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土工离心模型试验技术及其在岩土工程中的应用

濮家骝

(清华大学水利水电工程系)

        我国土工离心模型试验技术的探索工作始于20世纪50年代末,当时正处于土工离心模型试验在前苏联得到迅速发展和广泛应用的时期。受前苏联的影响,我国一些单位尝试建置土工、结构综合应用离心机。中国水利水电科学院与前苏联BOATEO研究院联系,开始收集资料,于1958年在苏联专家协助下着手筹建400g-t离心机。长江科学院进行了建造离心机的可行性研究,于1957年提出建造一台大型水利工程综合应用离心机。清华大学水利工程系于1960年设计了一台直径5米,驱动电动机功率100kW的离心机,并完成了零部件加工、系统调试和离心机钢筋混凝土基座的浇注。后因文化革命,功亏一篑,清华大学离心机终未建成。这一阶段,我国失去了参与国际土工离心模型试验技术大发展的机遇。20世纪60年代末,土工离心模型技术在西方国家得到了迅速发展,土工离心机数量不断增加和容量不断扩大,土工离心机的辅助设备和数采系统的技术水平由于采用高科技而有了极大的提高,并已应用于岩土工程的各个领域。土工离心模型试验技术已成为岩土工程研究的热点之一。
        改革开放后,黄文熙先生于1979年4月在南京召开的软土地基学术讨论会上提出“一切基本研究成果必须用模型试验(包括离心机模型)或原型观测来验证。”黄先生随后于1980年、1984年分别率团访问了英国和美国,在考察了土工离心模型试验技术后指出:“土工离心机模型已成为验证计算方法和解决土工问题的一种强有力手段。”是“土工模型发展的里程碑”,我国“必须急起直追,努力赶上。” 为了学习国外土工离心模型实验先进技术,南京水利科学研究院、中国水利水电科学研究院、长江科学院、清华大学、河海大学等单位先后派出人员前往英、美、日、意等国家学习考察,同时邀请该领域著名专家Schofield教授等来华讲学。另一方面各有关单位,组织队伍,收集国外有关资料,调查研究,改装或筹建土工离心模型试验装置。经过25年的努力奋斗,我国在土工离心模型试验装置建设,附属设备和数采系统研制,及其在岩土工程中的应用等方面取得了长足的进步,现简要分述如下。
一、土工离心模型试验设备的建置
        我国土工离心机的建置,实际上采取两种方法,一是将已有的结构试验用离心机改装成土工、结构综合用离心机,另一方面是建设新的土工离心机。为了尽早开展土工离心模型试验,1982年南京水利科学研究院改装成30g-t离心机(转臂半径3米,最大离心加速度300g,负载100kgf),1983年河海大学改装成25g-t离心机(转臂半径2.4m,最大离心加速度250g,负载100 kgf),随即开展了土工离心模型试验。长江科学院于1983年7月建成了一台大型离心机,1985年增加土工吊篮和相应测试设备后,成为土工结构综合离心机,其容量为180g-t(转臂半3 m,最大离心加速度300g,负载600kgf),随后也开展了大量的试验研究工作。1989年中国工程物理研究院(绵阳)的结构用离心机(容量216g-t,转臂半径10.8m,最大离心加速度90g)被改装成土工、结构综合离心机,用于高土石坝离心模型试验研究。这种将结构离心机改装成土工、结构综合离心机的方法,为我国赢得了近八年开展土工离心模型试验研究的时间,从而取得了大量试验结果。到1990年代初我国已新建了7台土工离心机,其中中国水利水电科学研究院和南京水利科学研究院分别建成450g-t (转臂半径5.03m,最大离心加速度300g,负载1500kgf) 和400g-t (转臂半径5.0m,最大离心加速度200g,负载2000 kgf,具有动平衡系统) 大型土工离心机。这两台大型土工离心机运行性能良好,安全可靠,它标志着我国土工离心机的研制已达到国际同类设备的技术水平。随后清华大学50g-t土工离心机和成都科技大学25g-t的土工离心机相继建成,我国台湾中央大学于1995年建成一台100g-t土工离心机,使得我国土工离心机形成了大、中、小系列。
        21世纪初,我国土工离心机的建设进入了新一轮快速发展时期。香港科技大学于2000年投入运行的400g-t大型土工离心机(转臂半径4.2m,最大离心加速度150g,负载2700 kgf),它的主要技术指标符合土工离心机低加速度、大负载、大直径的发展趋势。西南交通大学、重庆交通学院和长安大学分别建成100g-t和60g-t土工离心机。同济大学于2006年建成150g-t土工离心机(转臂半径3m,最大离心加速度200g,负载1500kgf)。长沙理工大学150g-t土工离心机将于2007年底安装调试。我国台湾中央大学已于1995年建成一台离心机。表1为我国已建和在建土工离心机指标一览表。

表1我国已建、在建土工离心机技术指标
单  位 容量/g-t 有效半径/m 最大加速度/g 有效荷载/103kgf 建成年份 备注
南京水利科学研究院 30 3.0 300 0.1 1982 土工、结构
河海大学 25 2.4 250 0.1 1983 土工、结构
长江科学院 180 3.0 300 0.6 1985 土工、结构
中国工程物理研究院 216 10.8 90 2.4 1988 土工、结构
同济大学(原上海铁道学院) 20 1.5 200 0.1 1987 土工
中国水利水电科学研究院 450 5.0 300 1.5 1991 土工
南京水利科学研究院 400 5.0 200 2.0 1991 土工
南京水利科学研究院 50 2.4 250 0.2 1989 土工
南京水利科学研究院 5 1980 土工
清华大学 50 2.4 250 0.2 1993 土工
四川大学(原成都科技大学) 25 1.5 250 0.1 1992 土工
国立中央大学 100 3.0 1995 中国台湾
香港科技大学 400 4.2 150 2.7 1998 香港特区
西南交通大学 100 2.7 200 1.0(200g), 0.5 (200g) 2003 土工
重庆交通大学(交通学院) 60 2.0 200 0.6(100g), 0.3(200g) 2004
长安大学 60 1.5 200 0.6(100g), 0.3(200g) 2004
同济大学 150 3.0 200 0.75(200g), 1.5(100g) 2006
长沙理工大学 150 3.5 150 1.5(100g), 1.0(150g) 2007
大连理工大学 450 0.5 600 0.75(600g) 筹建中 土工模块化臂-鼓
联合式离心机
浙江大学 400 4.5 150 2.5 2008
国家地震局哈尔滨
工程力学研究所
300-400 5.0 100 3~4 2009
长江科学院 200 4.0 200 1 筹建中
天津港湾工程研究所 200 2.0 200 1 筹建中 土工
        从表1可看出,在我国已建土工离心机中,容量超过100g-t的有7台,容量达到400g-t的有3台。目前国内外400g-t容量以上的土工离心机共12台,我国占1/4。除已建土工离心机外,目前大连理工大学正在建置450g-t大型鼓式离心机,浙江大学400g-t土工离心机、哈尔滨工程力学研究所300~400g-t和长江科学院200g-t土工离心机正在建设中。这表明我国土工离心试验装置建设仍处在加速发展阶段。
二、土工离心模型试验附属设备和数采系统的研制
        多功能、高质量的附属设备和数采系统的研制,是提高土工离心模型技术的关键所在。我国在这方面已取得显著进展。先后研制了在离心机运行中完成模型成型,荷载施加及挖、填方,挖洞等施工过程的专用机器人。香港科技大学土工离心机配置了4轴向活动机器人,可在离心机运行时,进行模型开挖和回填,对模型施加水平国和垂直力及扭矩,还可进行地表位移扫描等。中国工程物理研究院为同济大学土工离心机研制了填筑机器人,开挖洞机器人。清华大学等单位研制了打桩机,可在离心机运行时对单桩或群桩打入或静压入桩,最后进行载荷试验。此外,还研制了模拟活动断层的试验装置、离心机运行中水下抛填砂土的试验装置等。
        土动离心模拟试验是进行土动力学及岩土抗震工程研究最好的物理模拟方法。关键技术是研制在高离心加速度下的高频率、振动波形可控及大出力的振动台。近几年我国已研制了4台土工离心机振动台,其主要技术指标见表2。浙江大学和哈尔滨工程力学研究所正在筹建大型土工离心机振动台。我国研制离心机振动台虽然起步较国外晚,但技术起点较高。香港科技大学建成了国际上第一台双向水平激振振动台,已投入使用。中国水利水电科学研究院正在筹建可以在水平、垂直两个方向同时振动的离心机振动台。
        为了进行寒区工程的研究,清华大学研制了土工离心机上的Peltier制冷/加热系统(其技术指标见表3)。该系统实测低温为-38.7℃,而国外同类设备低温仅为-20℃。同时为了进行环境岩土工程土工离心模型试验也研制了相应的试验装置。
表2 我国土工离心机振动台主要技术指标
单位 离心机运行加速度/g 振动台最大加速度/g 振动台负重/kg 频率范围/Hz 振动时间/s 振动方向 备注
香港科技大学 75 40 300 0-350 水平双向
清华大学 50 20 100 10-250 2-4 水平单向
南京水利科学研究院 100 15 200 100 2 水平单向
同济大学 50 20 300 0-250 4 水平单向
中国水利水电科学研究院 120 水平30、垂直20 400 0-400 3 水平、垂直双向 筹建中

表3 Peltier制冷/加热系统主要指标
尺寸 350mm*400mm
Peltier组数 2*3
制冷容量 186kcal/h
温度范围 -40C-+50C
        在土工离心模型试验数采系统中,应用了高新技术及其产品,如非接触高精度激光位移传感器,光纤滑环及高压大流量旋转接,试验数据的传输、贮存和处理系统,CCD技术和数字图像处理和网络技术等。从而显著提高了土工离心模型试验量测系统的技术水平。
三、土工离心模型试验在岩土工程中的应用
        我国土工离心模型试验技术已应用于岩土工程各个领域,如土石坝及边坡工程,港口工程,基础工程,地下工程,近海工程,以及近年来开展的岩土抗震工程,环境岩土工程和寒区工程等。已取得了大量的试验研究成果,对解决我国岩土工程的关键技术问题发挥了很大的作用。
        高土石坝和高边坡工程土工离心模型试验早在20世纪80年代中就列入了国家科技攻关项目。这些项目紧密结合了国内高土石坝工程的关键问题。例如由中国水利水电科学院和长江科学院合作进行的小浪底土石坝离心模型试验,系统地研究了上游坝体的变形和稳定以及混凝土防渗墙的应力和变形,由于该坝坝高157m,覆盖层深70m,模型试验的离心加速度高达250g,并利用薄铝板模拟混凝土防渗墙。南京水利科学研究院进行了坝高90m的西北口面板堆石坝离心模型试验,研究了坝体的稳定性、面板的应力,变形和水位骤降时垫层的渗透变形。成都勘测设计研究院和成都科技大学对坝高188m,覆盖层70m的瀑布沟心墙堆石坝进行了离心模型试验,研究了该坝在竣工期,初期蓄水,水位骤降等状况下,坝体、坝基、混凝土防渗墙的应力、变形特性,并建议了最佳防渗结构型式。长江科学院对三峡工程二期深水围堰进行离心模型试验,对方案进行了对比优选,同时采用离心机运行时水下抛填风化砂试验,确定了干密度这一关键参数。中国水利水电科学研究院进行了龙滩水电站左岸岩石倾倒和整体三维离心模型试验,论证其稳定性。近年来,还对一些高面板堆石坝进行了静、动离心模型试验。表4列出了已进行的土石坝离心模型试验及主要工程参数。
表4 高土石坝及其土工离心模型试验主要参数
工程名称 堤高/m 覆盖层厚度/m 总高度/m 模型高度/cm 模型率 试验离心加速度/g
小浪底斜心墙 151 7 199.1 90.3 220 220
西北口面板堆
石坝
95 0 95 38.0
28.1(45m坝高
施工度汛)
250
160
250
160
瀑布沟心墙堆
石坝
188 70 258 92 280 0-90
三峡工程二期
土石围堰
82.5 51.6 160 160
龙潭水电站左
岸边坡工程
192(坝高) 171.2
(岩石边坡高)
85*120*107
长*宽*高
160 160
天生桥面板堆
石坝
178 0 178 89 200 200
察汗乌苏面板
堆石坝
107.6 46.7 154.3 77.2 200 200
黑泉面板堆石
123.5 24.5 148 74 200 200
吉林省水电站
面板堆石坝
157 离心加速度50g
振动台加速度15g
        有关高土石坝离心模型试验研究工作,无论在试验规模上还是成果的系统性和实用性方面在国际上是没有先例的。通过这些试验,积累了进行高土坝离心模型试验的技术,如合理选取土石坝的试验断面;堆石料和混凝土防渗墙的模拟,模型加水、排水和加荷的技术,以及模型的信息采集等。
        在港口工程中,利用土工离心模型试验对大量码头设计进行了方案比较和方案验证,还研究了码头的工作机理如高桩、码头中桩基结构与土坡的相互作用;以及已建码头坍塌机理的试验研究。此外,对软基上的加筋防波堤,码头及港口堆场的软土变形特性进行了土工离心模型试验。在基础工程中,对浅基础、桩基础、特别是对深基础开挖时各类支护结构的变形和侧向土压力等进行了土工离心模型试验研究。地下工程中,对地铁过江隧道的地基沉降、浅埋隧道的相互作用、城市地铁隧道施工对管线的影响以及南水北调穿黄工程盾构隧洞土压力等开展了土工离心模型试验研究。挡墙结构中,除重力式挡墙外,还进行了大量的加筋挡土墙土工离心模型试验。应用土工离心模型试验技术对软土地基特性和地基处理方案,超高地基填方、超深厚吹填粉细砂地基等进行了试验研究。此外还对海洋平台进行了离心模型试验研究。
        除上述试验外,近年来,在岩土地震工程、环境岩土工程、寒区工程等领域进行了离心模型试验,也开始取得了一些成果。例如在岩土抗震工作中,高面板堆石坝在地震作用下的振动变形和稳定的试验研究,在单向和双向振动时,饱和土堤的沉降的比较研究;粘土地基中地铁隧道的地震响应;可液化土中单桩的地震响应;以及土质边坡在地震作用下的稳定性研究等。在环境岩土工程中,开展了污染物在非饱和土中运移规律,土壤中挥发性污染物的清除以及卫生填埋场的试验研究。在寒区工程中,进行了冻土地基受载冻/融循环试验研究。
        我国还应用土工离心模型试验技术进行了一些岩土工程的基础性研究工作。
        我国土工离心模型试验成果,数量很多,内容丰富,由于篇幅限制,只能作上述简要介绍。
        随着土工离心模型试验技术在我国的发展,为了加强学术交流,于1987年由长江科学院在武汉举办了我国首次土工离心模型试验技术学术交流会,于1988年成立了土工离心模拟技术委员会,并于1991年在上海举办了“第二届全国土工离心模拟学术会议”。
        中国土木工程学会土力学及岩土工程分会派人参加国际土力学及岩土工程学会离心模拟技术委员会(TC2)工作。该委员会每四年举行一次国际土工离心模拟学术大会,2006年第六届大会由香港科技大学主办。此外,香港科技大学还于2001举办国际土工离心模拟研讨会。这些活动加强了国际间土工离心模型试验技术的学术交流。
        回顾我国土工离心模拟试验技术发展的历程,该领域所取得的成就是我国土工离心模型试验技术学术界同仁艰苦奋斗、努力工作的结果。特别是黄文熙先生大力提倡和积极推动土工离心模型试验技术的发展,以及王学东、朱维新、窦宜、杜延龄、朱思哲等老前辈们在艰苦条件下为我国土工离心模拟事业初创、开拓所作的重大贡献,我们应该永远铭记。