離心模型

離心模型是利用相似模擬來研究物理現象以幫助解決理論與設計問題是工程上常用的方法。重力是大地工程結構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，模型材料及模型內應力狀態必須要與原型(prototype)完全相同。

20世紀90年代以來，離心模型技術在岩土工程各領域得到普遍的認可及發展，土工離心機的數量及尺寸也不斷增加，應用領域也不斷擴大。西南交通大學運用離心模型試驗技術，開展了散粒體沙堆模型試驗，分析了散粒體斜坡崩滑地質災害的自組織臨界性現象和地震誘發作用下散粒體斜坡崩滑失穩的模式與規律。清華大學在國內首次進行了環境岩土力學和運移過程研究，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提供了依據。岩土及結構的地震動力響應是最近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，混凝土面板堆石壩的地震反應，結構－岩土相互作用的動態響應，黃土震陷性研究，邊坡及其處治措施的地震響應特徵，砂土液化等。隨著城市基礎建設的不斷發展，地鐵隧道施工及其相關問題也越來越突出，對此的研究也越來越多。如隧道結構的受力及變形特徵，隧道開挖對地表及建築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正式完工，研製出世界上第一台雙向振動台，安裝了先進的4軸向機械手，並配備了精確的數據採集和控制系統。先後在這台土工離心機上進行了船舶撞擊橋樁、鬆散填土的潛在靜態液化機理、土釘加固邊坡的效果、淺表層鬆散填土邊坡穩定性研究等。

岩土及結構的地震動力響應是最近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，需要把土工模型置於離心場的同時，再耦合一定頻率的振動，能提供該振動的是放置於工作吊籃的離心振動台。除香港科技大學外，我國已建立的3套土工離心振動台(清華大學2001年、南京水利科學研究院2004年、同濟大學2006年)均停留在一維水平，振動能力較小，精度不高。如今，浙江大學和中國水利水電科學研究院的振動台正處於研製階段。中國水利水電科學研究院的振動台將可能成為我國首台可在水平和垂直方向同時振動的水平垂直2D振動台。

憑藉擁有數量最多的土工離心機(1998年有37台，其中建築承包商和諮詢設計公司佔25%，國家研究機構佔25%)，日本成為世界上土工離心模型技術應用最成熟的國家，不僅提高了建築施工技術，通過試驗驗證的創新性設計，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計單位，如今共擁有土工離心機14台，同時長沙理工大學、浙江大學和成都理工大學正在建造各自的土工離心機。在增加土工離心機數量的同時，也應該加大現有離心機的利用率，提高工作性能，加強對先進模擬技術的研究。我國的一些私人機構和公司也開始接受這項技術，進行了一系列的工程研究，如邊坡破壞機理試驗、加筋土擋土牆、貯灰場灰渣沉積特點及深埋管道上覆土壓力的變化規律、水庫土工防滲膜、隧道施工及其相關問題、橋涵及回填、基礎承載力及固結沉降、基坑工程等，得到了對工程實踐有意義的一些結論和建議。但總體來說，應用領域較窄，研究深度不夠，並多是依託高校或科研單位的研究團隊完成。

離心模型試驗，研究土工格柵加筋台背回填材料作用於台背土壓力的分佈狀況、加筋體的沉降變形特性、筋材的應變和變形特徵。經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、風積砂、加筋風積砂等幾種材料的台背回填離心模型試驗和研究，發現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，該層筋材的拉伸應變值越大；同一層筋材上，靠近回填體與相鄰路堤接壤處發生的拉伸應變最大。結果表明：適當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定性，減少台背回填區表面的沉降變形。

我國土工離心模型實驗技術就其應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，用來預測和驗證工程的工作狀態。尤其適用於地震和降雨導致邊坡破壞，以及近海石油勘探中，風荷或浪涌作用下樁的特性研究。很多場合，對工程結構作原位試驗以驗證其安全性是極為困難的。如高土石壩性態預測、深水結構及近海樁結構的安全性評定等。

在我國已用土工離心機完成了擋土牆與岩土－結構相互作用、埋入式結構與地下開挖、基礎承載力及穩定性、動力響應、環境岩土力學與運移過程等方面的設計研究工作。由材料試驗和數值計算、反饋分析向結構設計與離心試驗並舉，是未來岩土工程設計的發展趨勢。

(2)新現象和新理論的研究。離心模型技術已經成功應用於研究各種難解的現象。如大地構造、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係。

(3)參數研究。這也是應用很廣的一個方面，因為這是比較容易和比較可靠的測定方法。一般來說，在實際測試和參數變化試驗之前，必須設計一個測試試驗。通過改變模型參數(如幾何性狀，荷載以及邊界條件，降水強度或土的類型等)，可以獲得測試結果對各參數變化的敏感度以及關鍵參數，從而指導工程設計。

(4)數值分析成果驗證。無論是數值模擬還是物理模擬，都必須進行條件簡化及假設。很多情況下，數值模擬仍然受限於進行二維模擬。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變問題更簡單。數值分析的精度不僅取決於材料所用的模型，也取決於參數的選取。通常，模型參數可能不具備任何物理意義或者通過試驗手段難以確定。由此得出的模擬結果和基於此的工程設計必然會存在爭議。例如，對於離岸石油鑽井平台的升降式或鏟罐式鑽油台，受豎向、橫向和彎矩荷載的作用，數值模擬的效果並不理想。應力條件和參數已知的離心模型試驗就成為校正數值分析最可靠的手段。

土工離心模型試驗的最初設想由Phillips於1869年提出，應用於橋樑的設計。本世紀30年代初在美國和前蘇聯這一概念重新被提出，並開展了試驗工作。隨後，前蘇聯建置了了20餘台離心.機，對岩土工程和軍事工程進行了大量的試驗，在理論.上也有相當建樹。60年代末是土工離心模型試驗新時期的開始，日本和英國率先開展了試驗，70年代在英國形成的三個離心模型試驗中心，對北海石油平台的建設起了較大的作用，並在很大程度上推動了土工離心模型試驗技術在世界範圍的發展。80年代以來，土工離心模型試驗在設備的數量、容量以及技術和應用領域都有了極迅速的發展，成為岩土力學新的學科前沿和焦點2。1981 年國際土力學及基礎工程學會成立了離心試驗技術委員會，於1984、1988、 1991、1994 和1998年定期舉行了大型國際會議，並於2001年創辦了關於離心模型試驗的國際期刊：《International Journal of PhysicalModeling in Geotechnics》。目前，離心模型試驗研究技術成為環境岩土工程研究的重要手段，並且發揮著愈來愈大的作用。 美國和加拿大許多著名大學和研究機構進行此類問題的研究，而歐洲更建立了環境岩土試驗研究網路(NECER)，採用土工離心模擬技術研究各類環境岩土工程問題，取得了許多重要的研究成果B。國內香港科技大學和清華大學正在嘗試進行環境岩土工程的離心模型試驗研究。

步入21世紀，土工離心機作為一種重要的工具得到了廣泛的推廣和發展。隨著離心機應用範圍的不斷擴展，基礎機械也在不斷發展，將能夠模擬的各種可能狀況。通過上述回顧與總結，可以看出近年來我國離心模型技術發展表現出以下特點：

(1)土工離心機設備在試驗技術水平、規模和數量上，都已經基本達到了國際先進水平；

(2)離心模型試驗的工程應用領域不斷擴大，如岩石工程、環境岩土力學等方面的應用；

(3)離心模型技術可用於驗證土的本構關係和土力學的理論，但是並未充分發揮；

(4)量測設備是試驗取得成功的前提保證，具有獨立知識產權的量測儀器開發仍需努力。

基於以上分析，可以對我國今後離心模型技術的發展提出幾點展望：

(1)在增加建造土工離心機數量的同時，應該加大現有離心機的利用率，在使用中積累經驗，提高工作性能，加強對先進模擬技術的研究;而且更具專業針對性的土工離心機的建造將是下一步發展的趨勢之一。

(2)量測設備仍是薄弱環節，尤其是在高離心力作用下散體的壓力量測技術。尺寸小、質量輕、對模型影響盡量小的高精度、非接觸式的量測儀器是今後發展的方向。

(3)多數土木工程的關鍵在於施工過程及方法，因此施工過程模擬是發展離心模型技術的重要內容。多種技術手段被應用於離心模型試驗中應力變化的模擬，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(如填料裝置等)及理論(如填土應力條件、粒徑效應等)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鍵。

(5)動力設備的研製(振動台、模型箱等)對於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、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)對於力的比尺與幾何比尺不相等的不等應力模型，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。對於這種試驗，材料的非線性往往被忽視，應逐步積累經驗，盡量減少誤差。

(7)模型的製備技術還有待進一步研究。例如薄板、薄壁等小尺寸結構物的模擬，其尺寸沒有嚴格的相似率，如何根據研究重點進行參數和材料選擇，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、邊界效應、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)數值模擬結合。無論是數值模擬還是物理模擬，都必須進行條件簡化及假設。數值模擬和離心模型試驗相互校核，結構設計與離心試驗並舉，是未來岩土工程設計的發展趨勢。

(10)標準化研究。例如，原型材料往往無法直接用來製作模型，但材料縮制一直沒有標準可循。全球化的趨勢不斷加快，國際交流也不斷增多，在研究的基礎上，建立同國際接軌的土工離心模型試驗標準非常必要。中國水利水電科學研究院於2000年，在參考國內外同類規範及手冊的基礎上主持制定了水電行業規範：《土工離心模型試驗規程》。但從近年來的應用來看，還需要根據新的科研成果進行修訂，完善已有規範，補充新的內容，以適應當前離心模型試驗的發展需要。

(11)進一步拓展離心模型技術在工程領域中的應用，如岩石力學、採礦工程、寒區工程等。對土的本構關係和土力學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方面的多樣發展表明，大量的技術創新都是由建築商推動的，未來創新的施工技術必須經快速發展的模擬研究評價來驗證。未來應對離心模型技術的優點及研究成果和效益進行廣泛交流和宣傳，推動離心模型技術的研究和實踐應用。