把土工模型放在离心力场中，研究土工建筑物力学性态的物理模型试验。它借助离心力的作用来模拟土工建筑物的自重惯性力，使在常规物理模型试验中难以模拟的土工建筑物所承受的最主要的力——自重得到较为理想的模拟，使模型中土的应力与原型应力相等，从而达到模拟原型的目的。

发展历史

离心模型试验的设想是法国人E.菲利浦于1869年提出的，他推导了离心模型和原型的相似关系，并建议用离心模型试验对拟建横跨英吉利海峡的大钢桥等进行可行性研究。首次离心模型试验由美国人P. 布基在1931年完成，与此同时原苏联学者用离心试验研究了土坡稳定问题。

20世纪60年代末期，是土工离心模拟技术发展新时代的开始。日本和英国首先开展了这方面的工作。1965年，日本的三笠教授用离心试验研究软土固结问题，1969年起A.斯科菲尔德在英国的工作使英国的离心试验技术发展很快，对北海石油平台的建设起了很大作用，并对世界范围内土工离心模型试验的发展起了推动作用。

20世纪80年代以来，土工离心模型试验技术进入加速发展阶段，1981年成立了国际离心试验技术委员会，以后每隔3年举行1次国际性的离心试验专门会议。离心模型试验技术几乎在岩土工程的各个领域都得到了应用，已成为岩土工程岩土力学领域中最主要的试验研究方法。

中国从20世纪80年代初开始离心模型试验研究，已建和在建土工离心机有近10台。在三峡、小浪底、瀑布沟等国家重点水利水电工程的设计建设中发挥了巨大的作用。并已建成模拟断层错动装置、分层填料装置及离心机振动台等离心机附属设备。

相似理论与试验原理

模型与原型的相似理论是模型试验的依据和准则。用离心模型模拟原型时一般应满足以下的条件。

（1）运动平衡条件。模型试验的主要控制条件，其目的是使模型的受力与原型一致。

（2）土的本构条件。其目的是使模型在受到与原型相似外力作用时与原型有相似的反应，试验中一般用与原型相同的材料制模即可满足。

（3）运动边界条件。包括几何相似条件，是模型试验的必要条件。

用离心模型来模拟原型就应该使模型与原型有相同的力学表现，有相同的力学表现就可以用同一个力学方程来描述。

原型：

模型：

式中，σ为应力；ρ为密度；g为重力加速度；δ为位移；上标p为原型；上标m为模型。从式（1）、式（2）可以得到

式中，l为特征长度。

式（3）是所有模型试验都应遵循的试验准则。在常规普通土工模型中，重力加速度g^m=g^p，如模型用与原型相同的土料，可得到σ^m/σ^p=l^m/l^p。即普通模型的应力水平与模型几何尺寸的大小直接相关，考虑到土的应力水平相关性和非线性，可以预计普通土工模型在选择不同模型比尺时，所得到的结果是不同的。离心模型试验方法就是在这样的背景和条件下应运而生的，离心模型可以任意加大离心惯性力场，由于σ^m/σ^p=（g^m/g^p）×（l^m/l^p），当模型离心惯性加速度（g^m）增大到重力加速度（g^p）的n倍、模型几何尺寸（l^m）缩小到l^p的1/n时（n为模型比尺），模型应力（σ^m）与原型应力（σ^p）相等。相同的应力水平，相同的土体，在相同外力作用下就必然有相同的力学表现，这就是离心模型的基本原理，而应力相等则是其核心。

离心模型的相似关系除了可以通过基本控制方程直接推求之外，对一些复杂的甚至是尚无数学方程描述的自然现象和工程问题，则可以通过量纲分析的方法来推求相似关系。主要物理量的相似关系如表所示。

离心模型律表（假定模型与原型材料相同）

研究内容

①相似理论，研究离心模型的相似关系。②模拟技术，研究制模技术、模型土的制备技术。③测试技术，研究位移、土压力、孔隙水压力等物理量的测量技术。④成果分析理论与技术。

离心模型试验技术的研究内容已涉及了几乎所有的岩土工程研究领域，它的应用主要可以归纳为4种类型：①模拟原型。研究工程问题，比选验证优化设计方案，了解工程运行状况，预测工程未来的运行安全与可靠性。②研究新现象。研究自然现象与复杂结构物的工作机理和破坏机理，为建立解释这些复杂现象的理论提供定性依据。③研究参数。针对某些理论和设计中的关键技术参数，用离心试验可以提供非常有用的数据资料。④验证计算理论和方法，用模型试验的结果验证计算理论与计算方法，检验数学模型。此外还可以在岩土工程与岩土力学专业教学中应用。

试验设备

主要由离心机系统、测试系统、安全监控系统及附属设备等4部分组成。

小离心机转臂、摆动挂斗与摄影系统示意图（单位：mm）

（1）离心机系统。由拖动系统、调速系统、离心机组成。离心机的作用是提供一个有离心惯性加速度场作用的试验平台。一般可分为转臂式和转筒式两种，转筒式离心机结构简单，一般有效半径较小；转臂式离心机结构复杂，应用范围广泛，是主流机型。土工离心机一般用容量（g-ton，最大离心加速度×有效荷重）和有效半径（R）来表示其性能，容量反映离心机试验能力的大小，有效半径则表现试验的精度。图示为一小离心机主要系统示意图。

（2）测试系统。采用机械、电子、光学等方法对位移、孔隙水压力、土压力、加速度等物理量进行量测。各种量测设备联入计算机控制的数据采集处理系统。测试系统的技术关键是准确稳定可靠，为了提高抗干扰能力，采用光导滑环和光纤传输技术。

（3）安全监控系统。通过对离心机运行状态的监测，对离心机实行安全控制，控制的范围包括电机转速、动平衡状态、电机电流、电机电压、电机温度、机坑温度等。有闭路电视监视系统。有自动报警和自动关机功能。

（4）附属试验设备。离心机提供的仅仅是一个试验的平台，由于土的应力历史及应力路径对土的力学特性影响较大，理想的方法要求能在离心机运行的高重力场中完成各种动作。离心模型试验水平的高低，在很大程度上取决于附属设备的水平。发展各种功能的试验附属设备将成为土工离心模型试验技术的主要发展方向之一。已研制出了可以在高重力场中模拟堤坝分层填筑过程的填料装置，模拟基坑开挖和隧道开挖过程的机器人装置，模拟断层错动的模拟器，模拟打桩过程的自动打桩仪，模拟地震的振动台及检测模型土体强度的自动贯入检测仪等多种附属设备。离心机振动台是离心机附属设备中发展最快的技术，仅在日本就已建成各种离心机振动台15台套。