土工離心機是指用於岩土工程物理模擬試驗的一種試驗設備。
通常有鼓式離心機和臂式離心機兩大類。前者多用於與海洋軟土相關的土力學研究，模型槽可以較長，能夠沿圓周布置；後者用於各類岩土物理模擬試驗，模型大小取決於模型箱的尺寸限制。
基本介紹
- 中文名：土工離心機
- 外文名：Geotechnical Centrifuge, Geo-centrifuge
- 作用：用於岩土工程物理模擬試驗
- 種類：鼓式離心機和臂式離心機
- 主要套用：土石壩穩定與變形
- 試驗規程：《土工離心模型試驗規程》
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土工離心機
利用土工離心機可以模擬原型土工結構的受力、變形和破壞，驗證設計方案，進行材料參數研究、驗證數學模型及數值分析計算結果、探索新的岩土工程物理現象，因此在岩土工程領域有較大的套用前景。
鼓式土工離心機目前主要套用領域
土石壩穩定與變形 Stability of dam or embankment
邊坡穩定研究 Stability of slope
擋土牆變形與穩定 Retaining wall
地下結構 Buried structure
洞室開挖 Tunneling
深基坑開挖 Deep excavation
深基礎 Deep foundation
各類樁基礎 Pile and foundation
地震及液化模擬 Earthquake & liquefaction
堤壩動力反應 Dynamic behavior of dam
波浪模擬 Wave induced instability of slope
爆炸模擬 Blasting simulation
環境土力學研究 Environmental geotechnics
凍土工程研究 Cold regions' engineering
土工離心機歷史
早在1869年法國人Philips E. 曾提出用離心機研究鋼結構的變形，前蘇聯1930年曾用離心機研究隧洞和邊坡變形，但直到二十世紀六十年代才在劍橋大學等研究單位的倡導下大量用於岩土工程研究。上世紀八十年代以來，土工離心機的套用更加廣泛，研究更為活躍。自1988年以來每4年舉辦一次全世界的土工離心機國際會議，國際會議論文數量逐年增多。近年來隨著液壓技術，電控技術，微型感測器及觀測技術的飛速發展，離心模型試驗技術開始從最初的定性分析向定量分析過渡。
歷屆土工離心機國際會議召開地點
1988 Centrifuge 88 英國
1991 Centrifuge 91 美國
1994 Centrifuge 94 新加坡
1998 Centrifuge 98 日本
2002 Physical Modelling in Geotechnics 加拿大
2006 Physical Modelling in Geotechnics 香港
2010 Physical Modelling in Geotechnics 瑞士
2014 Physical Modelling in Geotechnics 澳大利亞
基本試驗原理
對於多數岩土工程結構，其受力狀態和變形特性很大程度上取決於本身所受到的重力，特別是高土石建築物，重力作用決定了其應力變形特性。土工離心機可以提供一個人造高重力場，在模型土工建築物中再現原型的性狀。
主要相似率關係
符號 | 名稱 | 量綱 | 相似比 | 說明 |
g | 加速度 | LT | N | |
v | 速度 | LT | 1 | |
s | 位移 | L | 1/N | |
L | 幾何尺寸 | L | 1/N | |
rs | 土體密度 | ML | 1 | |
rf | 液體密度 | ML | 1 | |
n | 孔隙率 | 1 | 1 | |
m | 質量 | M | 1/N | |
w | 含水率 | 1 | 1 | |
Sr | 飽和度 | 1 | 1 | |
s | 應力 | MLT | 1 | |
應變 | 1 | 1 | ||
q | 溫度 | q | 1 | |
t | 時間 | T | 1/N^2 | 固結過程 |
1/N | 動力學 | |||
1 | 蠕變過程 | |||
k | 滲透係數 | LT | N | |
i | 水力梯度 | 1 | 1 | |
h | 粘度係數 | MLT | 1 |
試驗規程
《土工離心模型試驗規程》DL/T5102-1999 （2012年修訂）
參考資料
[1]Schofield A N. An introduction to centrifuge modeling[A]. Centrifuges in soil mechanics [C], Rotterdam, Balkema, Craig, James & Schofield (eds), 1988: 1-9.
[2]Zelikson A. Geotechnical models using the hydraulic gradient similarity method[J]. Géotechnique, 1969, (19): 495-508.
[3]Schofield A N. Cambridge geotechnical centrifuge operation [J]. Géotechnique, 1980,(20): 227-268.
[4]Shen C K, Li X S, Ng C W W, et al. Development of a geotechnical centrifuge in Hong Kong[A]. Proc. Centrifuge 98[C], Tokyo, 1998: 13-18.
[5]Ng C W W. Applications of geotechnical centrifuge modelling techniques for engineering designs[A]. Proc. Construction Challenges into the Next Century[C]. The Hong Kong Institution of Engineers. 1999: 241-252.
[6]Kutter B L. Recent advances in centrifuge modelling of seismic shaking[A]. Proc. 3rd Int. Conf. Recent Advances in Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics[C], St. Louis, Missouri, 1995, 2(8): 927-941.
