土工离心模型试验研究现状

一、离心模型试验概况1.1土工离心模型试验简介土工离心模型试验（geotechnical centrifugal model test）是把小比例尺模型放在离心试验机所形成的加速度场中，以获取全比例尺模型的变形破坏机理的模拟试验技术。

其基本原理是：将土工模型置于高速旋转的离心机中，让模型承受大于重力加速度的离心加速度作用，来补偿模型因为尺寸缩小而导致的土工构筑物自重的损失。

所以，它对模拟以重力为主要荷载的岩土结构物性状的研究就显得特别有效。

在岩土工程中，土体自重引起的应力常常占支配地位，土的力学特性随着应力大小的变化而变化，常规小尺寸模型试验由于其自重产生的应力远小于原型，因而无法再现原型的特性。

解决这个问题的唯一途径就是提高模型的自重，使之与原型等效。

把模型放置于特制的离心机中，使1/N缩尺的模型在Ng离心加速度的空间进行试验，由于惯性力与重力绝对等效，并且高加速度不会改变工程材料的性质，从而使模型与原型的应力应变相等，变形相似、破坏机理相同，能再现原形的特性。

由于其能再现自重应力场以及与自重有关的变形过程，直观揭示变形破坏的机理，并能为其它分析方法提供真实可靠的参数依据，而得到越来越广泛的应用。

1.1.1国外发展状况虽然早在1869年法国人Edouard Phillips就提出了离心模型试验的设想，并建议用其对横跨英吉利海峡的大钢桥进行验证，根据弹性体的平衡方程推导出原型与模型之间的相似关系，提出利用离心机产生的惯性力来增加模型的重力，用来研究结构的特性，但限于当时的条件，没有得到应用。

此后一直沉寂了60余年，直到20世纪30年代，这一概念才在美国和前苏联重新提出并开始进行试验工作。

1931年，美国哥伦比亚大学Philip Bueky将此技术应用于煤矿坑顶稳定性的模型试验中，所用的离心机半径仅25em，因离心机的半径过未取得有价值的成果，在土木工程界并未引起应有的重视。

与此同时，前苏联以鲍克洛夫斯基(Pokrovsky)和费德洛夫(E．C．Fedorov)为代表的学者们开始在大中型离心机上对离心模拟技术进行了广泛的研究。

在第一届国际土力学和基础工程会议论文集中，首先介绍了前苏联应用离心机进行土坝、土坡稳定性、基础下压力分布、埋管土压力等土力学方面的模型试验研究成果，引起了国际岩土工程界的关注。

到20世纪70年代为止，前苏联在不同研究机构中专为岩土工程研究建置了20余台离心机，对于离心模型的相似理论，试验设备的设计技术以及试验方法等作了许多有成效的工作，自1952年至1984年先后出版了五本有关离心模型试验理论与实践的专著，所以前苏联在离心模拟技术和理论方面一直处于领先地位。

但前苏联在1940至1965年期间的研究成果未公开，土工离心模拟技术被应用于军事工程和特种岩土工程中，因而未引起其他国家的注意。

20世纪60年代，离心模拟技术开始在英国和日本发展起来。

英国开展土工离心模型试验虽晚于前苏联，但进展很快，取得了显著成就。

先后分别在剑桥大学、曼彻斯特大学的科学技术研究所和西蒙工程试验室，利物浦大学建立了四个土工离心模拟技术研究基地。

以斯科菲尔德(A．N．Schofield)和罗(P．W．Rowe)两位教授为中心开展研究，他们都是研究土的本构关系的先驱者，坚定认为土的本构模型及其数值计算方法的可靠性必须通过物理模型，即离心模型试验来验证。

他们利用离心机研究了包括白陆上至海上的各种岩土工程，并发展离心试验的测试技术及数据采集系统，以及研究离心试验用的高速摄影、微型传感器及微机控制等设备，使试验达到自动化和现代化，同时还为各国培养了离心试验研究人才。

在日本，研究离心模型试验最早的是大阪市立大学三笠正人(M．Mikasa)教授，他认为利用离心模型试验研究土坡稳定、地基承载力是可靠而有效的方法。

他曾利用离心模型研究高90m堆石坝的抗震稳定、粘土层内钢板桩的破坏以及软粘土自重作用下的固结理论。

此后，日本除运输省港湾技术研究所建置了半径3.3m的大型离心机外，东京工业大学研究机构也先后建立了类似的小型离心机。

日本的小型离心机规模小，但试验观测设备精良而先进。

20世纪70年代，美国和西欧各国都很重视离心模拟技术在土工方面的应用，研究课题涉及到砂基承载力，固结理论，锚板抗拔力，导弹出土，爆炸，地震动力特性，水力冲刷，坝体渗流和桩的动静态模拟等。

20世纪80年代以后，离心模型在美国、德国、法国、荷兰、意大利等国相继开始得到不同程度的发展，使国际上离心机不仅在数量上有了显著的增长，而且在容量上也有了长足的进步。

其中美国山原宇航试验中心离心机改装成的国家离心机，半径9.2m，容量达到1080gt，这一时期离心机的加速度也开始加大。

如意大利1987年建成的试验模型与结构研究所(ISMES)离心机最大设计加速度达600g，但由于实现设计的运行条件较难，该机在建成后仅在较低加速度下运行。

近年来，随着离心模型试验研究的深入，国际上离心机的建造逐渐开始向专业化方向发展。

如东京技术学院为进行土一水一结构的界面问题的研究，于1998年建造了直径2.2m的鼓式离心机，并进行了相关问题的研究；加拿大皇后大学矿业工程系为研究同矿山有关的问题，建造了一台容量309t的离心机，该机的主要设备均为矿山问题研究专门设计，可以进行岩爆、冻土工程、尾矿坝等问题的研究；美国国家工程和环境实验室为进行环境问题研究建造了一台容量50或的离心机，该机的数据采集系统采用光纤传输，并配备了一系列设备使之可以进行诸如水文和生物岩土工程等与环境有关的研究工作。

此外，适应大型工程研究的需要，大型离心机的数量持续发展，如日本大林株式会社技术研究院于2000年建造了一台容量7009t的大型离心机，并配备有最大加速度50g的振动台，该机能在运转中自行调节20垂的小平衡配重。

离心机数量的增加和大型化、专业化的发展趋势，使世界上逐渐形成了数个专门的离心模型试验中心，并形成了各自的特色。

离心机容量，离心机容量(g·ton)=离心加速度(g)×模型重量(tone)。

常用(gt)或g·ton)表示，是衡量离心试验机能力的一个总体指标。

现阶段，国际土工离心机已得到很大的发展，特别是美、英、法等欧美国家以及日本等国，基本都已完成了离心机的研制和建设工作，离心机的容量和规模都达到空前的水平。

现在世界上土工离心机总计约120台，其中日本37台、美国20台、俄罗斯12台、英国6台，国外其它国家包括荷兰、法国、丹麦、意大利、德国等30多台。

表1-1给出国外主要离心机及其性能指标。

表1-1 国外主要离心机及其技术性能指标1.1.2国内发展状况20世纪50年代，中国岩土界在前苏联学术界的影响下开始对离心机在土工试验中的应用有所认识。

1957年，长江科学院提出建立一台大型的水利工程综合应用的离心机并进行了可行性研究，在苏联专家的协助下于1958年完成了整体设计，但最终未能实现。

南京水利科学研究院与华东水利学院率先开展了土工离心模型试验工程应用研究，并于1982年在国内首次进行了土工离心模型试验。

长江科学院从1984年开始着手土工离心模型试验设备的设计和研制，1985年开始应用于解决工程问题，并将试验结果、土力学的数值分析和现场的原型观测相结合，对工程问题进行分析。

中国水利水电科学研究院于1984年承担建造一台半径5m、容量400g·t，具有模拟地震功能的大型离心机。

之后，相继有长江科学院、河海大学、上海铁道学院(今同济大学沪西校区)逐步建立了自己的离心机并进行了大量的土工模型试验研究。

20世纪80年代，我国土工离心模型试验研究主要集中在南京水利科学研究院、长江科学院、中国水利水电科学研究院三家单位。

90年代，更多的科研设计单位和科研人员加入到土工离心模拟试验技术的研究和应用行列。

成都科技大学1989年研制出了离心机专用加水和排水设备，并成功应用于瀑布沟高土石坝的离心模拟试验；之后又研制出离心试验加荷设备、模型参数量测设备，成功地进行了多次桩基原型性能试验。

四川大学在前期科研工作基础上，对黄土路基的湿化特性、斜坡高路堤的稳定及变形和黄土强度特性进行了离心模型试验研究。

上海铁道学院于1988年建成L-30型土工离心机，以上海软黏土为主要研究对象，进行了大量的离心模型试验研究，如加筋土地基、软土地基上结构物的稳定性和变形、基坑侧向土压力、土工离心模拟试验的应变分析研究以及饱和黏土模型的拟合制作等。

20世纪90年代，土工离心模拟试验技术在中国得到广泛的推广应用，更多的科研设计单位加入到土工离心机模拟技术的研究和应用中，在新技术研究应用领域、基础理论研究等都得到不断拓展。

而且随着计算机在岩土工程中的迅速普遍及应用，土工离心模型试验技术也取得了长足进展。

应用领域也得到了进一步的扩大，不仅有一般的土工问题如边坡、地基、土压力、海洋工程、隧道工程，而且有渗流、地震、爆破和模拟大地构造等领域的内容。

模拟技术上，包括岩石边坡及治理工程中、类似混凝土面板堆石坝复合结构研究、结构-岩土相互作用、地下洞室的应力和变形稳定性研究、动力模型试验等。

长江科学院首次将离心模型试验技术应用于岩石边坡应力应变和稳定性以及边坡不连续面构造部位破坏机理，还做了土工织物加固地基的离心模型试验，验证地基在施工过程中的稳定性，并进行了加筋软基承载力的计算方法研究和验证。

中国水科院对软基处理进行了离心模型试验研究，系统分析了深厚软基采用碎石振冲置换后筑坝的变形性状，并通过不同振冲置换量对比分析，优化出经济合理的方案。

21世纪以来，离心模拟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。

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墩、松散填土的潜在静态液化机理、浅表层松散填土边坡稳定性研究等。

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。

目前，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。

这标志着土工离心机已向动态二维或三维研究方向发展。

我国土工离心模拟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。