離心模型

我國土工離心模型實(shí)驗(yàn)技術(shù)就其應(yīng)用類型而言大致有如下4 類:

(1) 原型的模擬。這是最常用的方面，用來預(yù)測和驗(yàn)證工程的工作狀態(tài)。尤其適用于地震和降雨導(dǎo)致邊坡破壞，以及近海石油勘探中，風(fēng)荷或浪涌作用下樁的特性研究。很多場合，對(duì)工程結(jié)構(gòu)作原位試驗(yàn)以驗(yàn)證其安全性是極為困難的。如高土石壩性態(tài)預(yù)測、深水結(jié)構(gòu)及近海樁結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)定等。

在我國已用土工離心機(jī)完成了擋土墻與巖土－ 結(jié)構(gòu)相互作用、埋入式結(jié)構(gòu)與地下開挖、基礎(chǔ)承載力及穩(wěn)定性、動(dòng)力響應(yīng)、環(huán)境巖土力學(xué)與運(yùn)移過程等方面的設(shè)計(jì)研究工作。由材料試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算、反饋分析向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與離心試驗(yàn)并舉，是未來巖土工程設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢。

(2) 新現(xiàn)象和新理論的研究。離心模型技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于研究各種難解的現(xiàn)象。如大地構(gòu)造、土的液化研究、污染物運(yùn)移、滲流研究等，他們所用的材料與原型材料沒有相似的關(guān)系。

(3) 參數(shù)研究。這也是應(yīng)用很廣的一個(gè)方面，因?yàn)檫@是比較容易和比較可靠的測定方法。一般來說，在實(shí)際測試和參數(shù)變化試驗(yàn)之前，必須設(shè)計(jì)一個(gè)測試試驗(yàn)。通過改變模型參數(shù)( 如幾何性狀，荷載以及邊界條件，降水強(qiáng)度或土的類型等) ，可以獲得測試結(jié)果對(duì)各參數(shù)變化的敏感度以及關(guān)鍵參數(shù)，從而指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。

(4) 數(shù)值分析成果驗(yàn)證。無論是數(shù)值模擬還是物理模擬，都必須進(jìn)行條件簡化及假設(shè)。很多情況下，數(shù)值模擬仍然受限于進(jìn)行二維模擬。而土工離心模擬則不存在這些問題，相反，其模擬三維問題比二維平面應(yīng)變問題更簡單。數(shù)值分析的精度不僅取決于材料所用的模型，也取決于參數(shù)的選取。通常，模型參數(shù)可能不具備任何物理意義或者通過試驗(yàn)手段難以確定。由此得出的模擬結(jié)果和基于此的工程設(shè)計(jì)必然會(huì)存在爭議。例如，對(duì)于離岸石油鉆井平臺(tái)的升降式或鏟罐式鉆油臺(tái)，受豎向、橫向和彎矩荷載的作用，數(shù)值模擬的效果并不理想。應(yīng)力條件和參數(shù)已知的離心模型試驗(yàn)就成為校正數(shù)值分析最可靠的手段 。

步入21 世紀(jì)，土工離心機(jī)作為一種重要的工具得到了廣泛的推廣和發(fā)展。隨著離心機(jī)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，基礎(chǔ)機(jī)械也在不斷發(fā)展，將能夠模擬的各種可能狀況。通過上述回顧與總結(jié)，可以看出近年來我國離心模型技術(shù)發(fā)展表現(xiàn)出以下特點(diǎn):

(1) 土工離心機(jī)設(shè)備在試驗(yàn)技術(shù)水平、規(guī)模和數(shù)量上，都已經(jīng)基本達(dá)到了國際先進(jìn)水平;

(2) 離心模型試驗(yàn)的工程應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，如巖石工程、環(huán)境巖土力學(xué)等方面的應(yīng)用;

(3) 離心模型技術(shù)可用于驗(yàn)證土的本構(gòu)關(guān)系和土力學(xué)的理論，但是并未充分發(fā)揮;

(4) 量測設(shè)備是試驗(yàn)取得成功的前提保證，具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的量測儀器開發(fā)仍需努力 。

離心模型是利用相似模擬來研究物理現(xiàn)象以幫助解決理論與設(shè)計(jì)問題是工程上常用的方法。重力是大地工程結(jié)構(gòu)物最主要的受力變形、破壞因素。由Rocha及Roscha建議之相似性條件,模型材料及模型內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)必須要與原型(prototype)完全相同。

20 世紀(jì)90 年代以來，離心模型技術(shù)在巖土工程各領(lǐng)域得到普遍的認(rèn)可及發(fā)展，土工離心機(jī)的數(shù)量及尺寸也不斷增加，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。西南交通大學(xué)運(yùn)用離心模型試驗(yàn)技術(shù)，開展了散粒體沙堆模型試驗(yàn)，分析了散粒體斜坡崩滑地質(zhì)災(zāi)害的自組織臨界性現(xiàn)象和地震誘發(fā)作用下散粒體斜坡崩滑失穩(wěn)的模式與規(guī)律。清華大學(xué)在國內(nèi)首次進(jìn)行了環(huán)境巖土力學(xué)和運(yùn)移過程研究，利用土工離心機(jī)進(jìn)行了輕非水相流體污染物、重金屬離子等在非飽和土中遷移的模擬，研究污染物的遷移機(jī)理及其對(duì)地下水的影響，同時(shí)也研究了土性對(duì)污染物遷移機(jī)理的影響，為選取合適的清污技術(shù)提供了依據(jù)。巖土及結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)力響應(yīng)是最近10a 來我國土工離心模型試驗(yàn)的研究熱點(diǎn)，如地基的地震反應(yīng)，混凝土面板堆石壩的地震反應(yīng)，結(jié)構(gòu)－ 巖土相互作用的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，黃土震陷性研究，邊坡及其處治措施的地震響應(yīng)特征，砂土液化等。隨著城市基礎(chǔ)建設(shè)的不斷發(fā)展，地鐵隧道施工及其相關(guān)問題也越來越突出，對(duì)此的研究也越來越多。如隧道結(jié)構(gòu)的受力及變形特征，隧道開挖對(duì)地表及建筑物影響的研究與分析，黏土的成拱能力等。2001年，世界上最大、最先進(jìn)的土工離心機(jī)之一在香港科技大學(xué)正式完工，研制出世界上第一臺(tái)雙向振動(dòng)臺(tái)，安裝了先進(jìn)的4 軸向機(jī)械手，并配備了精確的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。先后在這臺(tái)土工離心機(jī)上進(jìn)行了船舶撞擊橋樁、松散填土的潛在靜態(tài)液化機(jī)理、土釘加固邊坡的效果、淺表層松散填土邊坡穩(wěn)定性研究等。

巖土及結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)力響應(yīng)是最近10a 來我國土工離心模型試驗(yàn)的研究熱點(diǎn)。在進(jìn)行地震、爆破等研究時(shí)，需要把土工模型置于離心場的同時(shí)，再耦合一定頻率的振動(dòng)，能提供該振動(dòng)的是放置于工作吊籃的離心振動(dòng)臺(tái)。除香港科技大學(xué)外，我國已建立的3 套土工離心振動(dòng)臺(tái)(清華大學(xué)2001年、南京水利科學(xué)研究院2004 年、同濟(jì)大學(xué)2006年)均停留在一維水平，振動(dòng)能力較小，精度不高。如今，浙江大學(xué)和中國水利水電科學(xué)研究院的振動(dòng)臺(tái)正處于研制階段。中國水利水電科學(xué)研究院的振動(dòng)臺(tái)將可能成為我國首臺(tái)可在水平和垂直方向同時(shí)振動(dòng)的水平垂直2D 振動(dòng)臺(tái)。

憑借擁有數(shù)量最多的土工離心機(jī)(1998 年有37臺(tái)，其中建筑承包商和咨詢設(shè)計(jì)公司占25%，國家研究機(jī)構(gòu)占25%) ，日本成為世界上土工離心模型技術(shù)應(yīng)用最成熟的國家，不僅提高了建筑施工技術(shù)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，也極具國際競爭力。

我國的土工離心機(jī)都集中在高校和國家科研設(shè)計(jì)單位，如今共擁有土工離心機(jī)14 臺(tái)，同時(shí)長沙理工大學(xué)、浙江大學(xué)和成都理工大學(xué)正在建造各自的土工離心機(jī)。在增加土工離心機(jī)數(shù)量的同時(shí)，也應(yīng)該加大現(xiàn)有離心機(jī)的利用率，提高工作性能，加強(qiáng)對(duì)先進(jìn)模擬技術(shù)的研究。我國的一些私人機(jī)構(gòu)和公司也開始接受這項(xiàng)技術(shù)，進(jìn)行了一系列的工程研究，如邊坡破壞機(jī)理試驗(yàn)、加筋土擋土墻、貯灰場灰渣沉積特點(diǎn)及深埋管道上覆土壓力的變化規(guī)律、水庫土工防滲膜、隧道施工及其相關(guān)問題、橋涵及回填、基礎(chǔ)承載力及固結(jié)沉降、基坑工程等，得到了對(duì)工程實(shí)踐有意義的一些結(jié)論和建議。但總體來說，應(yīng)用領(lǐng)域較窄，研究深度不夠，并多是依托高?；蚩蒲袉挝坏难芯繄F(tuán)隊(duì)完成 。

離心模型試驗(yàn)，研究土工格柵加筋臺(tái)背回填材料作用于臺(tái)背土壓力的分布狀況、加筋體的沉降變形特性、筋材的應(yīng)變和變形特征。經(jīng)分析比較提出了加筋回填材料離心模型試驗(yàn)的測量方法，通過粘性土、加筋粘土、風(fēng)積砂、加筋風(fēng)積砂等幾種材料的臺(tái)背回填離心模型試驗(yàn)和研究，發(fā)現(xiàn)土工格柵的加筋作用對(duì)土壓力和沉降變形的影響顯著；回填體中加筋材料所在的位置越深，該層筋材的拉伸應(yīng)變值越大；同一層筋材上，靠近回填體與相鄰路堤接壤處發(fā)生的拉伸應(yīng)變最大。結(jié)果表明：適當(dāng)提高底層加筋材料的強(qiáng)度，增加錨固端加筋材料的長度，能明顯提高回填體的整體穩(wěn)定性，減少臺(tái)背回填區(qū)表面的沉降變形。

基于以上分析，可以對(duì)我國今后離心模型技術(shù)的發(fā)展提出幾點(diǎn)展望:

(1) 在增加建造土工離心機(jī)數(shù)量的同時(shí)，應(yīng)該加大現(xiàn)有離心機(jī)的利用率，在使用中積累經(jīng)驗(yàn)，提高工作性能，加強(qiáng)對(duì)先進(jìn)模擬技術(shù)的研究; 而且更具專業(yè)針對(duì)性的土工離心機(jī)的建造將是下一步發(fā)展的趨勢之一。

(2) 量測設(shè)備仍是薄弱環(huán)節(jié)，尤其是在高離心力作用下散體的壓力量測技術(shù)。尺寸小、質(zhì)量輕、對(duì)模型影響盡量小的高精度、非接觸式的量測儀器是今后發(fā)展的方向。

(3) 多數(shù)土木工程的關(guān)鍵在于施工過程及方法，因此施工過程模擬是發(fā)展離心模型技術(shù)的重要內(nèi)容。多種技術(shù)手段被應(yīng)用于離心模型試驗(yàn)中應(yīng)力變化的模擬，包括開挖——機(jī)械手移除，流體的加排，土體的提升，填土過程等。但是還有大量模擬技術(shù)(如填料裝置等) 及理論(如填土應(yīng)力條件、粒徑效應(yīng)等) 有待研究和解決。

(4) 如何用局部的模型推延到大的原型情況，仍是需要研究和驗(yàn)證的課題。模型箱尺寸和離心機(jī)最大加速度有限的情況下，進(jìn)行高大尺寸原型的模擬，始終存在如何合理選取試驗(yàn)斷面的問題，而減小邊界對(duì)研究對(duì)象的影響是關(guān)鍵。

(5) 動(dòng)力設(shè)備的研制(振動(dòng)臺(tái)、模型箱等) 對(duì)于模擬振動(dòng)或地震的離心模型試驗(yàn)是必不可少的。動(dòng)力離心模型試驗(yàn)存在的慣性效應(yīng)、振動(dòng)加速度與科氏加速度耦合等問題也有待進(jìn)一步研究。

(6) 對(duì)于力的比尺與幾何比尺不相等的不等應(yīng)力模型，要研究其相似律以及解決由兩種比尺不等引起的其他問題。對(duì)于這種試驗(yàn)，材料的非線性往往被忽視，應(yīng)逐步積累經(jīng)驗(yàn)，盡量減少誤差。

(7) 模型的制備技術(shù)還有待進(jìn)一步研究。例如薄板、薄壁等小尺寸結(jié)構(gòu)物的模擬，其尺寸沒有嚴(yán)格的相似率，如何根據(jù)研究重點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)和材料選擇，值得深入探討和研究。

(8) 誤差研究。包括不均勻高離心加速度場、粒徑效應(yīng)、邊界效應(yīng)、科氏加速度、離心機(jī)啟動(dòng)與制動(dòng)時(shí)的誤差對(duì)模型試驗(yàn)成果的影響研究及其解決方法。

(9) 數(shù)值模擬結(jié)合。無論是數(shù)值模擬還是物理模擬，都必須進(jìn)行條件簡化及假設(shè)。數(shù)值模擬和離心模型試驗(yàn)相互校核，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與離心試驗(yàn)并舉，是未來巖土工程設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢。

(10) 標(biāo)準(zhǔn)化研究。例如，原型材料往往無法直接用來制作模型，但材料縮制一直沒有標(biāo)準(zhǔn)可循。全球化的趨勢不斷加快，國際交流也不斷增多，在研究的基礎(chǔ)上，建立同國際接軌的土工離心模型試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)非常必要。中國水利水電科學(xué)研究院于2000年，在參考國內(nèi)外同類規(guī)范及手冊的基礎(chǔ)上主持制定了水電行業(yè)規(guī)范: 《土工離心模型試驗(yàn)規(guī)程》。但從近年來的應(yīng)用來看，還需要根據(jù)新的科研成果進(jìn)行修訂，完善已有規(guī)范，補(bǔ)充新的內(nèi)容，以適應(yīng)當(dāng)前離心模型試驗(yàn)的發(fā)展需要。

(11) 進(jìn)一步拓展離心模型技術(shù)在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用，如巖石力學(xué)、采礦工程、寒區(qū)工程等。對(duì)土的本構(gòu)關(guān)系和土力學(xué)基本理論進(jìn)行更多更深入的離心模擬試驗(yàn)驗(yàn)證。

(12) 土工離心機(jī)在日本商業(yè)方面的多樣發(fā)展表明，大量的技術(shù)創(chuàng)新都是由建筑商推動(dòng)的，未來創(chuàng)新的施工技術(shù)必須經(jīng)快速發(fā)展的模擬研究評(píng)價(jià)來驗(yàn)證。未來應(yīng)對(duì)離心模型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及研究成果和效益進(jìn)行廣泛交流和宣傳，推動(dòng)離心模型技術(shù)的研究和實(shí)踐應(yīng)用 。2100433B

土工離心模型試驗(yàn)（geotechnical centrifugal model test），是利用離心機(jī)提供的離心力模擬重力，按相似準(zhǔn)則，將原型的幾何形狀按比例縮小，用相同物理性狀的土體制成模型，使其在離心力場中的應(yīng)力狀態(tài)與原型在重力場中一致，以研究工程性狀的測試技術(shù)。

中文名稱

土工離心模型試驗(yàn)

英文名稱

geotechnical centrifugal model test

定　　義

利用離心機(jī)提供的離心力模擬重力，按相似準(zhǔn)則，將原型的幾何形狀按比例縮小，用相同物理性狀的土體制成模型，使其在離心力場中的應(yīng)力狀態(tài)與原型在重力場中一致，以研究工程性狀的測試技術(shù)。

應(yīng)用學(xué)科

水利科技（一級(jí)學(xué)科），巖石力學(xué)、土力學(xué)、巖土工程（二級(jí)學(xué)科），土力學(xué)（水利）（三級(jí)學(xué)科）

全書共分六章，內(nèi)容主要包括土工離心模型試驗(yàn)技術(shù)、高土石壩離心模型試驗(yàn)研究、高土石壩地震反應(yīng)離心模型試驗(yàn)研究、軟土地基離心模型試驗(yàn)研究、超大型橋梁基礎(chǔ)離心模型試驗(yàn)研究、公路膨脹土地基與基礎(chǔ)離心模型試驗(yàn)研究。

第一章 土工離心模型試驗(yàn)技術(shù)

第二章 高土石壩離心模型試驗(yàn)研究

第三章 高土石壩地震反應(yīng)離心模型試驗(yàn)研究

第四章 軟土地基離心模型試驗(yàn)研究

第五章 超大型橋梁基礎(chǔ)離心模型試驗(yàn)研究

第六章 公路膨脹土離心模型試驗(yàn)研究

參考文獻(xiàn)