土工离心机设计与应用综述

温继伟 陈昊天 曾现恩 项 天

（1.石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄 050043；2.成都理工大学环境与土木工程学院，四川成都 610059）

0 引言

土工离心机（Geotechnical Centrifuge）是一种用于土木工程、地质工程等相关领域室内缩尺试验的大型专用试验设备，主要包括臂式离心机和鼓式离心机两大类。其中，鼓式离心机的模型槽较长，试验模型可沿圆周进行布置，结构相对简单，但有效半径一般偏小，多应用于平面试验或结构比较简单的模型；而臂式离心机虽然结构复杂，但便于模型制作、试验方便，常用于各类岩土领域的离心模型试验。通过土工离心模型试验，可在实验室内模拟原型土工结构的受力、变形及破坏过程，验证设计方案、数学模型及数值分析计算结果，探究新的或常规足尺试验难以快速、直接获得的土木工程、地质工程中涉及的大型岩土系统的基本力学性质和物理现象及过程[1-7]。鉴于臂式土工离心机具有更好的普适性，以其作为主要探究对象，系统总结了土工离心机原理、发展概况、组成、存在的主要问题，以及离心机的应用等方面的内容，对离心机的设计提出了改良方案，并展望了该技术未来的研究和应用方向。

1 土工离心机原理及发展概况

在研究土木工程、地质工程等相关问题时，为了合理复现现场岩土体原型的工况条件，可在足尺试验的基础上对原型进行整体或局部的研究。然而，随着工程问题日渐复杂、工程规模不断扩大，足尺试验成本过高、试验周期长、试验设备的容量和承载能力有限等弊端逐步显现，实验室缩尺模型试验可作为有效的研究手段。缩尺模型试验亦称小尺寸模型试验，是以试验研究对象与重点关注变量为参考基准，依据一定的相似比例尺对试验原型结构进行尺寸缩放、荷载调整及材料替换，使得缩小后模型具备与原型相似的应变特性和相同的破坏机理[1,2]。由于实际工程中岩土体的自重一般为主要荷载，产生的应力场也主要由自重引起，且其材料性质多为非线性，若开展试验时不能使模型受到的自重水平达到原型要求，则会致使试验结果失真。为了解决该问题，基于土工离心机开展的土工离心模型试验方法应运而生。该方法借助离心场与引力场的近似性，将n倍缩尺比的场地地基、岩土体、水利等建（构）筑物结构模型置于转臂端部的吊篮内，通过离心机转臂高速旋转提供n倍于重力的离心力，使试验对象处于人造的超重力场模拟环境中，并获得与原型相似的自重内部应力状态，从而有效保证试验体静/动态响应、应力路径、变形与破坏机理与原型高度一致，试验结果能满足工程整体性能评价与行为准确预测的要求[3-5]。通过离心模型试验，能够直接模拟包括地基失效、场地液化、桩基破坏等多种工程灾害现象，并根据试验结果研究得到实际岩土工程对象的可视化破坏过程和失效机理。近年来，该技术在国内外取得了突破性研究与应用成果[6-7]。

离心力的运用最早可追溯至中国古代，人们常用绳子系住陶罐，通过用力甩动使蜂蜜和蜂巢因离心力作用而分离。1869 年，法国工程师Edouard Philips 首次提出将离心模型试验技术应用于土木工程领域的构想[8]。1931 年，第一台土工离心机在美国哥伦比亚大学建成并用于坑道顶部的稳定试验研究，尽管当时该离心机的旋转半径仅有25 cm，设备尺寸较小，不便于试验观察，但这套设备的成功研发与应用，意味着人类首次将离心模型试验用于研究岩土工程问题[9]。随着科学技术的飞速发展，到了20 世纪中期，美国、英国、荷兰和日本等国家也相继研制出土工离心设备，并将其运用到岩土工程等研究领域。英国剑桥大学先后研制了MKⅠ、MKⅡ及CUDE 离心机，诺丁汉大学也建立了容量为500g·t，加速度可达150g的离心机[10]。1963 年，日本建成了第一台土工离心机，此后在东京大学、港湾空港研究所等地相继建立了更多容量不同的土工离心机，其中日本最大的土工离心机位于日本国土交通厅，容量为400g·t。目前世界最大的土工离心机位于美国加利福尼亚大学，其容量高达1080g·t[11]。

与国外相比，我国离心模型试验技术研究起步较晚，20 世纪50 年代，郑人龙对大量离心技术相关文献进行了翻译和传播，20 世纪80 年代末，随着国内大型水利工程、交通建设的迫切需求，我国开始研究离心模型试验技术[12]。1983 年，长江科学院首次自主开发了一台大型土工离心机，容量为150g·t，为我国后续离心模拟技术发展埋下基础[13]。20 世纪末，我国正式将土工离心机的建设纳入“七五规划”，在全国各地重点展开研究。1991 年在北京成功建造容量为450g·t 的大型土工离心机，其部分功能已处于世界领先水平。21 世纪初，香港科技大学研发了容量为400g·t 的土工离心机，具备双向振动台、机械手、网络数据采集处理系统等新功能，代表了当时土工离心试验技术的发展水平[14-15]。21 世纪以来，以中国工程物理研究院（中物院）为代表，全国各地的土工离心机科研成果频出。中物院与同济大学合作建成TLJ-150 土工离心机（见图1），与成都理工大学合作建成TLJ-500 土工离心机（见图2）均具有代表性。其中TLJ-150 是我国首次自主研发的具备模拟多种施工工况功能的土工离心机，其研制成功标志着我国已掌握多功能复合离心机的研制手段[16-17]。TLJ-500 土工离心机的有效半径为4.5 m，静力试验最大加速度可达250g，振动台试验可达100g，与国际上的同类型离心机相比，TLJ-500 离心机的各项性能指标更加优异[18]。此外，中国水科院正在筹备建造容量为1000g·t 的大型土工离心机，中物院与浙江大学联合研制的1500g·t 超大型土工离心机若建设成功，将刷新世界离心机容量之最[19]。土工离心试验技术迅速发展，过去许多难以解决的岩土工程问题得到了较好的解决。

图1 TLJ-150 土工离心机[17]

图2 TLJ-500 土工离心机

2 土工离心机组成

通常，大型土工离心机具有续航时间长、启动快、负重大、旋转半径大等诸多优点。在设计过程中需合理判断离心机主机和辅助系统之间的相互影响，使离心机整体结构符合要求，减少不必要的损耗。土工离心机主要由转动系统、传动系统、监测控制系统和数据采集系统等部分组成（见图3）。

图3 土工离心机组成原理示意图[19]

（1）传动系统

传动系统主要由驱动系统、机座、轴承、冷却润滑系统、转臂支承结构、主轴、冷却润滑系统等部分组成。在运行过程中主要通过电机将动力传递到离心机主轴从而带动转臂转动。由于大型土工离心机运行时间普遍较长，导致设备温度较高，基于设备散热的需求，离心机设计中通常会考虑通风散热的手段，如为离心机配备水冷却系统、润滑轴承等。试验中，离心模型受到应力应变等参数时刻变化，通过建立好的模型相似率，可将该参数与实际工程原型发生的变化联系起来，这也是建立土工离心模型试验的目的[20]。

（2）转动系统

转动系统主要由动力/静力吊篮、转臂、配重吊篮、模型箱、不平衡力检测系统等部分组成，其中动力吊篮一般配备有振动台，可进行动力激励输入。转臂是系统的核心部件，在离心机运转过程中起到传递扭矩、带动模型绕轴旋转的作用。土工离心机的转臂一般采用的是单吊篮的形式，一端用于放置离心模型，称为工作端，另一端是给模型进行配重的配重端。转臂系统与主轴之间多采用胀套联接的方式[21]。工作吊篮分为动力和静力两种，静力吊篮用于进行以静力为主的试验研究；动力吊篮配有振动台，可进行正弦及随机地震波等动力激励输入；工作时，配重吊篮中配重块根据工作吊篮中实体配置，配重必须尽可能保证与工作吊篮初始重心高度保持一致，且转动系统基本达到静平衡状态[22-24]。模型箱作为离心模型的容器，试验时位于离心机的工作端，在整个离心机系统中承受的离心力最大，应保证足够的强度和刚度，若试验需要设置玻璃窗，应确保玻璃面透明无裂痕，且其强度和刚度符合要求[25-26]。

（3）控制系统

控制系统分为直接控制和远程控制两种，其中直接控制系统是以全数字直流调速器为核心组成的直流调速系统，采用工业以太网及现场工业总线进行数据通讯。通过主PLC 完成离心机的运行过程，并实现离心机工作状态的监测和保护、离心机运行中的主要参数检测和报警等工作。远程控制系统即通过计算机控制主PLC 进行离心机运行控制与检测，运行曲线设置更为灵活，便于设备监测控制。同时机室与设备关键位置布设监控摄像系统对设备运行全程进行安全监控[19]。

（4）测试系统

主要包括数据采集系统和图像系统两部分。数据采集系统是离心模型试验过程中试验数据的主要收集来源。在离心模型试验中对数据采集系统有多项严格要求，如该系统需拥有足够的采集通道；能采集多种不同的物理量并适应不同试验的要求；采集系统本身要满足稳定性和精度的要求等。图像系统的目的主要是获取试验过程中模型的变形图像，在环境岩土工程中应用十分广泛，随着科技的发展，计算机图像技术逐渐成为了离心模型试验不可或缺的一部分。测试系统通过传感器采集到的各种信号，对其进行分析处理，通过网络传输到地面计算机，该计算机再对数据进行参数调整。此外，地面计算机可以直接对离心机上的调理器进行相关参数的设置和修改。这种通过信号传递的方式能够减小滑环接触电阻带来的影响。信号传递的完整度是系统采样率提高的关键因素，随着计算机技术的发展，信号传递的手段逐渐成熟，试验研究人员发现采用光纤滑环和无线传输的方法可以明显提高采样的效率和信号的传递质量。根据对国内离心模型试验的分析，多数土工离心试验为静态试验，实验目的一般以测量模型的应力、应变、位移变形等，采用如图4 所示的静态测量系统即可满足实验需求。近年来，随着振动台等动态系统的出现，部分离心机也开始配备如图5所示的动态测量系统[18]。对于离心机信号的采集和处理，可采用静态数据采集处理系统，该系统可以采集和测量应力、应变等数据。通过安置在集流环前端的数据采集系统和信号环，采用串行传输的方式将获取的信号放大后传递到地面计算机进行存储和分析。贾立翔等[27]通过对光纤光栅技术的研究，建立了离心机测试系统，该系统采用分布式传感网络结构和多线程模式，具有结构简单、工作状态稳定、应用范围广泛、轻便易布设等优点，系统的组成及工作流程见图6。

图4 静态测量系统[18]

图5 动态测量系统[18]

图6 监测系统组成[27]

3 土工离心机存在的主要问题

3.1 离心机消耗功率大

土工离心机的驱动功率主要包括摩擦功率、惯性功率和气阻功率，其中摩擦功率恒定不变。在离心机开始运转的过程中，旋转角加速度的大小对惯性功率影响较大，此时离心机的驱动功率主要受惯性功率影响。当离心机转臂进入匀速运转阶段后，风阻功率在离心机总消耗功率中占主要部分，风阻功率受多方面因素影响，包括离心机所处的空气流场、离心机转臂和吊篮的形状等。减少风阻功率的方式很多，如将离心机转动系统安置于密闭实验室内，使实验室内的空气随转臂转动方向运动，减少风阻；还可以通过改变转臂、吊篮等结构的形状，减小其运行方向与空气的接触面积，从而达到减阻的效果，进一步降低离心机功率消耗。对于加速度很高的离心机，还可以采用真空实验室的环境达到降低功耗的效果[18]。孙述祖[28]通经过大量研究，总结归纳了包括低气压密封空气流场法、开放式空气流场法在内的几种主要的空气流场选择方法，还证明了风阻功率受离心机海拔高度、湿度和温度等环境因素的影响。郭轶楠等[29]通过雷诺运输方程和CFD 模拟结合的方法，发现氦气工质置换空气工质能大幅度降低风阻功率。王永志等[30]通过制作风阻功率简化模型，发现转臂转速也是影响其发生变化的因素之一，并通过试验证明了公式的准确性，简化公式见式（1）。

此外，谭凤明还积极配合优质厂家，打破小厂家请客吃饭、忽悠团走街宣传的模式，通过科学的示范试验观摩和农技推广知识讲座，用效果和服务打动并引导农民科学选肥，正确用肥，增产增收。通过差异竞争和服务发力，世纪农资赢得了转型升级的先发优势。

式中：Nt为风阻功率；u为取决于转臂和吊篮尺寸参数及空气密度的常值；C为吊篮和转臂风阻系数；α为空气与转臂随流比；ω为转臂角速度。

法国Astronic 公司[31]从离心机吊篮在风洞中的平动现象入手得出了气动阻力公式，见式（2）。

式中：Cx为修正后的有效风阻系数；Vv为随流空气环向线速度；Sn为迎风面积。

3.2 主机室内温升问题

大型土工离心机在运作过程中，由于旋转半径大，转速快，很大一部分动能转化为热能，如不进行合适的处理，会使机室温度迅速上升，对设备产生严重的危害，例如使传感器灵敏度降低或使数据传输的效率变低等，极大地影响离心机的工作效果[32]。目前常用的离心机冷却方式主要有空气冷却和液体冷却两种，空气冷却又分为自然冷却和强制冷却[33]。由于离心机内部产热速度快，自然冷却效率不足，因此多为强制冷却方式进行冷却，即用风扇促使机室内部空气强制流动，加强了空气的对流传热，通过空气的置换带走机室累积的热量。

3.3 其他问题

（1）离心机在运行过程中噪音很大，将离心机设备放置于密闭实验室，并在周围安装吸音材料可有效减少试验产生的噪音。

（2）若离心机放置于地下室中，要充分考虑设备所处的环境因素。做好通风防潮措施，保证设备干燥，利于延长离心机的使用寿命。

（3）由于离心模型试验过程中，模型不同部位受到的加速度不同，因此试验误差不可避免。研究表明，这种误差属于系统误差，传递趋势收敛，因此一般不会影响试验结果[34]。但当进行如爆炸等短时间内模型发生剧烈变化的试验时，模型介质会在短时间内产生一个较高的飞行速度，这个速度可能会与离心机转臂的转动速度相同，则会对试验结果产生不利的影响，该加速度被称为科氏加速度[35]。

4 离心机的应用及展望

伴随土工离心模型试验技术的飞速发展，各种离心机辅助设备的开发利用也不断发展，如通过离心机振动台进行动力试验，还原实际工程原型的动力响应，用降雨模拟装置研究模型在雨天下受到的应力和变形等参数，或用机械手模拟边坡开挖等[36-38]。这项技术广泛深入岩土工程的各个领域，在动力工程、模拟降雨、地基处理等工程领域的研究起到了至关重要的作用。20 世纪中期以来，离心模型试验技术的相关成果不断涌现。如Loli 等[39]利用土工离心机和差异位移控制器，结合ABAQUS 有限元软件，通过将离心机试验与数值模拟相结合的手段，发现了地基正断层与箱型基础之间的相互作用关系，研究成果能有效预防地震作用对建筑物的破坏；赵 宇等[40]通过离心机模拟超重力场，通过降雨模拟系统制定坐标系，综合运动学和动力学方程求解雨滴运动轨迹，改良了传统计算雨滴运动轨迹的方法；王永志等[41]提出设立的冻融循环系统可模拟土壤冻结硬化、融化蠕变等过程；陈 景等[42]通过离心试验并结合数据分析，揭示了土质路堑高边坡在开挖卸载过程中的变形特性和坡体应力变化特点；王维早等[43]借助离心机模拟了南江县七岭村滑坡的变形破坏过程，探究了该堆积层滑坡的形成机理；马险峰等[44]研发了顶管工程注浆模拟系统，在离心机作用下发现了顶管注浆压力和注浆量大小与地层沉降的关系，为顶管施工的注浆方式提供了理论指导；冯文凯等[45]通过地表位移检测和离心模型试验相结合的手段研究了三峡库区木鱼包滑坡在不同库水升降率条件下的变心响应规律，为该地区的边坡防治提供有益借鉴；巨能攀等[46]在“5.12”汶川地震背景下，通过离心振动台试验研究，得出了陡倾顺层斜坡在强烈地震作用下的倾倒变形机制和动力响应规律特性；张陈羊等[47]通过建立陡倾顺层斜坡的离心振动台模型，在离心条件下得到了减小离心试验系统误差、传感器测量误差、模型边界效应等问题的方法；裴向军等[48]以黑方台焦家滑坡为原型，建立离心模型，并在此模型后部加装排水挡板和临时水箱，通过试验对模型的孔隙水压力、土压力等参数进行实时监测，据此总结了地下水位雍高条件下边坡的变形破坏特征和失稳机理，为该类型边坡防治提供了有效建议。此外，随着近年来有限元、离散元等数值模拟软件的兴起，离心模拟结合数值分析的手段逐渐在科研领域普及。如郭轶楠等[49]利用k-omega SST 湍流模型和MRF 多参考系方法对ZJU400 土工离心机进行数值模拟，结合试验结果总结了一套可靠的CFD 模拟方法，该方法可以用于估算离心机风阻功率；张 浩等[50]通过离心振动台试验，结合三维数值模拟，总结了砂土地基中垫层隔震基础的隔震机理，并根据实验数据分析得到了该基础地震响应的影响规律。唐春安等[51]将离心加载算法引入岩石破裂分析系统（RFPA）中，形成RFPA 离心加载法，通过该方法可得到岩土结构的破坏区域或滑移破坏面，并进一步求得安全储备系数，通过该软件分析的结果与传统的物理试验、折减法等均无明显差异，利用这款软件能够避免折减法繁琐的计算规则，并且易于和物理试验相互验证，能有效地应用于岩土工程稳定性分析。

随着科技的迅速发展，土工离心试验技术水平必将不断提升，应用面也将越来越宽泛，在各个领域的使用也会越来越有针对性。目前已将土工离心机试验研究深入到泥石流、滑坡、崩塌、植被/土工织物加固边坡、断层研究等领域。除了要在这些领域深入开展土工离心试验研究外，还可在生态环境修复、防灾减灾、地下空间开发利用等方面开展深入研究。由于我国的离心试验技术起步较晚，尽管进步迅速，但与一些发达国家相比仍有差距，数值模拟的应用尚不成熟，土工离心试验研究成果有待进一步提升。

5 结论

通过对土工离心机的原理、结构组成、目前的研究与应用进展以及存在的主要问题等进行系统梳理和归纳，得到如下主要结论：

（1）土工离心机作为小尺寸物理模型试验必备的试验设备，通过合理运用不仅能高度还原现场的实际工况，还能获得常规测试手段难以得到的工程现象和结果。随着对复杂工况条件、重大工程项目、防灾减灾等需求日益增多，土工离心机的功能越发完善，可为更多复杂工况的工程研究提供坚实的试验基础，已成为土工试验必备的大型科学仪器。

（2）土工离心机消耗功率大的主因在于风阻功率，可将离心机转动系统置于封闭的试验空间内，使机室内的空气流动方向与转臂的转动方向相同，以期尽可能减小风阻，合理改变转臂的转速也能减小风阻。此外，针对于离心机的温升问题，可采用强制冷却方式进行冷却达到降温目的。对于离心机误差问题，一般在合理范围内不影响试验结果，但若试验过程中有类似爆炸等现象发生，则需考虑科氏加速度带来的影响。

（3）当前已有不少学者和工程技术人员在隧道及地下工程、地基基础、地质灾害防治等工程技术领域开展土工离心机试验，取得了许多科研和工程应用成果，为相关工程技术难题的合理解决奠定了坚实的基础。随着科学技术的不断发展与进步，土工离心机技术也必将在更多的专业技术领域中得到推广应用。

（4）未来研究目标应持续着力于土工离心机设计，研制出功能更全面、性能更优良、更节能和环保的土工离心机试验系统及其配套装置。