離心模型離心模型技術(shù)特點

步入21 世紀(jì)，土工離心機作為一種重要的工具得到了廣泛的推廣和發(fā)展。隨著離心機應(yīng)用范圍的不斷擴展，基礎(chǔ)機械也在不斷發(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:

(1) 土工離心機設(shè)備在試驗技術(shù)水平、規(guī)模和數(shù)量上，都已經(jīng)基本達到了國際先進水平;

(2) 離心模型試驗的工程應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，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)備是試驗取得成功的前提保證，具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的量測儀器開發(fā)仍需努力 。

我國土工離心模型實驗技術(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，對工程結(jié)構(gòu)作原位試驗以驗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)的安全性評定等。

在我國已用土工離心機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、動力響應(yīng)、環(huán)境巖土力學(xué)與運移過程等方面的設(shè)計研究工作。由材料試驗和數(shù)值計算、反饋分析向結(jié)構(gòu)設(shè)計與離心試驗并舉，是未來巖土工程設(shè)計的發(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)用很廣的一個方面，因為這是比較容易和比較可靠的測定方法。一般來說，在實際測試和參數(shù)變化試驗之前，必須設(shè)計一個測試試驗。通過改變模型參數(shù)( 如幾何性狀，荷載以及邊界條件，降水強度或土的類型等) ，可以獲得測試結(jié)果對各參數(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。

(4) 數(shù)值分析成果驗證。無論是數(shù)值模擬還是物理模擬，都必須進行條件簡化及假設(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)計必然會存在爭議。例如，對于離岸石油鉆井平臺的升降式或鏟罐式鉆油臺，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就成為校正數(shù)值分析最可靠的手段 。

離心模型試驗，研究土工格柵加筋臺背回填材料作用于臺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背回填離心模型試驗和研究，發(fā)現(xiàn)土工格柵的加筋作用對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，減少臺背回填區(qū)表面的沉降變形。

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)域得到普遍的認可及發(fā)展，土工離心機的數(shù)量及尺寸也不斷增加，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴大。西南交通大學(xué)運用離心模型試驗技術(shù)，開展了散粒體沙堆模型試驗，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)首次進行了環(huán)境巖土力學(xué)和運移過程研究，利用土工離心機進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理及其對地下水的影響，同時也研究了土性對污染物遷移機理的影響，為選取合適的清污技術(shù)提供了依據(jù)。巖土及結(jié)構(gòu)的地震動力響應(yīng)是最近10a 來我國土工離心模型試驗的研究熱點，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、最先進的土工離心機之一在香港科技大學(xué)正式完工，研制出世界上第一臺雙向振動臺，安裝了先進的4 軸向機械手，并配備了精確的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。先后在這臺土工離心機上進行了船舶撞擊橋樁、松散填土的潛在靜態(tài)液化機理、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)的地震動力響應(yīng)是最近10a 來我國土工離心模型試驗的研究熱點。在進行地震、爆破等研究時，需要把土工模型置于離心場的同時，再耦合一定頻率的振動，能提供該振動的是放置于工作吊籃的離心振動臺。除香港科技大學(xué)外，我國已建立的3 套土工離心振動臺(清華大學(xué)2001年、南京水利科學(xué)研究院2004 年、同濟大學(xué)2006年)均停留在一維水平，振動能力較小，精度不高。如今，浙江大學(xué)和中國水利水電科學(xué)研究院的振動臺正處于研制階段。中國水利水電科學(xué)研究院的振動臺將可能成為我國首臺可在水平和垂直方向同時振動的水平垂直2D 振動臺。

憑借擁有數(shù)量最多的土工離心機(1998 年有37臺，其中建筑承包商和咨詢設(shè)計公司占25%，國家研究機構(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)，通過試驗驗證的創(chuàng)新性設(shè)計，也極具國際競爭力。

我國的土工離心機都集中在高校和國家科研設(shè)計單位，如今共擁有土工離心機14 臺，同時長沙理工大學(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。在增加土工離心機數(shù)量的同時，也應(yīng)該加大現(xiàn)有離心機的利用率，提高工作性能，加強對先進模擬技術(shù)的研究。我國的一些私人機構(gòu)和公司也開始接受這項技術(shù)，進行了一系列的工程研究，如邊坡破壞機理試驗、加筋土擋土墻、貯灰場灰渣沉積特點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，得到了對工程實踐有意義的一些結(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隊完成 。

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

(1) 在增加建造土工離心機數(shù)量的同時，應(yīng)該加大現(xiàn)有離心機的利用率，在使用中積累經(jīng)驗，提高工作性能，加強對先進模擬技術(shù)的研究; 而且更具專業(yè)針對性的土工離心機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)用于離心模型試驗中應(yīng)力變化的模擬，包括開挖——機械手移除，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，仍是需要研究和驗證的課題。模型箱尺寸和離心機最大加速度有限的情況下，進行高大尺寸原型的模擬，始終存在如何合理選取試驗斷面的問題，而減小邊界對研究對象的影響是關(guān)鍵。

(5) 動力設(shè)備的研制(振動臺、模型箱等) 對于模擬振動或地震的離心模型試驗是必不可少的。動力離心模型試驗存在的慣性效應(yīng)、振動加速度與科氏加速度耦合等問題也有待進一步研究。

(6) 對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。對于這種試驗，材料的非線性往往被忽視，應(yīng)逐步積累經(jīng)驗，盡量減少誤差。

(7) 模型的制備技術(shù)還有待進一步研究。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)研究重點進行參數(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、離心機啟動與制動時的誤差對模型試驗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，都必須進行條件簡化及假設(shè)。數(shù)值模擬和離心模型試驗相互校核，結(jié)構(gòu)設(shè)計與離心試驗并舉，是未來巖土工程設(shè)計的發(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)新的科研成果進行修訂，完善已有規(guī)范，補充新的內(nèi)容，以適應(yīng)當(dāng)前離心模型試驗的發(fā)展需要。

(11) 進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。對土的本構(gòu)關(guān)系和土力學(xué)基本理論進行更多更深入的離心模擬試驗驗證。

(12) 土工離心機在日本商業(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)展的模擬研究評價來驗證。未來應(yīng)對離心模型技術(shù)的優(yōu)點及研究成果和效益進行廣泛交流和宣傳，推動離心模型技術(shù)的研究和實踐應(yīng)用 。2100433B

土工離心模型試驗（geotechnical centrifugal model test），是利用離心機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

英文名稱

geotechnical centrifugal model test

定　　義

利用離心機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（一級學(xué)科），巖石力學(xué)、土力學(xué)、巖土工程（二級學(xué)科），土力學(xué)（水利）（三級學(xué)科）

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

第一章 土工離心模型試驗技術(shù)

第二章 高土石壩離心模型試驗研究

第三章 高土石壩地震反應(yīng)離心模型試驗研究

第四章 軟土地基離心模型試驗研究

第五章 超大型橋梁基礎(chǔ)離心模型試驗研究

第六章 公路膨脹土離心模型試驗研究

參考文獻