土工鼓式離心機(jī)研發(fā)及在海底滑坡研究中的應(yīng)用

李家鋼，王忠濤，徐 博，3，欒茂田

(1.中海油研究總院，北京 100081;2.大連理工大學(xué)a.土木工程學(xué)院巖土工程研究所;b.海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024;3.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007)

1 研究背景

1869年，法國(guó)工程師E.Phillips首次提出了土工離心模型試驗(yàn)的理念［1］。該方法借助高速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)，將小尺寸的土工模型置于大于重力加速度的離心場(chǎng)內(nèi)，補(bǔ)償因模型縮尺引起的自重?fù)p失，為模型提供一個(gè)與原型應(yīng)力水平相同的應(yīng)力場(chǎng)，從而在模型中再現(xiàn)原型的性狀［2－3］。

自1931年世界上第一臺(tái)土工離心機(jī)誕生以來(lái)，離心模型試驗(yàn)作為一種行之有效的物理模擬手段，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于巖土工程的各個(gè)研究領(lǐng)域。具體可歸納為:①工作機(jī)理及破壞機(jī)制研究;②設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證及參數(shù)研究;③數(shù)學(xué)模型及數(shù)值計(jì)算方法驗(yàn)證［4］。作為離心模型試驗(yàn)的重要設(shè)備，土工離心機(jī)分為臂式離心機(jī)和鼓式離心機(jī)，世界上現(xiàn)有的土工臂式離心機(jī)超過(guò)200臺(tái)，而鼓式離心機(jī)不足10臺(tái)。

面對(duì)國(guó)內(nèi)鼓式離心機(jī)的設(shè)備空白，為暢通從土工試驗(yàn)、理論分析、數(shù)值計(jì)算到模型試驗(yàn)驗(yàn)證的完整研究通道，搭建相對(duì)完善的海洋環(huán)境荷載條件下海洋土的靜－動(dòng)力特性試驗(yàn)研究技術(shù)平臺(tái)，在教育部第4次國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備更新改造項(xiàng)目和“985”3期學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目的支持下，大連理工大學(xué)與英國(guó)Broadbent公司達(dá)成合作研發(fā)協(xié)議，于2009年成功研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)大型土工鼓式離心機(jī)GT450/1.4，如圖1所示。

圖1 大連理工大學(xué)土工鼓式離心機(jī)GT450/1.4Fig.1 Geotechnical drum centrifuge GT450/1.4 at DUT

2 設(shè)備工作原理及性能優(yōu)勢(shì)

鼓式離心機(jī)由英國(guó)劍橋大學(xué)Schofield教授在1978年首次提出設(shè)計(jì)方案［5－6］，鼓式離心機(jī)通過(guò)大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)環(huán)形模型槽高速旋轉(zhuǎn)，提供N倍于重力加速度g的離心加速度，其模型率為

式中:N為離心加速度相對(duì)重力加速度的比值，無(wú)量綱;n為離心機(jī)轉(zhuǎn)速(RPM);r為模型重心對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)半徑(m);g=9.81 m/s2，為重力加速度。將一個(gè)與原型比尺為1∶N的模型置于由離心機(jī)提供的離心加速度為N倍于重力加速度g的環(huán)境中，則模型的應(yīng)力和應(yīng)變可按式(2)和(3)進(jìn)行計(jì)算:

式中:L為原型的長(zhǎng)度;B為原型的寬度;M為原型的質(zhì)量。式中右側(cè)對(duì)應(yīng)原型中的應(yīng)力和應(yīng)變，因此離心模型試驗(yàn)可以獲得與原型完全一致的應(yīng)力、應(yīng)變水平，N即為模型率。

相比臂式離心機(jī)，鼓式離心機(jī)旋轉(zhuǎn)半徑較小，但旋轉(zhuǎn)速度更快，可提供更高的離心加速度，在環(huán)向上可模擬更大的原型尺寸，因而具有不可替代的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具體體現(xiàn)在:①便于消除邊界效應(yīng)，適合深入開(kāi)展海底管線、深?；?、海上機(jī)場(chǎng)跑道等長(zhǎng)、大線性結(jié)構(gòu)物在波浪等非常規(guī)環(huán)境荷載作用下的靜、動(dòng)力響應(yīng)研究;②環(huán)形裝樣保證了同一深度處土層平面的離心加速度相同;③環(huán)形模型槽始終保持水平整體旋轉(zhuǎn)，避免模型箱受1 g重力產(chǎn)生的豎向偏移;④整體剛度高，能夠承受較大不平衡力矩，配重簡(jiǎn)便;⑤中央操控平臺(tái)可相對(duì)環(huán)形模型槽實(shí)現(xiàn)自由、精確的相對(duì)旋轉(zhuǎn)，配合視頻監(jiān)視系統(tǒng)，可在保持試樣高加速度旋轉(zhuǎn)、不更換土樣的前提下，借助作動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行多組對(duì)比試驗(yàn)，避免多次重塑土樣形成的試驗(yàn)誤差。同時(shí)在整體試驗(yàn)的不同時(shí)段，可獨(dú)立升降中央操控平臺(tái)，更換T-bar、SCPT等裝置進(jìn)行原位強(qiáng)度測(cè)試，保證試驗(yàn)進(jìn)程的高度連續(xù);⑥易于安裝造波機(jī)和消能裝置，實(shí)現(xiàn)無(wú)反射造波，進(jìn)而研究海床液化及結(jié)構(gòu)物－波浪－海洋地基的流固耦合問(wèn)題。

與劍橋大學(xué)和西澳大利亞大學(xué)現(xiàn)有的同類設(shè)備相比，大連理工大學(xué)土工鼓式離心機(jī)GT450/1.4的優(yōu)勢(shì)在于:①具備更大尺寸的環(huán)形裝樣槽，利于更為合理地布置物理模型和安裝各類傳感器;②通過(guò)操控虹吸管可在mm精度控制裝樣槽內(nèi)水位，同時(shí)可在5 min內(nèi)迅速完成全槽的進(jìn)水或排水，更利于海床動(dòng)力學(xué)的研究;③設(shè)備整體剛度更高，能夠克服更大的不平衡力，可以施加更大幅值的靜、動(dòng)力荷載。

3 設(shè)備組成及特點(diǎn)

土工鼓式離心機(jī)GT450/1.4主要包括機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、作動(dòng)器及專用配套裝置。設(shè)備整體安裝于實(shí)驗(yàn)室的地下鋼筋混凝土防護(hù)外罩內(nèi)，配備工業(yè)空調(diào)系統(tǒng)維持試驗(yàn)期間的恒定溫度及冷卻離心機(jī)各機(jī)械部件。

3.1 機(jī)械系統(tǒng)

機(jī)械系統(tǒng)由轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)(鼓槽、中軸)、傳動(dòng)系統(tǒng)(電機(jī)、齒牙履帶等)、操控平臺(tái)等組成，如圖1所示。

環(huán)形模型槽直徑1.4 m，寬度0.35 m，徑向深度0.27 m，體積0.335 m3，重1300kg。離心機(jī)最大轉(zhuǎn)速875RPM，總?cè)萘?50 g·t，即滿負(fù)載750 kg時(shí)可提供600 g加速度。全加速度下中軸位置最大允許不平衡力67.1 kN，最大允許力矩8 kg·m，最大允許徑向荷載10 kN。采用環(huán)形全槽裝樣，以875RPM速度運(yùn)行，當(dāng)試樣厚度為150 mm時(shí)，試樣表面最大加速度為471 g，有效半徑為0.6 m［7］，對(duì)應(yīng)有效加速度514 g，可模擬的原型尺寸長(zhǎng)度1 775 m，寬度179 m，深度77 m。環(huán)形模型槽安裝在高強(qiáng)度碳鋼基架上，為確保運(yùn)行安全，外部安裝有鋼制防護(hù)罩。環(huán)形模型槽上部固定2個(gè)進(jìn)水口，側(cè)壁布置有排水孔，與底部的集水槽相連通。集水槽側(cè)邊安裝有虹吸管，通過(guò)伺服電機(jī)可在mm級(jí)別精確調(diào)整虹吸口的徑向位置，吸出多余水量進(jìn)而控制模型槽內(nèi)的水位。選用大功率電機(jī)調(diào)節(jié)虹吸管吸力確保了模型槽內(nèi)迅速排水的能力。環(huán)形模型槽內(nèi)對(duì)稱布置了多個(gè)螺絲孔位，用于獨(dú)立安裝多套小尺寸模型箱進(jìn)行試驗(yàn)，工作原理與臂式離心機(jī)相同。

土工鼓式離心機(jī)GT450/1.4具有內(nèi)、外2個(gè)獨(dú)立的同心轉(zhuǎn)動(dòng)軸。外軸為空心圓柱體，豎向、徑向荷載分別由推力角接觸球軸承、圓柱滾子軸承承擔(dān)，上端與環(huán)形模型槽相連，下端經(jīng)傳動(dòng)比為1 610∶1的齒輪箱與重500 kg的西門子55 kW四級(jí)異步電機(jī)相連，電機(jī)最大轉(zhuǎn)速1 800 RPM，頻率60 Hz，額定電壓3相400 V。匹配變頻器為丹佛斯PMW 5 000系列，功率55 kW，輸入電壓220 V，輸出電壓0～400 V，輸出頻率0～60 Hz;內(nèi)軸重600 kg，上端與中央操控平臺(tái)相連，底部連接2.2 kW西門子六級(jí)制動(dòng)電機(jī)，電機(jī)最大轉(zhuǎn)速1 200 RPM，電壓3相400 V，頻率50 Hz，制動(dòng)電壓?jiǎn)蜗?30 V，頻率50 Hz，匹配2.2 kW丹佛斯變頻器。離心機(jī)底部安裝剎車離合器，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外轉(zhuǎn)動(dòng)軸的結(jié)合與分離，確保中央操控平臺(tái)可隨時(shí)根據(jù)試驗(yàn)需要停止和重新同步旋轉(zhuǎn)。內(nèi)外轉(zhuǎn)動(dòng)軸之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可進(jìn)一步通過(guò)操控安裝于中軸頂部?jī)?nèi)側(cè)的Parker直流無(wú)刷伺服電機(jī)精密控制。操控程序?yàn)閷Ｓ秒姍C(jī)控制程序EASI-V，精度為3弧秒/步。

中央操控平臺(tái)如圖2所示，直徑0.75 m，全加速度440 g條件下最大允許不平衡力矩為1 kg·m。上端配有1個(gè)光纖旋轉(zhuǎn)接頭和2個(gè)氣環(huán)旋轉(zhuǎn)接頭。平臺(tái)采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可通過(guò)光纖傳輸。氣環(huán)通道最大可承壓力1 MPa，可用于提供正壓或真空負(fù)壓驅(qū)動(dòng)汽缸加載，如模擬吸力式沉箱負(fù)壓沉貫過(guò)程。中央操控平臺(tái)通過(guò)下部中空套管與中軸結(jié)合，借助電動(dòng)升降桿可實(shí)現(xiàn)相對(duì)環(huán)形模型槽的獨(dú)立升降，同時(shí)中空套管上可固定不同形式的作動(dòng)器。

圖2 環(huán)形模型槽及中央操控平臺(tái)Fig.2 Drum and tool table

3.2 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

土工鼓式離心機(jī)GT450/1.4由交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)變頻調(diào)速系統(tǒng)，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、調(diào)速精度高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速反饋、運(yùn)行監(jiān)控等。系統(tǒng)利用PLC控制器，結(jié)合加速度計(jì)、應(yīng)變儀、接近開(kāi)關(guān)、繼電器、逆變器等對(duì)離心機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)控制與監(jiān)視，具備故障報(bào)警和緊急制動(dòng)功能。其中離心機(jī)的開(kāi)啟、停止、調(diào)速、水位控制等均可通過(guò)控制室內(nèi)的觸摸屏便捷實(shí)現(xiàn)。

3.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器、采集板卡、信號(hào)傳輸設(shè)備、數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)等組成。土工離心模型試驗(yàn)的比尺效應(yīng)較高，要求測(cè)試傳感器必須具有強(qiáng)度高、體積小、精度高和響應(yīng)快等特點(diǎn)。土工鼓式離心機(jī)GT450/1.4配備使用的傳感器主要有:Druck/Kulite微型孔隙水壓力傳感器、Solartron接觸式位移傳感器、Oadm非接觸式激光位移傳感器、Novatech力傳感器等。

土工鼓式離心機(jī)GT450/1.4自帶2套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，分別安裝在操控平臺(tái)上和主機(jī)外軸底部。系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)傳輸，由串行接口RS232經(jīng)機(jī)械觸點(diǎn)電滑環(huán)或光纖傳輸至控制室的數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)。接觸式電滑環(huán)，額定電流7.5 A，采集精度16bit。外軸電滑環(huán)共計(jì)36通道，主要滿足環(huán)形模型槽上各類傳感器的供電和信號(hào)傳輸，包括6個(gè)50 MHz帶寬的視頻監(jiān)視信號(hào)通道，2個(gè)專有供電通道，4個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸通道可滿足16個(gè)傳感器同步使用，并提供24個(gè)用戶預(yù)留通道;上部電滑環(huán)的48個(gè)通道主要滿足操控平臺(tái)上傳感器的信號(hào)傳輸和供電，其中預(yù)留用戶通道28個(gè)，另有8個(gè)Parker電機(jī)控制通道。IOTech公司DaqOEM采集器，安裝于環(huán)形模型槽附近，與傳感器的短距離連接確保就近將采集的微弱模擬信號(hào)預(yù)處理為數(shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率5 us，線性誤差±1 bit，最大取樣頻率200 kHz，零點(diǎn)偏移±10 ppm/℃，增益偏移±30 ppm/℃。數(shù)據(jù)處理采用Acqlipse專業(yè)軟件。

對(duì)于動(dòng)力模型試驗(yàn)，如爆破、海底滑坡、波浪誘發(fā)海床液化等，發(fā)生時(shí)間極短(10 ms級(jí)別)，原廠自帶的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在采集頻率、傳輸速度和緩存容量方面不能滿足技術(shù)要求，因此從西澳大利亞大學(xué)COFS研究中心引進(jìn)無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠有效避免數(shù)據(jù)傳輸中機(jī)械摩擦、振動(dòng)及噪音的影響，提高了數(shù)據(jù)采集的精度和可靠性。系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、信號(hào)處理器、無(wú)線路由、數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)等組成。

圖3 信號(hào)處理器Fig.3 Signal conditioner

信號(hào)處理器(如圖3所示)，作為無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心部件，集數(shù)據(jù)的采集、放大、處理等功能于一體，能夠?qū)崿F(xiàn)低頻(10 Hz)、高頻(1 MHz)信號(hào)采集的自動(dòng)觸發(fā)轉(zhuǎn)換。每個(gè)信號(hào)處理器具有1個(gè)供電接口及8個(gè)傳感器接口，每個(gè)接口可一次記錄12.8萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)，采集精度16 bit，信號(hào)增益范圍1～1 000，采用固態(tài)硬盤緩存數(shù)據(jù)。一個(gè)交換機(jī)同時(shí)與多個(gè)處理器相連，每個(gè)處理器具有獨(dú)立IP地址，可通過(guò)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)。采集軟件可使用基于Labview的Daqbox或Dasylab軟件模塊化編程。該無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集系統(tǒng)可在其他環(huán)境中即插即用，進(jìn)行標(biāo)定等相關(guān)工作。

3.4 作動(dòng)器

作動(dòng)器主要提供靜力、動(dòng)力荷載及進(jìn)行土樣表面成型。土工鼓式離心機(jī)GT450/1.4配備2個(gè)作動(dòng)器，如圖4所示。加載幅值分別為10 kN和5 kN，行程分別為150 mm和300 mm，可實(shí)現(xiàn)0.001～10 mm/s的精細(xì)變速調(diào)節(jié)。作動(dòng)器可獨(dú)立地或借助中央操控平臺(tái)與中軸相連，實(shí)現(xiàn)徑向和圓周向二維運(yùn)動(dòng)，徑向運(yùn)動(dòng)由Parker無(wú)刷伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，圓周向運(yùn)動(dòng)可隨同操控平臺(tái)獨(dú)立旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

作動(dòng)器推進(jìn)板上可安裝加載裝置、T-bar原位強(qiáng)度測(cè)試儀等，借助視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)自主編程控制行進(jìn)方向、速度和路徑，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)變控制式加載。作動(dòng)器可發(fā)揮機(jī)械手的作用，執(zhí)行打樁、開(kāi)挖等動(dòng)作。

圖4 作動(dòng)器Fig.4 Actuator

3.5 專屬配套設(shè)備

為滿足不同離心模型試驗(yàn)要求，自主開(kāi)發(fā)了各類傳感器標(biāo)定設(shè)備和PIV圖像觀測(cè)系統(tǒng)，并配備了黏土真空攪拌器、大型固結(jié)儀、撒樣器、原位強(qiáng)度測(cè)試儀等專用設(shè)備。

3.5.1 模型制作裝置

土樣重塑技術(shù)是離心模型試驗(yàn)的關(guān)鍵手段，其技術(shù)水平直接關(guān)系到試驗(yàn)的成敗。

砂土在環(huán)形模型槽內(nèi)較難制樣，因此專門研制了N倍于重力加速度g條件下的撒樣器，將砂料通過(guò)旋噴的方式裝入環(huán)形模型槽，可實(shí)現(xiàn)指定相對(duì)密實(shí)度的均勻砂土裝樣。裝置由進(jìn)料漏斗、8通道滑環(huán)、套筒、噴嘴、便攜控制柜組成，如圖5所示。撒樣器底盤固定在離心機(jī)鋼制防護(hù)罩上，噴嘴可以相對(duì)環(huán)形模型槽作三維運(yùn)動(dòng)。環(huán)向運(yùn)動(dòng)通過(guò)套筒與可獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的中軸相連實(shí)現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng);徑向和豎向運(yùn)動(dòng)分別通過(guò)操控撒樣器上的2個(gè)伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)絲杠套件實(shí)現(xiàn)。噴砂結(jié)束后，噴嘴可以更換為不同形狀的刮板，根據(jù)試驗(yàn)要求調(diào)整砂土表面形狀。

圖5 撒樣器Fig.5 Soil placement device

圖6 PIV監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.6 PIV detection device

黏土制樣可首先采用真空攪拌器，在負(fù)壓85 kPa條件下，按照含水量120%或2倍液限比例配水，將高嶺土或者烘干、碾碎后的現(xiàn)場(chǎng)干土顆粒充分?jǐn)嚢璩娠柡湍酀{。真空攪拌器容積500 L，可一次性滿足離心機(jī)的全槽裝樣。制備好的黏土泥漿可由撒樣器旋噴裝樣，隨后泥漿在N倍于重力加速度的離心加速度場(chǎng)中快速形成正常固結(jié)土，固結(jié)時(shí)間僅為1 g條件下的1/N2。攪拌后的泥漿也可以通過(guò)大型固結(jié)儀DGJ－30在1 g條件下進(jìn)行預(yù)固結(jié)。

3.5.2 PIV 檢測(cè)系統(tǒng)

離心模型試驗(yàn)中，常規(guī)的接觸式LVDT傳感器的測(cè)桿端部無(wú)法與土體保持同步變形，同時(shí)重量過(guò)大容易造成刺入破壞。非接觸式激光位移傳感器通常用于測(cè)量土體表面位移，但常因測(cè)距點(diǎn)遇水折射而產(chǎn)生誤差甚至失效。近年來(lái)隨著數(shù)碼相機(jī)像素的提升和計(jì)算機(jī)處理能力的提高，PIV粒子成像測(cè)速技術(shù)在離心模型試驗(yàn)中得以應(yīng)用，可定量描述模型表面土體顆粒的平面運(yùn)動(dòng)，并進(jìn)行應(yīng)變分析［8］。鼓式離心機(jī)GT450/1.4配有 2 個(gè) PIV模型箱，如圖6所示。單側(cè)為高強(qiáng)度有機(jī)玻璃，安有相機(jī)支座。靜力試驗(yàn)采用賓得W90防水相機(jī)和佳能G10相機(jī)，通過(guò)USB接口由電腦遠(yuǎn)程操控拍照。動(dòng)力試驗(yàn)采用Gazelle CMOS高速照相機(jī)。

3.5.3 原位強(qiáng)度和孔壓測(cè)量裝置

實(shí)驗(yàn)室分別從西澳大利亞大學(xué)COFS研究中心和劍橋大學(xué) Schofield實(shí)驗(yàn)室引進(jìn) T-bar、Ball-bar、CPT、Piezo-ball和 SCPT原位測(cè)量裝置。1991年T-bar強(qiáng)度測(cè)試儀首次運(yùn)用到離心模型試驗(yàn)［9］，目前在軟土不排水強(qiáng)度的原位測(cè)試中得到廣泛應(yīng)用。T-bar技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于貫入過(guò)程中軟土沿圓柱桿流動(dòng)形成更大接觸面，符合塑性定律，易于建立桿端受力與土體強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。大連理工大學(xué)現(xiàn)有的T-bar強(qiáng)度測(cè)試儀如圖7所示，圓柱桿直徑5 mm，直桿長(zhǎng)度20 cm，靠近圓柱桿正上方貼有高精度應(yīng)變片用于測(cè)量貫入阻力。

SCPT測(cè)試儀可同步測(cè)量土中同一位置的原位不排水剪切強(qiáng)度和孔隙水壓力，同時(shí)通過(guò)內(nèi)置的MEMS傳感器采集加速度信號(hào)，換算剪切波速，進(jìn)而反映土體剪切模量和密度變化［10］。

4 海底滑坡離心模型試驗(yàn)

土工鼓式離心機(jī)GT450/1.4的應(yīng)用涉及機(jī)械、電子、自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集與網(wǎng)絡(luò)通信等多門技術(shù)，經(jīng)過(guò)不斷的交流、學(xué)習(xí)、實(shí)踐，目前設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，基本達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，正結(jié)合國(guó)家科技重大專項(xiàng)和自然科學(xué)基金項(xiàng)目開(kāi)展研究工作。以海底滑坡的離心模型試驗(yàn)為例，介紹土工鼓式離心機(jī)的應(yīng)用。

試驗(yàn)以南海北部海底滑坡為研究對(duì)象，采用現(xiàn)場(chǎng)取樣土，對(duì)深?；逻M(jìn)行探索性研究。模型槽如圖8所示，分為上、下兩腔式，中間通過(guò)5 mm厚有機(jī)玻璃間隔。上腔高度10 cm，用于安裝4部賓得W90防水相機(jī)，可透過(guò)有機(jī)玻璃對(duì)滑坡形態(tài)進(jìn)行拍照或錄像;下腔高度20 cm，底部固定變厚度苯板，模擬6°～20°海底斜坡，長(zhǎng)度1.5 m，斜坡表面埋設(shè)有4個(gè)Druck微型孔隙水壓力傳感器。斜坡的頂端架設(shè)無(wú)線攝像頭，用于觀察滑坡整體滑動(dòng)情況。

圖8 海底滑坡離心模型布設(shè)Fig.8 Instrumentation layout of centrifuge model for submarine landslide

離心機(jī)中軸上安裝注漿管，下端延伸到斜坡頂端。試驗(yàn)中首先在10 g條件下，通過(guò)環(huán)形模型槽底部的注水口注水，待水位超過(guò)斜坡一定高度后停止注水。隨后在設(shè)定的離心加速度條件下，將充分?jǐn)嚢璧哪酀{由漏斗口緩緩注入，如此形成海底滑坡，如圖9所示。初步試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)注漿口直徑為5 cm時(shí)，在50 g條件下，測(cè)得平均流速為0.89 m/s，換算的原型流速為44.5 m/s，與文獻(xiàn)［11］中的對(duì)應(yīng)的1 g模型試驗(yàn)的流速非常接近。由此驗(yàn)證了設(shè)備的可用性。

試驗(yàn)中通過(guò)孔隙水壓力傳感器監(jiān)測(cè)滑坡過(guò)程中海床土體內(nèi)的孔隙水壓力變化，同時(shí)由拍攝到的照片及影像資料，借助PIV技術(shù)計(jì)算海底滑坡的速度和距離。試驗(yàn)中將重點(diǎn)考察土樣含水量和斜坡坡度對(duì)滑移距離的影響。

圖9 試驗(yàn)方法示意圖Fig.9 Illustration of the experiment

5 結(jié)論

總體上，土工鼓式離心機(jī)GT450/1.4性能優(yōu)良，功能全面，在機(jī)械設(shè)備規(guī)模、數(shù)據(jù)采集精度、控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度及作動(dòng)器加載模式方面均優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品，同時(shí)便于升級(jí)改造為“土工鼓－臂聯(lián)合式離心機(jī)”。試驗(yàn)表明，土工鼓式離心機(jī)對(duì)于研究海底滑坡等相關(guān)海洋工程領(lǐng)域課題具有一定的優(yōu)越性。該設(shè)備的引進(jìn)在國(guó)內(nèi)是開(kāi)拓性工作，相信隨著設(shè)備的不斷完善及試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的積累，將為今后離心模型試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用推廣提供有益的借鑒。

致謝:大連理工大學(xué)邱大洪院士、西澳大利亞大學(xué)Mark Randolph教授對(duì)本項(xiàng)研究工作給予了特別的關(guān)心與支持，特此致謝!

［1］PHILIPSE.De l’equilibre des Solides Elastiques Semblables［J］.C.R Academie des Science，1869，68(2):75－79.

［2］KO H Y.Summary of the State of the Art in Centrifuge Model Testing，the Centrifuges in Soil Mechanics［M］.Rotterdam:Balkema Publishers，1988:11－18.

［3］SCHOFIELD A N.Geotechnical Centrifuge Development Can Correct a Soil Mechanic Error［C］∥ Proceedings of the Tokyo Conference of TC2.Tokyo:The Japanese National Geotechnical Society，September 23，1998:1－8.

［4］包承綱，蔡正銀，張建紅，等.巖土離心模擬技術(shù)的原理和工程應(yīng)用［M］.武漢:長(zhǎng)江出版社，2011.(BAO Cheng-gang，CAI Zheng-yin，ZHANG Jian-hong.et al.The Principal of Geotechnical Centrifugal Simulative Technique and Its Application to Engineering［M］.Wuhan:Changjiang Press，2011.(in Chinese))

［5］SCHOFIELD A.N.Use of Centrifuge Model Testing to Assess Slope Stability ［J］.Canadian Geotechnical Journal，1978，15:14－31.

［6］SCHOFIELD A N.Cambridge Geotechnical Centrifuge Operations［J］.Géotechnique，1980，30(3):227－267.

［7］包承綱，饒錫保.土工離心模型的試驗(yàn)原理［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，1998，15(2):1－3.(BAOCheng-gang，RAO Xi-bao.Principal of the Geotechnical Centrifuge Model Test［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，1998，15(2):1－3.(in Chinese))

［8］WHITE D J，TAKE W A，BOLTON M D.Soil Deformation Measurement Using Particle Image Velocimetry(PIV)and Photogrammetry ［J］.Géotechnique，2003，53(7):619－631.

［9］STEWART D P，RANDOLPH M F.a New Site Investigation Tool for the Centrifuge［C］∥Proceeding of International Conference on Centrifuge Modeling，Boulder，Colorado，June 13－14，1991:531－538.

［10］LUNNE T，ROBERTSON P K，POWELL J J M.Cone Penetration Testing in Geotechnical Practice［M］.London:Blackie Academic ＆ Professional，1997.

［11］ILSTAD T，MARR JG，ELVERHEI A，et al.Laboratory Studies of Subaqueous Debris Flows by Measurements of Pore-fluid Pressure and Total Stress［J］.Marine Geology，2004，213(1－4):403－414.