土工离心模型实验的发展与应用

1869年Schofield[1]以弹性体的平衡微分方程，推导出了相似原理,建立起原型和模型之间的对应关系，该模型的建立，为离心机模拟技术提供了基本的理论基础。并基于此理论，提出只考虑重力作用下，可以利用离心机模型试验来研究英吉利海峡跨海大桥，由于实际条件限制，该设想并未实现。

随着科学技术的不断进步，到了20世纪30年代，离心机模型试验得到快速发展，特别是前苏联和美国开始利用离心机试验对采矿工程和边坡进行了研究，并取得了初步的研究成果，解决了工程实际问题，为后来的离心机发展奠定了基础。

20世纪60年代以来，离心机模型试验的发展又进入了一个新的时代，特别是日本和英国,对离心机模型试验在各个领域的应用进行了研究，特别是在土体及相关的土工工程上面。

20世纪80年代以后，离心机得到了全面的发展与应用，欧洲很多国家，特别是法国、德国和荷兰等对离心机的研究范围日益扩大，并取得了很好的研究成果，同时，在离心机技术上面也获得了长足的进步。先后建立了一大批离心机模型实验室，并发展大型离心机，使离心机的容量大大提高。

表1 国内外有代表性的离心机国家单 位有效半径(m)最大加速度(g)最大载量(t)容量(g·t)建成时间前苏联巴库建筑与材料研究所5．．0英国剑桥大学5．01550．7108．美国科罗拉多大学5．．0法国道路桥梁中心实验室5．．0日本东京技术研究所1．．0德国鲁尔大学4．．0荷兰Delft岩土工程实验室6．03003．南京水利科学研究院5．02002．0中国北京水利科学研究院5．0．香港科技大学4．．

我国对于离心机的研究最早始于50年代中期，由于技术限制，研究主要停留在理论层面，并意识到离心机模型试验在解决工程问题上的重要意义，特别是研究土力学基本理论和土工建筑的工程性状方面。80年代以后，我国才开始真正重视离心机，国内很多研究单位先后建立了离心模拟实验室，并结合具体工程，在实验研究中取得了不少研究成果[2]。国内外具有代表性的土工离心机，见表1。

1 离心模型实验的相似理论

由于离心机的理论来源与相似原理，所以在进行离心机模拟试验时，必须满足最基本的相似条件，如几何相似、动力相似已经运动相似等条件。

考虑到离心机模型属于实际工程对象的小比例尺模型，因此在保证原型与模型几何相似外，还需要考虑到模型和原型在应力应变的相似性，只有这样，才能使得离心机模型和原型保持一致性。具体来说，在进行离心机模型试验时，先按一定的相似比，并基于相似理论，对原型尺寸和应力状态进行换算，并依此为基础，按照换算过的几何参数和运动参数合理地设计模型及试验。当模型材料与原型材料物理力学参数一致时，模型的加速度为Ng，根据相似比，模型的尺寸应是原型的1/N，以此为基本条件，可以推算出离心模型实验中的相似比例尺，见表2[3]。

物理量相似比物理量相似比位移、沉降N渗透性N应力、应变1弹性模量1面积N2泊松比1体积N3剪切模量1力N2饱和度1质量N3颗粒尺寸1密度1颗粒强度1面压力、粘着力1时间摩擦系数1固结、消散N2孔隙比1蠕变、粘滞流1

2 土工离心模型实验的应用

目前，岩土工程的各个领域都在广泛的应用土工离心模型实验，大致有以下几个研究方面。

2.1 堤坝和边坡

以前苏联在堤坝和边坡的变形和稳定方面，所做的研究工作最为显著，曾对坝料、蓄水方式、防渗结构、施工速度、坝址几何特征等对心墙坝、斜墙坝、尾矿坝有影响的各种因素进行了模型实验研究，且实验成果为设计采用。我国离心实验工作相对于国外，开展比较晚，但是进步较快，特别是随着我国的一大批重大工程的开工，离心机模型试验取得了大批重要成果。特别是在水工结构方面，对水工结构施工期、运行期和水位骤降情况下的响应尤为突出。特别是在三峡工程的应用，国内有关单位利用离心机模型试验对三峡的围堰的变形特征以及渗透性质进行了研究，并将研究成果应用与工程建设；同时还对风化填料的最佳密实度和最佳坡角进行了试验，为工程的设计提供了重要的数据。上述成果在国内外都处于领先地位。

此外，在其他工程方面，离心机应用也较为广泛，例如西北口混凝土面板堆石坝(90m高)，小浪底斜墙堆石坝(151m高)和瀑布沟心墙堆石坝(186m高)。

2.2 浅基础与深基础

离心模型实验同样在工民建工程当中发挥了重要作用，解决了工程技术人员最关心的问题，同时使设计既安全又经济。

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