天天报道:土工离心机：岩土工程的“治土法宝”

“在国家、天津市等有关部门以及中交集团的大力支持下，中交一航局建立起来了这台大型岩土工程试验利器，作为国内企业界首台土工离心机，将为今后解决和指导重大工程建设中的地基沉降、稳定性等工程难题发挥重要作用。”9月23日，中交天津港研院（以下简称“港研院”）岩土所模型试验室主任王雪奎笑着对记者介绍说。

在岩土工程研究领域，土工离心机是大家公认的重大装备，近些年来国内外的交通运输重大基础设施建设的问诊把脉中它从来没有缺席过。2021年7月，TPEI-200土工离心机正式投入使用，它是国内外为数不多的神器，也是港研院近些年来投入最大的单项研发装备之一。土工离心机有何作用？建设难点何在？应用效果如何？近日，记者走近港研院，以TPEI-200土工离心机为切入点，探寻土工离心机背后的故事。

【资料图】

压缩时空 呈现最真实变化

拖动电机、减速机、转臂系统组成机械骨架，稀油站、高压油源、油气管路等组成血液系统，传感器、光电系统、计算机组成神经网络……走进港研院岩土所模型试验室，一个“腰宽”8米、身高6米的剑形机器跃入眼帘，这就是TPEI-200土工离心机。

“在港航等基础设施建设项目中，凡是涉及工程建设中的结构强度、地基稳定性、变形、地基与结构相互作用等方面的技术问题，都可以先上土工离心上去体验一下，尤其是那些重大工程的疑难杂症问题，没有先例、缺乏经验。”王雪奎指着TPEI-200土工离心机介绍说。

土工离心机能够产生加速分离、能量强化、时空压缩等三种基本科学效应，从而可以用小尺寸模型去还原大尺寸原型建筑的受力状况，对大部分岩土工程问题进行深入研究，为设计和施工提供技术支撑，更好地指导实践。

王雪奎介绍，像港珠澳大桥等重特大工程，都需要对一些重要部位进行按比例缩小后的模型试验，通过试验来验证和优化调整工程的材料、尺寸、形状等重要参数，土工离心机最适合解决这一类难题。“举个例子，想知道100米高的边坡的长期稳定性，只需要在土工离心机上造一个1m高的模型，再用土工离心机施加上100倍重力加速度的重力场，就能模拟实际效果。”

“土工离心机还拥有着‘压缩时空，瞬息万年’的作用，可以说土工离心机方一日，工程已百年。”中交一航局副总工叶国良作为资深的岩土工程人更是一语中的。

根据时间相似规律，土工离心机上几十分钟的试验，可以模拟现实工程数年的施工过程，是目前最先进、最有效的一种研究问题的方法。以TPEI-200土工离心机为例，项目模型在离心机上试验1分钟所发生的变化，相当于实际工程4万分钟所发生的变化。

披荆斩棘 多年期盼终成真

2021年7月23日，港研院临港科研试验基地里一派热火朝天：校核比尺，检查激光位移计、土压力计、应变片……一项项试验前的准备工作正在紧锣密鼓地向前推进。就在当天，要完成TPEI-200土工离心机第一次试验任务，这一刻，港研人已整整等待了15年。

TPEI-200土工离心机的建成十分不易。从2006年港研院向交通运输部提交建设土工离心机立项申请开始，到2008年交通运输部正式批复；从2006年底港研院向上级提交用于安置土工离心机等的科研试验基地建设申请报告，到2012年中交集团正式批准。在TPEI-200土工离心机动工建设之前，港研院花了6年时间对建设方案不断进行优化。

“和前几代港研人的等待比起来，我们是幸运的！”回忆起这段经历，时任港研院总经理李树奇满是自豪。

进入建设阶段，一切也并非一帆风顺。面临缺少技术团队、缺少工作经验，港研院一方面积极引进具有离心机试验经验的高学历人才，一方面走访有土工离心机建设维护经验的高等校院、研制单位，对离心机的规划、设计、建设方案可谓精雕细琢，最终形成了具有鲜明特色的土工离心机建设方案。

2019年10月，TPEI-200土工离心机系统正式进入安装调试阶段，系统整体由拖动、转动、数采、油路等十几个分系统构成，是一个不折不扣的庞大的系统，仅厂家就先后安排了十多个不同专业的技术团队以及分包商前来参与安装调试。消化接受这个庞然大物，对试验室新组建的“小白”团队成员们是个极大的考验。土工离心机团队成员按专业对每一个安装调试阶段的每一个分系统均进行了详细的专业学习分工与安装调试配合计划，白天钻进闷热的离心机主机室与厂家安装调试人员一起研究、调试，晚上又围坐一起补其他专业知识、“啃”白天不解的问题。经过将近两年的时间，七百多个日日夜夜，终于完成了土工离心机的安装调试，揭开我国企业界第一台土工离心机的“面纱”，团队成员也从厂家手中正式接管了这台“大家伙”，正式扛起TPEI-200土工离心机的科研重任。

值得一提的是，如今的TPEI-200土工离心机正同当初大家的期待一样，在国内同类型的试验室中，成为最具有水运行业特色的土工离心机，水位升降机器人、抛填机器人、水运工程打桩、基坑开挖、砂石抛填等等一批水运行业特色的专业辅助设备已开始为水运工程的重大工程的科研工作施展拳脚。

见效见彩 试验数值与现场基本一致

伴随着大型离岸工程建设的方兴未艾，港珠澳大桥、深中通道等一批重大工程逐渐展现在我们面前，插入式薄壁钢圆筒结构作为离岸工程的关键技术之一，也列入了一航局的核心技术集群。TPEI-200土工离心机接到的第一个任务就是利用土工离心机来验证钢圆筒承载、稳定机理等技术难题，以验证理论设计、计算与工程实际的一致性，从而更好地服务深中通道项目的建设。

王雪奎解释说，海上人工岛建设时，需要将一个个直径二三十米、高四五十米的钢圆筒插入地基，形成一个完整的护岸结构，钢圆筒的稳定与否，直接关系着深中通道人工岛的安全，不容有失。

研究制定试验方案、制作钢圆筒模型、还原现场地基土层、安装架设各种监测传感器等等一道道工序……

5g、50g、120g，逐级对钢圆筒模型施加离心力；1kN、2kN、5kN……推力装置施加荷载，钢圆筒和地基缓慢破坏。

侧向位移、土压力、孔隙水压力、水平推力等等各种监测数据像流水一样不断袭来……

“钢圆筒的破坏主要是表现为钢圆筒和地基的整体失稳破坏导致，试验时破坏的最大荷载远大于现场波浪产生的荷载，因此，试验结果表明结构的整体稳定性是有保证的”“钢圆筒破坏时最大应力出现在海侧和中心线方向靠近筒底部位，工程中应加固这些部位”“在水中钢圆筒的破坏模式是倾斜倒下去，不是前移倾倒，相关预案可以以此为落脚点来进行设计”……看到离心模型试验得出的一项项数据与数值计算结果完美契合，离心机控制室内一片欢腾。

“在后来项目建设中，我们离心机试验的结果，也是与现场监测结果基本一致。”王雪奎说道。

近期，TPEI-200土工离心机又相继完成了超高水坝面板堆石坝项目的变形研究、连云港废弃物筑堤工程的稳定性研究等一系列试验任务。目前，港研院正在利用TPEI-200土工离心机，研究改进海上石油平台设计优化。王雪奎介绍，海上石油平台是由立柱与甲板构成的“十”字形结构，生活区、工作区、储油区都在甲板上，平台重心高，抗风浪能力差，为增强平台安全性稳定性，他们正在研究把储存油罐放在海面以下，让石油平台重心靠下的可行性。

“今后，我们计划在重点开展中交集团重大工程建设项目技术支撑的同时，积极开展大型仪器设备开放共享，与相关高等院校、科研机构保持良好的互动和沟通，让TPEI-200土工离心机成为一个开放性的科研平台，最大限度地发挥其功能与价值。”谈及下一步发展方向，王雪奎信心满满。

十五载建设终成器，这里承载着太多岩土工程人的过去、现在与梦想，也必将帮助越来越多的岩土人在实现理想的道路上披荆斩棘，而这一切才刚开始……

关键词： 岩土工程