shù)、方法，解決了工程問(wèn)題并節(jié)省了大量投資［14］。

2.3.5 邊坡及護(hù)岸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

擋板式護(hù)岸在河道治理工程具有挖方少、結(jié)構(gòu)輕、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，但其受力狀態(tài)和穩(wěn)定性計(jì)算尚不清晰。高大水（1990年）結(jié)合太湖流域的實(shí)際情況，開(kāi)展了離心模型試驗(yàn)研究，并獲得了結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和岸坡的破壞機(jī)理，為該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供了理論支撐［15］。

林開(kāi)球、包承綱（1990）根據(jù)非粘性土加筋陡坡破壞面是沿著自然休止角的直線的離心模型試驗(yàn)成果，利用極限平衡方法進(jìn)行了推導(dǎo)，提出了等長(zhǎng)度、不等間距、不同材料加筋陡坡新的設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)離心模型試驗(yàn)驗(yàn)證了方法的正確性和合理性，對(duì)工程優(yōu)化設(shè)計(jì)有重要的參考意義［16］。

2.3.6 攔淤堤穩(wěn)定

吹填土初始強(qiáng)度很低，如何在吹填土上筑堤是困擾工程建設(shè)者的一個(gè)難題。針對(duì)寧波東錢湖湖心島堆筑工程，丁金華、包承綱（1999）在長(zhǎng)科院的離心機(jī)上開(kāi)展了吹填土上筑堤的模型試驗(yàn)研究，論證了吹填土上筑堤的可行性和方法，為工程設(shè)計(jì)和施工提供了依據(jù)［17］。

除以上所提的方面外，在長(zhǎng)江黃臘石滑坡、煤層開(kāi)采引起地面沉降機(jī)理、尾礦壩加高、土釘加固機(jī)理［18］等方面也開(kāi)展了研究工作，并取得了較好的成果。

長(zhǎng)科院第一代土工離心機(jī)在經(jīng)過(guò)近20年的運(yùn)行后，控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等均已超過(guò)期限，于2002年停止運(yùn)行。

3 長(zhǎng)科院第二代土工離心機(jī)研制

3.1 升級(jí)改造論證

3.1.1 目 標(biāo)

為了滿足科研生產(chǎn)的需要，通過(guò)升級(jí)改造，恢復(fù)原有離心機(jī)功能，在此基礎(chǔ)上改造建設(shè)一套現(xiàn)代化多功能土工離心機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)；重點(diǎn)在模型安裝、電器控制、數(shù)據(jù)采集、輔助試驗(yàn)系統(tǒng)等方面達(dá)到較高的自動(dòng)化水平；升級(jí)改造過(guò)程中，充分考慮系統(tǒng)的擴(kuò)展功能，預(yù)留接口。

3.1.2 升級(jí)改造方案及選擇

根據(jù)長(zhǎng)科院原有離心機(jī)的條件，即機(jī)械系統(tǒng)尚完好，電器元件等老化，制定了2個(gè)方案：

方案一：原有離心機(jī)上直接進(jìn)行升級(jí)改造，保留原有機(jī)械系統(tǒng)部分，對(duì)電器系統(tǒng)進(jìn)行更換，對(duì)試驗(yàn)室進(jìn)行改造；

方案二：進(jìn)行異地升級(jí)改造，將原有離心機(jī)進(jìn)行拆除，并盡可能利用其部件，新建試驗(yàn)室。

由于原有離心機(jī)試驗(yàn)室位置不符合武漢市規(guī)劃要求，同時(shí)，試驗(yàn)室基本屬于危房，最終選擇了異地升級(jí)改造方案。試驗(yàn)系統(tǒng)總體布局如圖2所示，自2006年起，經(jīng)過(guò)了3年的研究、生產(chǎn)制造和調(diào)試，至2008年底，第二代土工離心機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)已完成研制，并具備了開(kāi)展試驗(yàn)研究的條件。

3.2 離心機(jī)性能及特色

3.2.1 主機(jī)系統(tǒng)

主機(jī)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分為3層，如圖2所示。底層為傳動(dòng)系統(tǒng)、稀油站及旋轉(zhuǎn)接頭；中層為轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)；上層為上儀器倉(cāng)。傳動(dòng)系統(tǒng)為400kW直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)鼓型齒式聯(lián)軸器為轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力。轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)如圖3所示，為解決不平衡力檢測(cè)問(wèn)題，在拉力梁上對(duì)稱設(shè)置4組力傳感器，實(shí)現(xiàn)不平衡力檢測(cè)；為保證轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)兩端平衡，在轉(zhuǎn)臂的配重一端設(shè)置平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如圖4所示；為滿足試驗(yàn)需要，系統(tǒng)在模型吊籃一側(cè)，設(shè)置供油、供氣通道各2路，供水1路，回水、回油各1路，并通過(guò)快換接頭連接，以方便試驗(yàn)時(shí)的安裝；設(shè)置了40通道靜態(tài)采集端口，預(yù)留60通道動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集端口，模型監(jiān)測(cè)探頭信號(hào)可通過(guò)航空插頭接至監(jiān)控室，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集；模型吊籃為開(kāi)敞式，為模型裝配提供了便利條件。上儀器倉(cāng)內(nèi)為光電滑環(huán)系統(tǒng)，各路信號(hào)通過(guò)滑環(huán)傳至監(jiān)控室，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集。

長(zhǎng)科院第二代土工離心機(jī)主機(jī)系統(tǒng)在以下幾個(gè)方面具有較好的性能：

（1）離心機(jī)有效半徑3.75 m，最大加速度200 g，容量為200 g-t，比較符合現(xiàn)代土工離心機(jī)的設(shè)計(jì)要求，在一定程度可減少離心機(jī)的固有誤差。

（2）配置了高清照相系統(tǒng)，可以從旋轉(zhuǎn)室頂部對(duì)運(yùn)行中的模型進(jìn)行拍照，照片非常清晰且基本沒(méi)有畸變，可以通過(guò)照片數(shù)字化處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中變形監(jiān)測(cè)。

（3）主機(jī)安全控制性能較高，在底層傳動(dòng)部位、中層轉(zhuǎn)動(dòng)部位、上層儀器倉(cāng)和監(jiān)控室均設(shè)置了急停按紐，緊急情況按下后，主機(jī)自動(dòng)停止；各組成系統(tǒng)、機(jī)室門等設(shè)置了安全聯(lián)鎖，任何部位出現(xiàn)異常或機(jī)室門打開(kāi)的情況下，主機(jī)均不能運(yùn)轉(zhuǎn)，保障了設(shè)備和操作人員的安全。

3.2.2 附屬設(shè)備

為滿足水利巖土工程科研工作的需要，專門設(shè)計(jì)制造了以下附屬設(shè)備系統(tǒng)。

（1）機(jī)械手系統(tǒng)：在70 g條件下工作，可實(shí)現(xiàn)x，y，z三軸任意點(diǎn)定位，行程范圍為30 cm×50 cm× 40 cm，移動(dòng)速度為20 mm／s，具有通用安裝接口，可模擬加荷、壓撥樁、開(kāi)挖等多種復(fù)雜巖土工程問(wèn)題，如圖5所示。

圖2 長(zhǎng)科院第二代離心機(jī)建設(shè)方案Fig.2 Construction scheme of the second generation geotechnical centrifuge in CRSRI

圖3 轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)Fig.3 Rotation system of the second generation geotechnical centrifuge in CRSRI

圖4 長(zhǎng)科院第二代離心機(jī)動(dòng)平衡系統(tǒng)Fig.4 Dynam ic balance system of the second generation geotechnical centrifuge in CRSRI

圖5 離心機(jī)機(jī)械手系統(tǒng)Fig.5 Manipulator system of geotechnical centrifuge

（2）蓄水與疏干模擬系統(tǒng)：可模擬渠道、大壩、堤防邊坡等的蓄水和疏干過(guò)程，可在模型箱內(nèi)注水、排水，能夠進(jìn)行水位高度控制和注、排水流量手動(dòng)控制。

（3）降雨與蒸發(fā)模擬系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)了自然界降雨和蒸發(fā)過(guò)程的連續(xù)模擬；通過(guò)霧化技術(shù)，將水轉(zhuǎn)化為細(xì)水顆粒，可對(duì)降雨量和水的沖刷作用進(jìn)行模擬；通過(guò)紅外加溫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了蒸發(fā)過(guò)程模擬。

（4）填筑過(guò)程模擬系統(tǒng)：可在100 g條件下進(jìn)行散粒體的拋填和填筑過(guò)程模擬，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制填筑形成任意形狀斷面，如圖6所示。

圖6 填筑過(guò)程模擬系統(tǒng)Fig.6 System of simulating the filling process

4 近期研究成果及應(yīng)用評(píng)價(jià)

脹土體產(chǎn)生膨脹變形，由膨脹變形引起的應(yīng)力重分布，進(jìn)而產(chǎn)生的順坡向剪應(yīng)力，對(duì)邊坡穩(wěn)定性起著控制作用；由此對(duì)完整均勻的膨脹土邊坡（不存在原生裂隙），提出了失穩(wěn)模式為“膨脹作用下的邊坡滑動(dòng)”的理論。

4.1 塊體理論非連續(xù)變形方法的離心模型驗(yàn)證

塊體理論是由石根華在上世紀(jì)80年代初期提出的，隨后他又建立了非連續(xù)變形分析方法，簡(jiǎn)稱DDA。由于DDA可以在計(jì)算中通過(guò)調(diào)整重力加速度的取值，實(shí)現(xiàn)同離心模型試驗(yàn)原理相同的計(jì)算分析，稱之為DDA數(shù)值離心模型試驗(yàn)［19］。為驗(yàn)證DDA對(duì)塊體邊坡穩(wěn)定計(jì)算的合理性，以烏江銀盤工程右壩肩開(kāi)挖巖質(zhì)邊坡為研究對(duì)象，開(kāi)展了塊體邊坡穩(wěn)定離心模型試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D7所示。研究表明，離心模型試驗(yàn)結(jié)果與DDA數(shù)值計(jì)算成果較為一致，印證了DDA計(jì)算方法的正確性。

4.2 降雨對(duì)膨脹土邊坡穩(wěn)定性的影響

膨脹土問(wèn)題是工程地質(zhì)領(lǐng)域的世界級(jí)難題，以往普遍認(rèn)為膨脹土邊坡失穩(wěn)是由于干濕循環(huán)作用引起的；但工程實(shí)際情況表明，即使新開(kāi)挖的邊坡，在一次降雨后即可產(chǎn)生滑坡，另外，干濕循環(huán)引起的強(qiáng)度衰減作用有限，并不足以引起滑坡；為查明膨脹土滑坡的機(jī)理，開(kāi)展了降雨條件下膨脹土邊坡穩(wěn)定的離心模型試驗(yàn)研究，第一次真正意義上實(shí)現(xiàn)了離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中膨脹土邊坡的降雨模擬［20］。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D8所示，降雨引起的滑坡見(jiàn)圖9。研究表明：降雨引起土體含水量變化，一定程度上降低了土體強(qiáng)度，但不足以引起邊坡失穩(wěn)；降雨導(dǎo)致膨

圖7 巖石塊體邊坡模型Fig.7 M odel of rock block slope

圖8 膨脹土邊坡模型示意圖Fig.8 Sketch map of expansive soil slopemodel

4.3 離心機(jī)應(yīng)用評(píng)價(jià)

除以上研究成果外，近期還開(kāi)展了散粒體水下拋填密度、山體跨塌機(jī)理、樁基承載力屈服面特性、黃土滑坡機(jī)理、船閘結(jié)構(gòu)安全性狀等研究工作，取得了一批有新意的成果，并驗(yàn)證了設(shè)備的性能。研究表明，長(zhǎng)科院第二代土工離心機(jī)運(yùn)行情況良好，加速度控制精確，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制或手動(dòng)控制；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集正常，精度滿足試驗(yàn)要求；可實(shí)現(xiàn)各類復(fù)雜巖土工程問(wèn)題的模擬。

5 結(jié) 語(yǔ)

土工離心機(jī)是研究復(fù)雜巖土工程問(wèn)題的大型專用設(shè)備。長(zhǎng)江科學(xué)院早在20世紀(jì)80年代即建成了當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)最大的總?cè)萘?00 g-t、有效容量為180 g-t的土工離心機(jī)，為我國(guó)離心機(jī)研制和離心模型試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展奠定了重要的基礎(chǔ)。為三峽、小浪底、南水北調(diào)工程等重大科研項(xiàng)目的完成發(fā)揮了重要作用。長(zhǎng)科院第二代土工離心機(jī)是在第一代的基礎(chǔ)上，充分利用現(xiàn)有的制造和自動(dòng)化技術(shù)，建成的現(xiàn)代多功能土工離心機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)；該設(shè)備為本院乃至中南地區(qū)巖土工程問(wèn)題的解決和科研水平的提高提供了研究平臺(tái)，也將為技術(shù)骨干和研究生的培養(yǎng)發(fā)揮重要作用。

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［20］程永輝，程展林，張?jiān)?降雨條件下膨脹土邊坡失穩(wěn)機(jī)理的離心模型試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2011，33（增刊1）：409-414.（CHENG Yong-hui，CHENG Zhan-lin，ZHANG Yuan-bin.Centrifugal Model Tests on Expansive Soil Slope under Rainfall［J］.Journal of Geotechnical Engineering，2011，33（Sup.1）：409-414.（in Chinese））

（編輯：周曉雁）

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

國(guó)家“十一五”科技支撐課題（2006BAB04A10，2008BAB29B02）；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（CKSF2010015）。

程永輝（1977-），男，山東博興人，高級(jí)工程師，主要從事環(huán)境巖土工程及離心模型試驗(yàn)技術(shù)方面的研究，（電話）027-82827141（電子信箱）chengyh＠m(xù)ail.crsri.cn。