交通运输部天津水运工程科学研究院

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TK-C500大型土工离心机

       交通运输部天津水运工程科学研究院TK-C500大型土工离心机是港口水工建筑技术国家工程研究中心的一个重要支撑部分,是目前我国有效容量最大、综合指标最先进的土工离心模型试验系统,其主要任务是开展与港口水工建筑技术国家工程研究中心研究方向相关的岩土工程物理模型试验,包括自然灾害的防控、大型水运工程的建设以及深水筑港、航道岸坡加固、土壤污染等前沿领域重大科技项目研究。

       TK-C500土工离心机有效容量达到500 g•t,最大加速度为250g,最大转动半径5m,吊篮设计空间为1.4m(长)×1.5m(宽)×1.5m(高),有效荷重100g下最大5t,250g下最大有效荷重2t,满足一般大型水工建筑物模型试验的要求,模型比尺大、试验接近原型的尺寸,试验精度高。为在离心机高速运转过程中,对试验模型进行不同试验条件的模拟,配备有打、拔桩机械手,坑洞开挖机械手,削坡与锚固机械手,波浪发生装置,潮汐发生装置,降雨装置等配套设备,同时配备水平/垂直双向振动台。

       离心模型试验通过离心力场的作用模拟土工结构物自重惯性力,使模型中应力水平与原型应力水平相等,从而达到表现、模拟原型的目的,是目前最有效的研究岩土材料在复杂静、动应力场下物理力学性能的手段。离心模型试验在土工结构机理和规划设计参数研究、设计方案优化比选、数学模型验证等方面应用广泛,现阶段已广泛应用于边坡稳定性分析、土石坝及防渗墙的应力变形研究、软土地基及固结沉降研究、挡土墙稳定性及土压力测试、结构-土相互作用研究、污染物运移扩散研究、施工过程模拟、海洋工程结构设计等。

应用领域

原型模拟

在开展土工物理模型试验过程中,当空间有限而不能建立全尺寸试验模型或者因为尺寸过大而造成费用过于昂贵时,土工离心模型试验极为实用,此类试验可以用一个较小的模型研究较大尺度范围内土体或结构物的变形情况。可研究的一般问题包括:地基承载力问题,边坡稳定问题,隧道开挖引起的地面沉降问题,沿海地区围海造陆的地面沉降问题,污染物迁移影响问题及抗震问题。

参数研究

试验中可以通过改变试验工况,如土体类型、几何关系、荷载及边界条件,或者降雨强度等,衡量这些参数对结果的影响并找到决定结果的关键参数。这类例子包括边坡问题,地基承载力设计问题,渗流过程中的关键设计参数问题。

新课题的研究

土工离心模型试验还可以用于研究一类难以理解或研究起来较为困难的现象。例如板块结构、爆炸坑体形成、地震引发的各种问题,土体液化以及土体内污染物的转移等。

数值模拟验证

一般来说,全尺寸的现场试验或者工程实例分析,难以到可靠的数据用来校核数值模拟结果。由于离心模型具有确定的土体参数、土体均匀度和边界条件,其试验的结果可以用来验证和校核数值模型和模拟过程。

参与课题

高水压条件下开挖面稳定离心模型试验

本试验依托琼州海峡隧道工程进行研究,琼州海峡水深接近200m,面临全断面厚砂层,盾构隧道在这种力学不稳定地层中掘进维持开挖面稳定及其困难。试验主要研究不同土层厚度、不同水深条件下隧道盾构机前部开挖面土体的稳定情况,为琼州海峡隧道建设提供理论支撑,试验离心加速度为100g、150g和200g。

码头岸坡稳定性离心模型试验

老旧高桩码头承台在后方高荷载情况下,易发生滑移变形,针对这一问题,在承台后方施工m形水泥搅拌桩形成连续加固体。本次离心模型试验主要研究加固体对高桩承台承载力及变形影响,试验加速度为100g。

地震条件下海岛防波堤的稳定性试验研究

针对某海岛港口项目中涉及的特殊地基上防波堤稳定性问题,通过开展系列振动试验,分析钙质砂地基的振动荷载特性及地震波传播规律,研究防波堤和后方建筑物在地震荷载条件下的沉降变形和整体稳定性。

膨胀土高边坡对桥梁基础的影响研究

膨胀土高边坡对桥梁基础的影响研究引江济淮工程分水岭段开挖的边坡最高达到45米,沿线修建了60余座桥梁。此区域属于典型的膨胀土边坡,极易发生滑坡事故,一旦滑动必定会对坡上桥梁产生巨大冲击。通过开展相应研究,获取滑坡对桥梁基础的冲击力、作用范围等内容,从而对桥梁的设计优化、参数选取及监测布置提供科学依据。

刚性桩支撑路堤的连续破坏研究

采用水泥搅拌桩等刚性桩进行道路下方地基处理后,当道路承受较大的荷载时,刚性桩会出现连续破坏,通过模型试验研究,获取桩的断裂循序,破坏区域的发展趋势及路堤的变形情况。

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