中图分类号：TU 文献标识码:A 文章编号：1007-0745（2012）06-0082-03 摘要：土工离心模拟实验技术已愈来愈受到岩土工程界的关注，它是研究小比例尺模型由于在离心试验机所形成的超加速度场中能达到与原型相同的应力水平，而得到与原型相同的应力状态、位移变化,相似的塑性区发展和变形破坏过程,以获取全比例尺模型的变形破坏机理的模拟试验技术。本文主要介绍了土工离心机的的发展概况和其在土质边坡中应用和其误差分析及存在问题。
关键词：土质边坡 离心机 模型试验
一、土工离心机概述
1.土工离心机国内外发展历程
土工离心模型试验技术是国内外广为关注和竞相采用的一项物理模拟技术，但其发展历程却相当坎坷和漫长。早在1869年，英籍法国人Phillis[1]首先提出了离心模拟概念，以弹性介质平衡方程推导了模型与原型之间的相似关系，并提议利用该项模型试验技术对横跨英吉利海峡的钢桥该工程的可行性进行研究，但由此引起了强烈的争论，被认为不可行。一直到60年代后，离心模型试验技术分别有美国和前苏联学者重新提出。1931年，美国哥伦比大学Bucky[2]以小比例模型在很小的离心机上研究了煤矿坑道顶的稳定问题，并与1940年将离心模型试验引入光测弹性力学实验。1932年，苏联ПokpoBckИЙ在莫斯科水利设计院土力学实验室内首先用离心机研究土工建筑物的稳定问题，并对这项实验技术进一步给予研究开发，取得很大进展。截至20世纪70年代，前苏联在不同研究或设计机构中建置土工离心模型20余台，对离心模拟相似理论，设备设计技术和试验方法等都做出了卓有成效的工作。
20世纪60年代后期，英国，美国和日本等国才开始建置土工离心试验模型。虽然较前苏联晚了近30年，但发展较快。进入20世纪80年代，土工离心模型试验又有了进一步发展，法国，丹麦，德意志联邦共和国，意大利和荷兰也相继建立土工离心模型试验室。这时，在世界范围内，土工离心机的载荷容量和数量大为增加，土工离心模拟技术也有了长足的进步，几乎应用到岩土工程的所有领域。国际土力学与基础工程学会于1981年成立了国际离心试验委员会。该委员会先后组织多次专门学术会议，对在世界范围内普及该项试验技术起到了重要推动作用。步入21世纪，土工离心模型试验技术的发展仍方兴未艾，且与数值模拟相辅相成，结伴而行，有关各国不仅研制技术指标更为先进的实验设备，而且关于模拟理论与试验方法的研发领域也在不断扩宽。
土工离心模型试验技术在我国的发展较为迟延。虽然早在20世纪50年代中期，水利水电科学研究院就曾收集有关资料，初步考虑建置土工离心机；长江水利水电科学研究院在当时苏联专家协助下也着手筹建400g·t的离心机，但均因客观条件限制，未能付诸实施。这项技术真正受到国家高度重视，并得到迅速发展，始于国家“七五”科技攻关（1986~1990）。1986年，“土工离心模型试验技术研究”作为国家“七五”科技攻关项目第17项“水电工程筑坝技术”所属课题“高土石坝技术研究”专题之一列入国家“七五”科技攻关计划。这期间，南京水利科学研究院又建成其有效荷载容量为400g·t的大型土工离心机，清华大学等单位建成了多台中型离心机，从而使我国离心模型试验设备在地区分布，大小配置以及适用于各种不同用途等方面更趋合理。为规范土工离心模型试验操作程序与方法，中华人民共和国国家经济贸易委员会与2000年颁布了中华人民共和国电力行业标准《土工离心模型试验规程》（DL/T5102—1999）。
2.土工离心试验的基本原理
土工离心模型试验的基本原理[3]是将由原型材料按一定比尺制成的模型，置于由离心机生成的高离心场中，通过加大模型土体或岩体的自重体积力，是模型的应力状态与水平达到与原型相同的应力状态与水平，并显示出与原型相似的变形和破坏的过程。土工离心模拟属物理模拟，故它必然服从物理现象相似的三定理。
定理一:两系统中的物理现象相似，必须服从一定的相似准则，使其相似数等于1。
定理二：在相似现象中，相似模数必须相等，且由这些相似模数组成的综合方程也必须相等。
定理三：相似条件的充分条件是由它们的单值条件组成的单值量相似模数都相等。
离心模型的基本点就是模型土体或岩体的自重应力被增加n倍（n为模型率），因此，不管利用离心模型试验研究何种问题，都是基于这一基本点，利用上述相似定理，论证和推导出确切的相似关系，以使试验结果有效可靠。
二、土工离心机在土质边坡中的应用
1.降雨入渗及边坡体内地下水位改变对边坡的影响研究
降雨是引起滑坡的主要原因之一，针对降雨条件下土质边坡的变形和破坏，已经通过现场试验、模拟试验、数值模拟等途径进行了较多的研究，普遍认为降雨可显著降低边坡的稳定性。
刘翠荣等[4][5]在室内常规土工试验和离心模型试验及数值模拟的基础上,针对降雨入渗（含水率）对土质单面坡的稳定问题做了讨论。姚裕春等[6][7]对不同含水量土质边坡的离心模型试验进行了研究，得出边坡的破坏类型与其含水量大小有关。王睿等[8]基于离心模型试验研究了降雨条件下含软弱夹层土坡的破换况。李爱国等[9]基于土质边坡内部的含水率和吸力现场测量结果指出降雨入渗可以引起吸力的降低从而导致土体强度降低。Toharia 等[10]采用模型试验分析了降雨引起的土壤含水率变化及地下水位上升引起的边坡破坏，并探讨了基于含水率变化的滑坡预警系统。钱纪芸等[11]进行了均质土坡降雨的离心模型试验模，认为降雨引起的土坡中一点的变形可以分为小位移、迅速增大和缓慢增大等个阶段。李邵军等[12]以离心模型试验为手段,基于三峡库区典型滑坡的工程地质特征，建立相应的土质边坡离心模型。在试验过程中实现对库水位循环升降的控制，模拟库区边坡在水位升降作用下的失稳过程。胡晋川等[13]为揭示黄土公路阶梯状高路堑边坡在降雨条件下的稳定性状，依托陕西某高速公路黄土路堑边坡工程，进行了现场试验和数值模拟，并通过离心模型试验，研究了阶梯状黄土高路堑边坡在降雨条件下的变形发展过程、坡面降雨入渗规律、涵水与护坡作用以及稳定性分析。