离心模型

我国土工离心模型实验技术就其应用类型而言大致有如下4 类:

(1) 原型的模拟。这是最常用的方面，用来预测和验证工程的工作状态。尤其适用于地震和降雨导致边坡破坏，以及近海石油勘探中，风荷或浪涌作用下桩的特性研究。很多场合，对工程结构作原位试验以验证其安全性是极为困难的。如高土石坝性态预测、深水结构及近海桩结构的安全性评定等。

在我国已用土工离心机完成了挡土墙与岩土－ 结构相互作用、埋入式结构与地下开挖、基础承载力及稳定性、动力响应、环境岩土力学与运移过程等方面的设计研究工作。由材料试验和数值计算、反馈分析向结构设计与离心试验并举，是未来岩土工程设计的发展趋势。

(2) 新现象和新理论的研究。离心模型技术已经成功应用于研究各种难解的现象。如大地构造、土的液化研究、污染物运移、渗流研究等，他们所用的材料与原型材料没有相似的关系。

(3) 参数研究。这也是应用很广的一个方面，因为这是比较容易和比较可靠的测定方法。一般来说，在实际测试和参数变化试验之前，必须设计一个测试试验。通过改变模型参数( 如几何性状，荷载以及边界条件，降水强度或土的类型等) ，可以获得测试结果对各参数变化的敏感度以及关键参数，从而指导工程设计。

(4) 数值分析成果验证。无论是数值模拟还是物理模拟，都必须进行条件简化及假设。很多情况下，数值模拟仍然受限于进行二维模拟。而土工离心模拟则不存在这些问题，相反，其模拟三维问题比二维平面应变问题更简单。数值分析的精度不仅取决于材料所用的模型，也取决于参数的选取。通常，模型参数可能不具备任何物理意义或者通过试验手段难以确定。由此得出的模拟结果和基于此的工程设计必然会存在争议。例如，对于离岸石油钻井平台的升降式或铲罐式钻油台，受竖向、横向和弯矩荷载的作用，数值模拟的效果并不理想。应力条件和参数已知的离心模型试验就成为校正数值分析最可靠的手段 。

步入21 世纪，土工离心机作为一种重要的工具得到了广泛的推广和发展。随着离心机应用范围的不断扩展，基础机械也在不断发展，将能够模拟的各种可能状况。通过上述回顾与总结，可以看出近年来我国离心模型技术发展表现出以下特点:

(1) 土工离心机设备在试验技术水平、规模和数量上，都已经基本达到了国际先进水平;

(2) 离心模型试验的工程应用领域不断扩大，如岩石工程、环境岩土力学等方面的应用;

(3) 离心模型技术可用于验证土的本构关系和土力学的理论，但是并未充分发挥;

(4) 量测设备是试验取得成功的前提保证，具有独立知识产权的量测仪器开发仍需努力 。

离心模型是利用相似模拟来研究物理现象以帮助解决理论与设计问题是工程上常用的方法。重力是大地工程结构物最主要的受力变形、破坏因素。由Rocha及Roscha建议之相似性条件,模型材料及模型内应力状态必须要与原型(prototype)完全相同。

20 世纪90 年代以来，离心模型技术在岩土工程各领域得到普遍的认可及发展，土工离心机的数量及尺寸也不断增加，应用领域也不断扩大。西南交通大学运用离心模型试验技术，开展了散粒体沙堆模型试验，分析了散粒体斜坡崩滑地质灾害的自组织临界性现象和地震诱发作用下散粒体斜坡崩滑失稳的模式与规律。清华大学在国内首次进行了环境岩土力学和运移过程研究，利用土工离心机进行了轻非水相流体污染物、重金属离子等在非饱和土中迁移的模拟，研究污染物的迁移机理及其对地下水的影响，同时也研究了土性对污染物迁移机理的影响，为选取合适的清污技术提供了依据。岩土及结构的地震动力响应是最近10a 来我国土工离心模型试验的研究热点，如地基的地震反应，混凝土面板堆石坝的地震反应，结构－ 岩土相互作用的动态响应，黄土震陷性研究，边坡及其处治措施的地震响应特征，砂土液化等。随着城市基础建设的不断发展，地铁隧道施工及其相关问题也越来越突出，对此的研究也越来越多。如隧道结构的受力及变形特征，隧道开挖对地表及建筑物影响的研究与分析，黏土的成拱能力等。2001年，世界上最大、最先进的土工离心机之一在香港科技大学正式完工，研制出世界上第一台双向振动台，安装了先进的4 轴向机械手，并配备了精确的数据采集和控制系统。先后在这台土工离心机上进行了船舶撞击桥桩、松散填土的潜在静态液化机理、土钉加固边坡的效果、浅表层松散填土边坡稳定性研究等。

岩土及结构的地震动力响应是最近10a 来我国土工离心模型试验的研究热点。在进行地震、爆破等研究时，需要把土工模型置于离心场的同时，再耦合一定频率的振动，能提供该振动的是放置于工作吊篮的离心振动台。除香港科技大学外，我国已建立的3 套土工离心振动台(清华大学2001年、南京水利科学研究院2004 年、同济大学2006年)均停留在一维水平，振动能力较小，精度不高。如今，浙江大学和中国水利水电科学研究院的振动台正处于研制阶段。中国水利水电科学研究院的振动台将可能成为我国首台可在水平和垂直方向同时振动的水平垂直2D 振动台。

凭借拥有数量最多的土工离心机(1998 年有37台，其中建筑承包商和咨询设计公司占25%，国家研究机构占25%) ，日本成为世界上土工离心模型技术应用最成熟的国家，不仅提高了建筑施工技术，通过试验验证的创新性设计，也极具国际竞争力。

我国的土工离心机都集中在高校和国家科研设计单位，如今共拥有土工离心机14 台，同时长沙理工大学、浙江大学和成都理工大学正在建造各自的土工离心机。在增加土工离心机数量的同时，也应该加大现有离心机的利用率，提高工作性能，加强对先进模拟技术的研究。我国的一些私人机构和公司也开始接受这项技术，进行了一系列的工程研究，如边坡破坏机理试验、加筋土挡土墙、贮灰场灰渣沉积特点及深埋管道上覆土压力的变化规律、水库土工防渗膜、隧道施工及其相关问题、桥涵及回填、基础承载力及固结沉降、基坑工程等，得到了对工程实践有意义的一些结论和建议。但总体来说，应用领域较窄，研究深度不够，并多是依托高校或科研单位的研究团队完成 。

离心模型试验，研究土工格栅加筋台背回填材料作用于台背土压力的分布状况、加筋体的沉降变形特性、筋材的应变和变形特征。经分析比较提出了加筋回填材料离心模型试验的测量方法，通过粘性土、加筋粘土、风积砂、加筋风积砂等几种材料的台背回填离心模型试验和研究，发现土工格栅的加筋作用对土压力和沉降变形的影响显著；回填体中加筋材料所在的位置越深，该层筋材的拉伸应变值越大；同一层筋材上，靠近回填体与相邻路堤接壤处发生的拉伸应变最大。结果表明：适当提高底层加筋材料的强度，增加锚固端加筋材料的长度，能明显提高回填体的整体稳定性，减少台背回填区表面的沉降变形。

基于以上分析，可以对我国今后离心模型技术的发展提出几点展望:

(1) 在增加建造土工离心机数量的同时，应该加大现有离心机的利用率，在使用中积累经验，提高工作性能，加强对先进模拟技术的研究; 而且更具专业针对性的土工离心机的建造将是下一步发展的趋势之一。

(2) 量测设备仍是薄弱环节，尤其是在高离心力作用下散体的压力量测技术。尺寸小、质量轻、对模型影响尽量小的高精度、非接触式的量测仪器是今后发展的方向。

(3) 多数土木工程的关键在于施工过程及方法，因此施工过程模拟是发展离心模型技术的重要内容。多种技术手段被应用于离心模型试验中应力变化的模拟，包括开挖——机械手移除，流体的加排，土体的提升，填土过程等。但是还有大量模拟技术(如填料装置等) 及理论(如填土应力条件、粒径效应等) 有待研究和解决。

(4) 如何用局部的模型推延到大的原型情况，仍是需要研究和验证的课题。模型箱尺寸和离心机最大加速度有限的情况下，进行高大尺寸原型的模拟，始终存在如何合理选取试验断面的问题，而减小边界对研究对象的影响是关键。

(5) 动力设备的研制(振动台、模型箱等) 对于模拟振动或地震的离心模型试验是必不可少的。动力离心模型试验存在的惯性效应、振动加速度与科氏加速度耦合等问题也有待进一步研究。

(6) 对于力的比尺与几何比尺不相等的不等应力模型，要研究其相似律以及解决由两种比尺不等引起的其他问题。对于这种试验，材料的非线性往往被忽视，应逐步积累经验，尽量减少误差。

(7) 模型的制备技术还有待进一步研究。例如薄板、薄壁等小尺寸结构物的模拟，其尺寸没有严格的相似率，如何根据研究重点进行参数和材料选择，值得深入探讨和研究。

(8) 误差研究。包括不均匀高离心加速度场、粒径效应、边界效应、科氏加速度、离心机启动与制动时的误差对模型试验成果的影响研究及其解决方法。

(9) 数值模拟结合。无论是数值模拟还是物理模拟，都必须进行条件简化及假设。数值模拟和离心模型试验相互校核，结构设计与离心试验并举，是未来岩土工程设计的发展趋势。

(10) 标准化研究。例如，原型材料往往无法直接用来制作模型，但材料缩制一直没有标准可循。全球化的趋势不断加快，国际交流也不断增多，在研究的基础上，建立同国际接轨的土工离心模型试验标准非常必要。中国水利水电科学研究院于2000年，在参考国内外同类规范及手册的基础上主持制定了水电行业规范: 《土工离心模型试验规程》。但从近年来的应用来看，还需要根据新的科研成果进行修订，完善已有规范，补充新的内容，以适应当前离心模型试验的发展需要。

(11) 进一步拓展离心模型技术在工程领域中的应用，如岩石力学、采矿工程、寒区工程等。对土的本构关系和土力学基本理论进行更多更深入的离心模拟试验验证。

(12) 土工离心机在日本商业方面的多样发展表明，大量的技术创新都是由建筑商推动的，未来创新的施工技术必须经快速发展的模拟研究评价来验证。未来应对离心模型技术的优点及研究成果和效益进行广泛交流和宣传，推动离心模型技术的研究和实践应用 。2100433B

土工离心模型试验（geotechnical centrifugal model test），是利用离心机提供的离心力模拟重力，按相似准则，将原型的几何形状按比例缩小，用相同物理性状的土体制成模型，使其在离心力场中的应力状态与原型在重力场中一致，以研究工程性状的测试技术。

中文名称

土工离心模型试验

英文名称

geotechnical centrifugal model test

定　　义

利用离心机提供的离心力模拟重力，按相似准则，将原型的几何形状按比例缩小，用相同物理性状的土体制成模型，使其在离心力场中的应力状态与原型在重力场中一致，以研究工程性状的测试技术。

应用学科

水利科技（一级学科），岩石力学、土力学、岩土工程（二级学科），土力学（水利）（三级学科）

全书共分六章，内容主要包括土工离心模型试验技术、高土石坝离心模型试验研究、高土石坝地震反应离心模型试验研究、软土地基离心模型试验研究、超大型桥梁基础离心模型试验研究、公路膨胀土地基与基础离心模型试验研究。

第一章 土工离心模型试验技术

第二章 高土石坝离心模型试验研究

第三章 高土石坝地震反应离心模型试验研究

第四章 软土地基离心模型试验研究

第五章 超大型桥梁基础离心模型试验研究

第六章 公路膨胀土离心模型试验研究

参考文献