土体是人类赖以生存的、最早使用和最原始的工程材料之一,也是人类文明的重要载体和主要标志。土力学作为一门独立学科,其发展历程与试验技术息息相关,尤其是多相耦合机制、本构模型的认知与检验(黄文熙,1979; 汪闻韶,2005; 包承纲,2006),大量物理试验为其提供了不可或缺的丰富数据。发展和提升先进实验技术,对科学理论、设计方法与施工技术等的创新与进步具有极大推动作用,是各学科发展的一项重要基础研究工作(陈祖煜,2017; 陈云敏,2017; 王永志等,2018)。《国家十三五发展规划》明确指出,应强化基础试验技术的发展和应用,以快速提升我国原始创新和学科交叉的综合科研能力。

近20年来,超高堤/坝/堰、海洋工程、深地基础、尾矿坝、边坡等岩土结构物和地基基础开发需求连续攀升; 城市地下结构、超高土石坝、深基础工程、海洋风力发电、人工岛礁及“一带一路”使岩土工程面临空前的挑战与机遇,也为土工离心机快速发展提供了重要契机(杜延龄,1993; 张俊,杨志银,2005; 包承纲,2013)。据统计,2014—2019年国家各部委对土工离心机建设的总投资(含立项)约30亿元,规模最大为浙江大学牵头的《国家“十三五”重大科技基础设施》项目,拟建2套容量≥1 300 gt的巨型土工离心机,经费约20亿元。然而,伴随大量应用成果的产出和范围扩展,土工离心试验技术发展的不足与理论基础的薄弱也逐渐暴露。具体表现为:①各单位的制模、固结装置等多为自主开发而形式各异,量测传感器型号不一且性能差异显著,尚缺少明确规定制模方法、评价模型质量和标定传感器的通用标准和统一认识; ②相似比(如黏滞系数)、运行时间等由设备性能和机室冷却条件进行设计与调整,缺少合理科学基础(陈正发,于玉贞,2006; 侯瑜京,2006; 林明,2012); ③平行试验结果出现很大离散且与理论推测值差异较大,例如2015年美、日、英、中四国开展的LEAP平行试验,各单位试验结果呈现较大离散(Kutter et al,2018; Zeghal et al,2018)。

本文回顾并总结了我国土工离心机的发展历程、现状及趋势,概括了现役设备的性能指标和功能特点。并以中国地震局工程力学研究所DCIME-40-300动力离心机为例,阐述了针对地震韧性工程研制土工离心机的关键技术,提出了离心振动台性能测试方法与评价指标,给出了若干性能测试结果。

按照是否装备振动台,土工离心机大致可分为静力离心机和动力离心机(也称离心机振动台)两大类。动力离心机利用离心加速度场补偿模型缩尺引起的自重应力损失,还原模型与原型之间1:1应力-应变状态,使之具有其它任何物理缩尺试验无可比拟的优势,能直接研究自重及地震等荷载作用下地基失效、场地液化、桩基破坏等常规岩土工程对象的破坏过程与失效机理,还可应用于水利工程、环境工程、航空航天工程等多个研究领域,目前被国际公认为岩土地震工程和土动力学最先进、最有效的科学试验平台。

我国离心机建设与发展起步稍晚,1982年,南京水科院成功研制出第一台小型土工离心机,旋转半径2.9 m,最大容量20 gt(刘守华,1990); 我国首台自主开发的大型土工离心设备建成于长江科学院,有效半径3 m,容量150 gt,标志着中国土工离心模拟设备自主建造的正式起步(程永辉等,2011)。1986年,土工离心机建设正式被列入我国“七五”规划的科研攻关项目中,土工离心机的发展得到了国家的大力扶持,在全国各重点高校与科研机构展开多个建设项目。目前,我国已有20多家高校及科研单位建成30余台离心机设备,已建成投入使用的大容量土工离心模拟设备(不小于100 gt)近20台。其中,中国工程物理研究院总体工程研究所分别与成都理工大学(2010年)和天津水运工程科学研究院(2015年)联合建设的土工离心机,容量均达到500 gt,表明我国的离心机建造水平已达到国际一流水准。国内现役设备中,离心机的有效负载容量对比如图1a所示。

动力离心机方面,2001年,南京水利科学研究院以原有静力离心机系统为基础,成功研制出我国首台离心振动模拟系统。此后,清华大学、同济大学、浙江大学、成都理工大学、天津水运工程科学研究院等研究机构及高校都成功研制了离心机振动台(于玉贞,陈正发,2005; 马险峰等,2007; 陈云敏等,2011; 陈然,李天斌,2014)。中国地震局工程力学研究所针对岩土地震韧性工程和土动力学问题,研制了专用动力离心机系统——DCIEM-40-300土工离心机,以满足诸多(超)大型、复杂工况岩土结构物地震试验需求。国内主要动力离心机的振动台容量对比如图1b所示。值得一提的是,虽然DCIEM-40-300土工离心机有效容量在我国是中等水平,为300 gt; 但振动台有效振动容量为40 gt,位居国内第一、国际第三,达到国内领先水平。

图1 国内土工离心机负载容量(a)及离心机振动台振动容量(b)对比
Fig.1 Comparison of load capacity of geotechnical centrifuge(a)and vibration capacity of centrifuge shaker(b)in China

DCIEM-40-300土工动力离心机主体由中国地震局工程力学研究所与中国工程物理研究院联合研制,其空间分为3层设计,如图2所示。顶层

1:上仪器舱; 2:下仪器舱; 3:转臂系统; 4:传动支撑;

5:联轴器; 6:减速器; 7:稀油润滑系统; 8:电机

图2 DCIEM-40-300离心机空间布置图
Fig.2 Elevation view of the DCIEM-40-300 centrifuge

在地上二层为上仪器舱,主要由舱体、集流环等组成,主要负责电力与信号传输,如图3a所示。中层在地上一层为机室,布置有离心机主机系统和下仪器舱,为试验的工作区域,如图3b所示。此外,离心机主控制室也在地上一层,主要集成离心机相关的控制系统,实现主机运行、数据采集、摄像和风冷等控制。底层在地下一层主要包括直流电机、减速器和稀油站,主要为离心机系统提供动力和稀油润滑功能,如图3c所示。其主要性能指标见表1(王永志,2014)。

表1 DCIEM-40-300离心机系统基本性能参数指标
Tab.1 Basic performance parameters of the DCIEM-40-300 centrifuge

图3 DCIEM-40-300离心机空间3层设计
Fig.3 Three-layer design of the DCIEM-40-300 centrifuge

DCIEM-40-300土工离心机振动台是由中国地震局工程力学研究所和哈尔滨工业大学联合研制,采用电液伺服液压驱动,实现水平单向振动(离心条件下工作时,平行于离心机主轴),主要由油源系统、蓄能器组、电液激振系统和控制系统等组成,如图4a所示。振动台最大工作离心加速度为50 g,最大振动加速度超过30 g,最大振动位移为10 mm,最大振动速度为1 m/s,工作频率范围为10～300 Hz。振动台台面有效尺寸为1.6 m×0.8 m,最大负载1 500 kg。根据伺服控制系统有效工作频带和控制精度,模型条件下最小可控加速度为0.4 g,最小可控位移为0.05 mm,振动台的最大功能工作区间如图5所示。

DCIEM-40-300土工离心机数据采集系统采用128静/动复用通道IMC设备,以满足试验所需

图4 DCIEM-40-300离心机振动台系统(a)及数据采集系统(b)
Fig.4 Photos of the DCIEM-40-300 centrifuge shaking Tab.system(a)and digital mining system(b)

图5 DCIEM-40-300振动台最大功能工作区间
Fig.5 Maximum functional working range of the DCIEM-40-300 shaking table

数据采集通道、数据带宽、采集频率、数据类型以及升级扩容等要求,如图4b所示(王海,2019)。该数据采集系统可满足加速度、应变、孔压、位移、土压力以及热电偶等信号独立静态、动态量测需求。采集模式有2种:①静态采集模式,采样率1～5 Hz,最长工作时间≥36 h,监测模型静力特性与状态变化,采集设备启动后,静态采集模式自动开始工作,默认采样率1 Hz; ②动态采集模式,分为振动台试验和探测试验(CPT,DPT,T-bar),其中振动台试验采样率5～20 kHz、采样时间≥15 s,探测试验采样率0.5～1.6 kHz、采样时间≥40 min。

为评价振动台性能,在满负载(约1 500 kg)下测试了振动台的正弦波和地震波的复现能力,性能测试实物如图 10所示,测试点在台面中心。正弦波主要以幅值误差和失真度为评判标准,地震波主要以幅值误差和频谱面积误差为评判标准。

满负载下,离心加速度50 g时,振动幅值15 g、频率50 Hz正弦波测试结果如图 11所示。从图中可以看出,振动台台面输出可以很好地跟踪输入,输入/输出幅值误差约8.6%,失真度约6.7%。满负载下,不同离心加速度,不同振动频率的失真度计算结果见表2。从表中可知,除个别点外,失真度均小于20%,平均为10.7%。根据《土工离心模型试验技术规程》(DL/T 5102—2013)“在离心加速度条件下,振动台加速度波形失真度不大于20%,个别大于40%的测点应记录说明”,该振动台远远优于行业标准规定的技术指标。由图 11和表2可知,DCIEM-40-300离心振动台可以很好地复现正弦波,满足科研与工程试验要求。

图 10 DCIEM-40-300离心机振动台性能测试实物图
Fig.10 Shaking table performance test physical map of the DCIEM-40-300

图 11 15 g,50 Hz的正弦波输入/输出对比
Fig.11 Comparison of input and output sine wave of 15 g,50 Hz

表2 正弦波失真度
Tab.2 Distortion of sine wave

表3 5种不同常用地震波幅值及谱面积误差
Tab.3 Amplitude and spectral area errors of five kinds of seismic waves

图 12 El-centro波输入/输出(a)及频谱(b)对比
Fig.12 Comparison of input and output(a) and spectrums(b)of El-centro waves

综合图 12和表3可得出,DCIEM-40-300离心振动台具有良好地震波复现精度和稳定性,可以满足各类科研和工程地震试验要求。

本文分别从静力离心机和动力离心机两个方面,回顾与总结了我国土工离心机的发展历程、现状及趋势; 概括了我国主要现役设备的性能指标和功能特点,为未来土工离心机建设规划和总体设计提供借鉴。

介绍了中国地震局工程力学研究所的DCIME-40-300动力离心机的基本组成和功能特点,并以此离心机为例,阐述了针对地震韧性工程研制土工离心机的关键技术,包括离心机、离心振动台、主机室冷却系统、降雨模拟系统、冻融循环系统等,并给出了基本设计要点与总体方案。

为综合评价离心振动台控制性能,提出了振动台性能测试方案。试验表明:输入正弦波时,平均波形失真度约为10.7%。输入地震波时,平均幅值误差约为4.44%,平均频谱面积误差约为5.89%,均远优于相关行业标准规定的技术指标,可满足各类科研与工程试验要求。

我国土工离心机建设虽取得一定成就,但土工离心试验技术的发展相对落后,因此,开展相关试验技术关键问题与新技术的研究显得尤为必要,提升我国土工离心试验整体创新水平和产出国际一流成果能力是一项迫切而必要的基础研究工作,应引起广大学者与工程师们的高度重视。