基于液壓系統(tǒng)的離心模擬試驗(yàn)大荷載施加方法研究

梁建輝，宋獻(xiàn)慧

（中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048）

基于液壓系統(tǒng)的離心模擬試驗(yàn)大荷載施加方法研究

梁建輝，宋獻(xiàn)慧

（中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048）

離心模擬試驗(yàn)是通過離心機(jī)的轉(zhuǎn)動創(chuàng)造超重力場，使小比尺模型處于原型應(yīng)力狀態(tài)，從而模擬土工構(gòu)筑物力學(xué)特性的一種研究手段。隨著工程技術(shù)的不斷發(fā)展和技術(shù)難度的逐漸提高，在超重力場中開展模擬實(shí)際工況中的特定動作，逐漸成為離心模擬試驗(yàn)中的一個熱點(diǎn)問題，而如何在超重力場中實(shí)現(xiàn)大荷載力的施加是離心模型試驗(yàn)研究中的一個難點(diǎn)。為解決這一問題，中國水利水電科學(xué)研究院基于液壓技術(shù)，開發(fā)了可在超重力場中模擬各種施工動作的試驗(yàn)系統(tǒng)，本文介紹了該系統(tǒng)的工作原理和主要特點(diǎn)，并結(jié)合試驗(yàn)案例，證明該系統(tǒng)的實(shí)用與可靠性。

離心模擬試驗(yàn)；液壓系統(tǒng)；大荷載力；超重力場

1 研究背景

隨著離心機(jī)模擬試驗(yàn)技術(shù)的不斷發(fā)展、試驗(yàn)手段的不斷豐富和測試設(shè)備的推陳出新，極大地完善了離心模擬試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)內(nèi)容［1］。同時，隨著離心機(jī)試驗(yàn)種類及應(yīng)用領(lǐng)域的迅速擴(kuò)展，如何在離心模擬試驗(yàn)過程中模擬各種實(shí)際工況中的特定動作，由此帶來了從未遇到的新的問題。由于原有設(shè)備存在著很大的局限性，達(dá)不到試驗(yàn)工況提出的基本測試條件，因而無法測試到相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。為解決這些問題，實(shí)現(xiàn)在超重力場中模擬各種施工動作，中國水利水電科學(xué)研究院基于液壓技術(shù)，開發(fā)了液壓動作模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備結(jié)構(gòu)簡單、共能多樣、易于改裝和施加荷載范圍大的特點(diǎn)。本文將通過介紹利用該系統(tǒng)完成特定動作的試驗(yàn)，說明該系統(tǒng)的工作原理和技術(shù)特點(diǎn)。

圖1和圖2是中國水利水電科學(xué)研究院離心模擬實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)設(shè)備［2］。圖1是450g-ton大型土工離心機(jī)主體，其中高4 m，直徑12 m。圖2是控制室相關(guān)設(shè)備，包括離心機(jī)控制臺以及監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1 450g-ton 大型土工離心機(jī)

圖2 控制臺和監(jiān)控系統(tǒng)

土工離心模型試驗(yàn)通過將土工模型放置在高速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)中，通過模型收到的數(shù)倍至數(shù)百倍的重力加速度，使土工模型在縮小尺寸的情況下能夠模擬原形土體的應(yīng)力狀態(tài)。通過模型試驗(yàn)，可以在一定離心模擬相似比尺的條件下，減少模型尺寸，縮短模型試驗(yàn)時間，研究工程實(shí)際問題。目前，采用離心機(jī)進(jìn)行離心模型試驗(yàn)已成為研究巖土工程問題的有效手段之一［3］。

通過土工離心機(jī)上配置開挖、填筑、鑿洞、支護(hù)、錨固、觸探等系統(tǒng)，可在試驗(yàn)過程中用來模擬相應(yīng)的工程施工過程，用以研究結(jié)構(gòu)，荷載變化，以及不同施工方式所帶來的工程問題，為力學(xué)分析與施工設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

本文介紹的系統(tǒng)是一種用于離心機(jī)試驗(yàn)平臺的測試系統(tǒng)，如圖3所示。其中包括：供壓分系統(tǒng)，主要是液壓泵，泵與交流電源及電磁閥連接，電磁閥與壓力傳感器及通壓油管連接，通壓油管裝有液控單向閥；量測分系統(tǒng)，主要是壓力室，壓力室底部通過螺釘與支架固定連接，側(cè)部與通壓油管連接，支架上安裝有位移傳感器，連桿的一端，穿過支架與內(nèi)部活塞連接，另一端與側(cè)頭連接，側(cè)頭上安裝有孔隙水壓力及土壓力傳感器；采集控測分系統(tǒng)，包括傳感器連接線，采集箱，計(jì)算機(jī)及液控單向閥控制開關(guān)，采集箱通過傳感器連接線分別與壓力傳感器，位移傳感器及孔隙水壓力及土壓力傳感器連接，計(jì)算機(jī)與采集箱連接，液控單向閥控制開關(guān)與電磁閥連接。

通過該套液壓測試系統(tǒng)，進(jìn)行了很多不同類型的試驗(yàn)，例如在涉及到邊坡穩(wěn)定類試驗(yàn)中，如邊坡的開挖、加荷等，陳祖煜等［4］曾詳細(xì)闡述了邊坡穩(wěn)定的理論及驗(yàn)證方法，據(jù)此采用該系統(tǒng)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定試驗(yàn)；在混凝土面板堆石壩的離心模型試驗(yàn)中，運(yùn)用該系統(tǒng)調(diào)整線激光測試傳感器，測試面板的不均勻變形、周邊縫變形，依據(jù)徐澤平等人［5］的試驗(yàn)方法，首次完成了大于1000測點(diǎn)的面板的不均勻變形測試，取得了完美的測量結(jié)果；在壩肩變坡離心機(jī)試驗(yàn)中，需在坡頂分級施加荷載，該試驗(yàn)需應(yīng)用液壓測試系統(tǒng)逐級控制釋放荷載，逐級完成數(shù)據(jù)采集［6］；上述試驗(yàn)均需要在要求的重力場下進(jìn)行施工模擬，當(dāng)模型在重力場下穩(wěn)定時，依據(jù)試驗(yàn)要求，在規(guī)定的運(yùn)行時間內(nèi)，控制液壓系統(tǒng)完成上述開挖、加荷等動作，通過測試采集系統(tǒng)，采集傳感器的各種相關(guān)數(shù)據(jù)。

本文主要介紹海底鈣質(zhì)土上重力錨水平承載力離心模型試驗(yàn)研究。該試驗(yàn)需滿足海底復(fù)雜工況要求，使用了不同類型的傳感器及設(shè)備。

該實(shí)驗(yàn)采用液壓系統(tǒng)來解決大荷載力的施加，液壓系統(tǒng)可以在超重力場下完成特定的施工動作。與一些已有的設(shè)備相比，液壓系統(tǒng)施加大荷載力具有很多優(yōu)勢，例如一些過去試驗(yàn)中測量不到的數(shù)據(jù)可通過該系統(tǒng)測量，并且在不同試驗(yàn)中，液壓系統(tǒng)缸體做功方向可以多樣。本文介紹的試驗(yàn)缸體做功方向與加速度方向相反。

2 海底鈣質(zhì)土上重力錨水平承載力離心模型試驗(yàn)

近些年，離心模擬試驗(yàn)技術(shù)開始應(yīng)用于海洋研究，通常海洋鉆井平臺需要在深海作業(yè)，本文試驗(yàn)中利用液壓系統(tǒng)，解決了在大荷載力施加下進(jìn)行不同施工動作模擬問題。

本試驗(yàn)進(jìn)行鈣質(zhì)土重力錨的抗滑穩(wěn)定離心模型試驗(yàn)，提供重力錨抗滑過程中力與位移的變化關(guān)系以及基底壓力變化情況。主要研究3個方面問題：（1）重力錨在不同類型鈣質(zhì)土上的水平承載力；（2）不同重力錨錨底形式對承載力的影響；（3）研究在不同情況下重力錨在鈣質(zhì)土上的水平失穩(wěn)機(jī)理。

試驗(yàn)設(shè)備包括液壓泵、數(shù)據(jù)采集器、重力錨、點(diǎn)激光傳感器、線激光傳感器、高清攝像系統(tǒng)、測壓傳感器和模型箱等。

圖3是液壓及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，液壓用于模型試驗(yàn)過程中施加動作的做功，使結(jié)構(gòu)件在試驗(yàn)過程中完成推、壓、拔等相關(guān)動作。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)控制，同時采集各種傳感器相關(guān)數(shù)據(jù)。圖4是點(diǎn)激光位移傳感器，該傳感器可采集高精度位移量，用于分析結(jié)構(gòu)體及結(jié)構(gòu)件變形量。圖5是線激光位移傳感器，該傳感器可在被測物表面發(fā)射一條測試線段，此測試線段可在同一時刻發(fā)出1024測點(diǎn)，可對測試線段內(nèi)的結(jié)構(gòu)體進(jìn)行不規(guī)則變形測試、采集相關(guān)數(shù)據(jù)。圖6是模擬的重力錨模型。重力錨在深海中主要靠材料本身重量來抵抗外力，部分靠錨與土壤之間的摩擦力來抵抗。圖7是不同底面結(jié)構(gòu)的重力錨模型。圖8是高清攝像系統(tǒng)，可以抓拍到重力錨被拖拉的詳細(xì)過程。圖9是試驗(yàn)安裝圖，可看出液壓缸和整個模型箱的安裝連接及工作過程。本試驗(yàn)中缸體做功方向與加速度方向相反，液壓系統(tǒng)在離心機(jī)加速度15 g時穩(wěn)定運(yùn)行，液壓系統(tǒng)提供拉力，使運(yùn)動件（重力錨）移動至設(shè)定位置，同時測量運(yùn)動件（重力錨）移動中的位移量與拉力值、起伏變化值、高精度圖像采集值。

液壓系統(tǒng)提供強(qiáng)大的拉力，可以完成運(yùn)動件（重力錨）的定向位移，在設(shè)計(jì)位移范圍內(nèi)，通過壓力傳感器和激光位移傳感器，精確得出每一時刻的拉力與移動距離的關(guān)系曲線。同時通過線激光傳感器，精確測量每一時刻運(yùn)動件（重力錨）不同位置動態(tài)起伏位移值。運(yùn)動件（重力錨）拉力最大值0.7 t。圖10是模擬重力錨在海底被拖拉的過程，該圖采用了高清晰攝像頭，拍攝試驗(yàn)過程中運(yùn)動件（重力錨）的運(yùn)動軌跡，用于分析各個時刻的相關(guān)數(shù)據(jù)，如：重力錨在位移過程中對土體的作用力，及重力錨在位移過程中的起伏量，對土體的作用深度，等等。

圖3 液壓及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

圖4 點(diǎn)激光位移傳感器

圖5 線激光位移傳感器

圖6 重力錨模型

圖7 不同底面結(jié)構(gòu)的重力錨模型

圖8 高清攝像系統(tǒng)

圖9 試驗(yàn)安裝圖

圖10 模擬重力錨在海底被拖拉過程

試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)可在同一時刻得到運(yùn)動件（重力錨）移動距離、拉力值、運(yùn)動起伏位移值和起伏軌跡變化值。圖11是通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的曲線圖。本試驗(yàn)數(shù)據(jù)合理，滿足了海底的工況要求，得到了合理的結(jié)論。

圖11 采集到的數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

本文通過一個深海拖拉重力錨的試驗(yàn)案例，介紹了液壓系統(tǒng)在離心機(jī)重力場下提供大荷載力的原理及使用方式。缸體做功方向與加速度方向相反，液壓系統(tǒng)在離心機(jī)加速度15g時穩(wěn)定運(yùn)行，液壓系統(tǒng)提供拉力，使運(yùn)動件（重力錨）移動至設(shè)定位置。

本文介紹的液壓系統(tǒng)提供了用于離心機(jī)試驗(yàn)平臺的測試系統(tǒng)，包括：供壓分系統(tǒng)，該供壓分系統(tǒng)包括液壓泵、交流電源、電磁閥、壓力傳感器、通壓油管及液控單向閥；量測分系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括壓力室、支架、位移傳感器、連桿、內(nèi)部活塞、測頭、孔隙水壓力傳感器及土壓力傳感器；采集控制分系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括傳感器連接線、采集箱、計(jì)算機(jī)及液控單向閥控制開關(guān)；壓力室與通壓油管連接，采集箱通過傳感器連接線分別與壓力傳感器、位移傳感器及孔隙水壓力傳感器連接，液控單項(xiàng)閥控制開關(guān)與電磁閥連接。提高了測試效率及測試能力，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍及深度測試范圍，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低了制造成本，增強(qiáng)了實(shí)用性。

重力場下缸體的做功方向及安裝位置角度的不同，直接關(guān)系到液壓系統(tǒng)能否正常工作，同時設(shè)備輔助件也會對液壓系統(tǒng)產(chǎn)生諸多影響，各種試驗(yàn)工況要求不同，穩(wěn)定控制、移動時間控制、位置控制和壓力測試，均對液壓系統(tǒng)的配置與使用提出了很高的要求，安裝調(diào)試工作量占到了試驗(yàn)總體工作量70%以上。液壓系統(tǒng)工作狀態(tài)和穩(wěn)定性直接關(guān)乎試驗(yàn)的成敗。

通過試驗(yàn)案例可以看到，液壓系統(tǒng)應(yīng)用在離心機(jī)試驗(yàn)中，有其突出的特點(diǎn)，表現(xiàn)在：（1）可提供強(qiáng)大的做功動力，通常離心機(jī)的測試設(shè)備大多由電機(jī)提供動力，受試驗(yàn)平臺體積安裝位置限制、滑環(huán)容量限制等諸多不變，當(dāng)工程試驗(yàn)中需要大功率動作時，難以完成，因此液壓系統(tǒng)是很好的選擇；（2）液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟，輔助件種類豐富，易于配套加工。

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Abstract：The purpose of centrifuge modelling is to produce a physical scaled model to replicate the real prototype system by increasing the gravitational acceleration level and proportionally reducing the dimen?sions.Due to rapid progress of technologies，how to simulate some specified motions in high gravitational field becomes a hot topic.How to exert large load force is the most difficult problem to solve in centrifuge modelling researches.IWHR made a hydraulic system that can provide a large power and process specified geotechnical engineering motions in high gravitational field to solve this problem.This paper introduces the principles and features of this hydraulic system and proves it valid and reliable through an example.

Keywords：centrifuge modelling；hydraulic system；large load force；high gravitational field

（責(zé)任編輯：王成麗）

Research of exerting large load force for centrifuge modelling based on using hydraulic system

LIANG Jianhui，SONG Xianhui
（China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100048，China）

TU413.4

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.04.014

1672-3031（2017）04-0324-05

2017-06-15

梁建輝（1961-），男，北京人，高級工程師，主要從事離心機(jī)試驗(yàn)研究。E-mail：liangjh@iwhr.com