“在國(guó)家、天津市等有關(guān)部門以及中交集團(tuán)的大力支持下，中交一航局建立起來(lái)了這臺(tái)大型巖土工程試驗(yàn)利器，作為國(guó)內(nèi)企業(yè)界首臺(tái)土工離心機(jī)，將為今后解決和指導(dǎo)重大工程建設(shè)中的地基沉降、穩(wěn)定性等工程難題發(fā)揮重要作用?！?月23日，中交天津港研院（以下簡(jiǎn)稱“港研院”）巖土所模型試驗(yàn)室主任王雪奎笑著對(duì)記者介紹說(shuō)。

在巖土工程研究領(lǐng)域，土工離心機(jī)是大家公認(rèn)的重大裝備，近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外的交通運(yùn)輸重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的問(wèn)診把脈中它從來(lái)沒(méi)有缺席過(guò)。2021年7月，TPEI-200土工離心機(jī)正式投入使用，它是國(guó)內(nèi)外為數(shù)不多的神器，也是港研院近些年來(lái)投入最大的單項(xiàng)研發(fā)裝備之一。土工離心機(jī)有何作用？建設(shè)難點(diǎn)何在？應(yīng)用效果如何？近日，記者走近港研院，以TPEI-200土工離心機(jī)為切入點(diǎn)，探尋土工離心機(jī)背后的故事。

【資料圖】

壓縮時(shí)空 呈現(xiàn)最真實(shí)變化

拖動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)、轉(zhuǎn)臂系統(tǒng)組成機(jī)械骨架，稀油站、高壓油源、油氣管路等組成血液系統(tǒng)，傳感器、光電系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)組成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)……走進(jìn)港研院巖土所模型試驗(yàn)室，一個(gè)“腰寬”8米、身高6米的劍形機(jī)器躍入眼簾，這就是TPEI-200土工離心機(jī)。

“在港航等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目中，凡是涉及工程建設(shè)中的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、地基穩(wěn)定性、變形、地基與結(jié)構(gòu)相互作用等方面的技術(shù)問(wèn)題，都可以先上土工離心上去體驗(yàn)一下，尤其是那些重大工程的疑難雜癥問(wèn)題，沒(méi)有先例、缺乏經(jīng)驗(yàn)?！蓖跹┛钢鳷PEI-200土工離心機(jī)介紹說(shuō)。

土工離心機(jī)能夠產(chǎn)生加速分離、能量強(qiáng)化、時(shí)空壓縮等三種基本科學(xué)效應(yīng)，從而可以用小尺寸模型去還原大尺寸原型建筑的受力狀況，對(duì)大部分巖土工程問(wèn)題進(jìn)行深入研究，為設(shè)計(jì)和施工提供技術(shù)支撐，更好地指導(dǎo)實(shí)踐。

王雪奎介紹，像港珠澳大橋等重特大工程，都需要對(duì)一些重要部位進(jìn)行按比例縮小后的模型試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證和優(yōu)化調(diào)整工程的材料、尺寸、形狀等重要參數(shù)，土工離心機(jī)最適合解決這一類難題。“舉個(gè)例子，想知道100米高的邊坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，只需要在土工離心機(jī)上造一個(gè)1m高的模型，再用土工離心機(jī)施加上100倍重力加速度的重力場(chǎng)，就能模擬實(shí)際效果?！?/p>

“土工離心機(jī)還擁有著‘壓縮時(shí)空，瞬息萬(wàn)年’的作用，可以說(shuō)土工離心機(jī)方一日，工程已百年?！敝薪灰缓骄指笨偣と~國(guó)良作為資深的巖土工程人更是一語(yǔ)中的。

根據(jù)時(shí)間相似規(guī)律，土工離心機(jī)上幾十分鐘的試驗(yàn)，可以模擬現(xiàn)實(shí)工程數(shù)年的施工過(guò)程，是目前最先進(jìn)、最有效的一種研究問(wèn)題的方法。以TPEI-200土工離心機(jī)為例，項(xiàng)目模型在離心機(jī)上試驗(yàn)1分鐘所發(fā)生的變化，相當(dāng)于實(shí)際工程4萬(wàn)分鐘所發(fā)生的變化。

披荊斬棘 多年期盼終成真

2021年7月23日，港研院臨港科研試驗(yàn)基地里一派熱火朝天：校核比尺，檢查激光位移計(jì)、土壓力計(jì)、應(yīng)變片……一項(xiàng)項(xiàng)試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作正在緊鑼密鼓地向前推進(jìn)。就在當(dāng)天，要完成TPEI-200土工離心機(jī)第一次試驗(yàn)任務(wù)，這一刻，港研人已整整等待了15年。

TPEI-200土工離心機(jī)的建成十分不易。從2006年港研院向交通運(yùn)輸部提交建設(shè)土工離心機(jī)立項(xiàng)申請(qǐng)開始，到2008年交通運(yùn)輸部正式批復(fù)；從2006年底港研院向上級(jí)提交用于安置土工離心機(jī)等的科研試驗(yàn)基地建設(shè)申請(qǐng)報(bào)告，到2012年中交集團(tuán)正式批準(zhǔn)。在TPEI-200土工離心機(jī)動(dòng)工建設(shè)之前，港研院花了6年時(shí)間對(duì)建設(shè)方案不斷進(jìn)行優(yōu)化。

“和前幾代港研人的等待比起來(lái)，我們是幸運(yùn)的！”回憶起這段經(jīng)歷，時(shí)任港研院總經(jīng)理李樹奇滿是自豪。

進(jìn)入建設(shè)階段，一切也并非一帆風(fēng)順。面臨缺少技術(shù)團(tuán)隊(duì)、缺少工作經(jīng)驗(yàn)，港研院一方面積極引進(jìn)具有離心機(jī)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的高學(xué)歷人才，一方面走訪有土工離心機(jī)建設(shè)維護(hù)經(jīng)驗(yàn)的高等校院、研制單位，對(duì)離心機(jī)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)方案可謂精雕細(xì)琢，最終形成了具有鮮明特色的土工離心機(jī)建設(shè)方案。

2019年10月，TPEI-200土工離心機(jī)系統(tǒng)正式進(jìn)入安裝調(diào)試階段，系統(tǒng)整體由拖動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、數(shù)采、油路等十幾個(gè)分系統(tǒng)構(gòu)成，是一個(gè)不折不扣的龐大的系統(tǒng)，僅廠家就先后安排了十多個(gè)不同專業(yè)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)以及分包商前來(lái)參與安裝調(diào)試。消化接受這個(gè)龐然大物，對(duì)試驗(yàn)室新組建的“小白”團(tuán)隊(duì)成員們是個(gè)極大的考驗(yàn)。土工離心機(jī)團(tuán)隊(duì)成員按專業(yè)對(duì)每一個(gè)安裝調(diào)試階段的每一個(gè)分系統(tǒng)均進(jìn)行了詳細(xì)的專業(yè)學(xué)習(xí)分工與安裝調(diào)試配合計(jì)劃，白天鉆進(jìn)悶熱的離心機(jī)主機(jī)室與廠家安裝調(diào)試人員一起研究、調(diào)試，晚上又圍坐一起補(bǔ)其他專業(yè)知識(shí)、“啃”白天不解的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)將近兩年的時(shí)間，七百多個(gè)日日夜夜，終于完成了土工離心機(jī)的安裝調(diào)試，揭開我國(guó)企業(yè)界第一臺(tái)土工離心機(jī)的“面紗”，團(tuán)隊(duì)成員也從廠家手中正式接管了這臺(tái)“大家伙”，正式扛起TPEI-200土工離心機(jī)的科研重任。

值得一提的是，如今的TPEI-200土工離心機(jī)正同當(dāng)初大家的期待一樣，在國(guó)內(nèi)同類型的試驗(yàn)室中，成為最具有水運(yùn)行業(yè)特色的土工離心機(jī)，水位升降機(jī)器人、拋填機(jī)器人、水運(yùn)工程打樁、基坑開挖、砂石拋填等等一批水運(yùn)行業(yè)特色的專業(yè)輔助設(shè)備已開始為水運(yùn)工程的重大工程的科研工作施展拳腳。

見效見彩 試驗(yàn)數(shù)值與現(xiàn)場(chǎng)基本一致

伴隨著大型離岸工程建設(shè)的方興未艾，港珠澳大橋、深中通道等一批重大工程逐漸展現(xiàn)在我們面前，插入式薄壁鋼圓筒結(jié)構(gòu)作為離岸工程的關(guān)鍵技術(shù)之一，也列入了一航局的核心技術(shù)集群。TPEI-200土工離心機(jī)接到的第一個(gè)任務(wù)就是利用土工離心機(jī)來(lái)驗(yàn)證鋼圓筒承載、穩(wěn)定機(jī)理等技術(shù)難題，以驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)、計(jì)算與工程實(shí)際的一致性，從而更好地服務(wù)深中通道項(xiàng)目的建設(shè)。

王雪奎解釋說(shuō)，海上人工島建設(shè)時(shí)，需要將一個(gè)個(gè)直徑二三十米、高四五十米的鋼圓筒插入地基，形成一個(gè)完整的護(hù)岸結(jié)構(gòu)，鋼圓筒的穩(wěn)定與否，直接關(guān)系著深中通道人工島的安全，不容有失。

研究制定試驗(yàn)方案、制作鋼圓筒模型、還原現(xiàn)場(chǎng)地基土層、安裝架設(shè)各種監(jiān)測(cè)傳感器等等一道道工序……

5g、50g、120g，逐級(jí)對(duì)鋼圓筒模型施加離心力；1kN、2kN、5kN……推力裝置施加荷載，鋼圓筒和地基緩慢破壞。

側(cè)向位移、土壓力、孔隙水壓力、水平推力等等各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)像流水一樣不斷襲來(lái)……

“鋼圓筒的破壞主要是表現(xiàn)為鋼圓筒和地基的整體失穩(wěn)破壞導(dǎo)致，試驗(yàn)時(shí)破壞的最大荷載遠(yuǎn)大于現(xiàn)場(chǎng)波浪產(chǎn)生的荷載，因此，試驗(yàn)結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性是有保證的”“鋼圓筒破壞時(shí)最大應(yīng)力出現(xiàn)在海側(cè)和中心線方向靠近筒底部位，工程中應(yīng)加固這些部位”“在水中鋼圓筒的破壞模式是傾斜倒下去，不是前移傾倒，相關(guān)預(yù)案可以以此為落腳點(diǎn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)”……看到離心模型試驗(yàn)得出的一項(xiàng)項(xiàng)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果完美契合，離心機(jī)控制室內(nèi)一片歡騰。

“在后來(lái)項(xiàng)目建設(shè)中，我們離心機(jī)試驗(yàn)的結(jié)果，也是與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致。”王雪奎說(shuō)道。

近期，TPEI-200土工離心機(jī)又相繼完成了超高水壩面板堆石壩項(xiàng)目的變形研究、連云港廢棄物筑堤工程的穩(wěn)定性研究等一系列試驗(yàn)任務(wù)。目前，港研院正在利用TPEI-200土工離心機(jī)，研究改進(jìn)海上石油平臺(tái)設(shè)計(jì)優(yōu)化。王雪奎介紹，海上石油平臺(tái)是由立柱與甲板構(gòu)成的“十”字形結(jié)構(gòu)，生活區(qū)、工作區(qū)、儲(chǔ)油區(qū)都在甲板上，平臺(tái)重心高，抗風(fēng)浪能力差，為增強(qiáng)平臺(tái)安全性穩(wěn)定性，他們正在研究把儲(chǔ)存油罐放在海面以下，讓石油平臺(tái)重心靠下的可行性。

“今后，我們計(jì)劃在重點(diǎn)開展中交集團(tuán)重大工程建設(shè)項(xiàng)目技術(shù)支撐的同時(shí)，積極開展大型儀器設(shè)備開放共享，與相關(guān)高等院校、科研機(jī)構(gòu)保持良好的互動(dòng)和溝通，讓TPEI-200土工離心機(jī)成為一個(gè)開放性的科研平臺(tái)，最大限度地發(fā)揮其功能與價(jià)值。”談及下一步發(fā)展方向，王雪奎信心滿滿。

十五載建設(shè)終成器，這里承載著太多巖土工程人的過(guò)去、現(xiàn)在與夢(mèng)想，也必將幫助越來(lái)越多的巖土人在實(shí)現(xiàn)理想的道路上披荊斬棘，而這一切才剛開始……

關(guān)鍵詞： 巖土工程