超重力离心模拟的基本原理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力场中，通过加大模型土体或岩体的自重体积力，使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，并显示出于原型相似的变形和破坏过程。半无限地基自重应力的模拟，最能直观地说明超重力离心模拟的相似性。若研究点的深度为H，地基土的容重为γ，则其自重应力为：
(σz)p=γH=ρgH
其中 ρ—土的密度；
g—重力加速度。
现以原型材料按1：n比尺制作一模型并置于离心力场中，则其相应点的模型自重应力为：
(σz)m=ρaHm=ρaH/n
式中 a—离心模型试验加速度。
若令(σz)m=(σz)p，则有
a=ng
只要使离心模型的试验加速度加大到重力加速度的n倍，就可使模型达到与原型相同的应力水平与状态。
离心模拟的基本点就是模型土体或岩体的自重力被增加n倍，因此，不管利用离心模型试验研究何种问题，都应基于这一基本点，利用相似定理，论证和推导出确切的相似关系，以使试验成果有效可靠，且有使用或参考价值。
超重力离心模拟试验主要包括两大类：一类研究极端超重力场中物质运动新现象和新规律，如超重力环境下合金材料的高通量制备；另一类基于超重力效应和相似理论研究常重力场中多相介质物质大时空运动过程。
超重力离心模拟试验的实施过程主要包括3个环节：（1） 模型设计；（2） 模型制作；（3） 模型试验。模型设计主要包括研究分析工程资料、模型率和模型范围的确定、建筑材料模拟、工程施工或运行历时的模拟以及观测仪器布设等。模型制作包括模型材料制备、制模操作以及观测仪器的安装与埋设等内容。制模操作主要有3个方面内容，即地基制备、模型土料填筑和模型细部构件装配。模型试验包括模型吊装与配重、离心机启动运行、试验数据整理、试验报告编写。
知识点：共 8 个
（1）相似三定理
土工离心模拟仍属物理模拟，故它也必然要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。
例如，对于模型与原型的速度系统，若定义其相似常数Cv=vp/vm，Cl=lp/lm，Ct=tp/tm，则其相似数为：
C=CvCt/Cl=1
相似第一定理又可表述为：两现象相似其相似模数相等。对于原型与模型的速度系统，其相似模数K可表示为：
K=vptp/lp=vmtm/lm=不变量
相似第一定理是关于相似准则存在的定理，它是牛顿在他的《哲学原理》一书中首先提出，而后由法国科学家别尔特兰进一步肯定。
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。
相似第二定理就是π定理，它肯定了由决定现象物理量的关系式转换为相似模数综合方程的可能性。这个定理是通过费杰尔曼和八京汉等人的努力而得到解决的，但其一般结论是1949年由卡纳克夫所完成的。
定理三：相似现象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。
所谓单值条件即所解决问题的定解条件，如研究变形场和渗流场的初始条件和边界条件。所谓单值量即单值条件上给定的物理量，如渗流场边界条件给定的流量、水头值或其随坐标变化的函数。
（2）超重力场的概念与模拟
万物都受到重力的作用，物体在地球上所受的重力场为常重力场，大于它的我们称之为超重力场。超重力离心机是通过高速旋转产生n倍于常重力场强度的离心加速度，以物质承受的离心惯性力模拟超重力的装置。超重力离心机产生的离心力具有超重力的二个基本特征，即都是体积力，且都与质量密度呈正比。但是地球等星球的重力场与场中物质是否存在或处于何种运动状态无关，而离心机产生的离心力基于物质随转臂和实验舱同步转动这一前提。超重力离心机的服役能力取决于三个重要指标：最大离心加速度（单位：g）、最大负载（单位：t）和容量（单位：g×t）。
（3）超重力效应
超重力场增大了多相介质体积力和相间相对运动驱动力，具有强化不同相物质相间分离的效应。利用超重力场模拟常重力场中多相介质物质运动过程具有三大效应：（1）缩尺效应：模型缩尺1/n，应力水平与原型相等；（2）缩时效应：缩尺模型中，流速与压力（差）梯度成正比的多相介质，其孔隙流体运移时间缩短为原型的1/n2；（3）能量强化效应：缩尺模型中爆炸、冲击等作用产生的效应与n3倍能量在原型中产生的效应相当。以上三个效应构成了常重力场中大时空尺度物质运动过程的超重力缩尺模拟的理论基础。
（4）超重力离心模拟实验设计原理
模型设计主要包括研究分析工程资料、模型率和模型范围的确定、建筑材料模拟、工程施工或运行历时的模拟以及观测仪器布设等。所谓工程资料，包括建筑区的工程地质与水文地质资料和工程建筑物设计资料，它们是模型设计的基本依据。只有熟知和掌握这些工程资料，方可通过某种模化或简化，设计出简约而不失真、事半功倍的实验模型。由于一般土工离心机的实验空间和载荷容量均有限，故模型率和模型范围的确定是个逐步试算和优化过程，其目的是使土工离心机有限的实验空间和载荷容量发挥最大的作用。根据土工离心模型实验的基本原理，模型材料应采用原型材料。若因某种原因不能采用原型材料，也可采用代用材料，但必须服从变形等效原则。对于模型代用材料问题，尤其对于粗拉土代用土料问题，虽提出了有关处理方法， 但仍需进步研究改善，使其具有更好的相似性。土工离心模型实验可以模拟时维的变化，即工程施工或运行的历时过程，但时间相似常数并不统一，因此，当进行此种实验时，应首先对所研究的问题，基于离心模拟基本原理推定时维相似关系。土工离心模型的观测较普通模型困难得多，不仅要求传感器能在高重力场作用下正常工作，而且传输信道技术也相当复杂，不易确保信息传输质量，故其观测仪器布设以少而精为原则。
（5）模型率和模型范围确定
超重力模拟实验的模型率n可按下式确定：
n=Hp/Hm
约束条件
Hm≤δaRb
A=ng≤amax
C=aMm≤Cemax
式中：
Hp：原型的高度；
Hm：模型的高度；
δa：离心模拟允许的梯度误差，对于岩土工程，可在10%-15%之间取值；
Rb：离心模型底版至离心机旋转中心的距离；
a：离心模型试验加速度；
amax：离心机运行允许的最大加速度；
C：离心模型荷载容量；
Mm：离心模型的质量；
Cemax：离心机允许的最大有效荷载容量。
确定模型率是一个试算过程，即根据已知的δa和Rb值初步确定模型高度Hm，并求得n值，然后计算离心模型试验加速度a＝ng和荷载容量C=aMm值。若算得的α和C值满足约束条件，模型率n值即被确定，否则，应重新拟定Hm值，按上述步骤进行计算。一般来说，在满足约束条件的情况下，模型率n值应尽可能小，即采用较大比尺的离心模型，这样可使模型变形信号有所加强，有利于提高离心模型试验的精度。
（6）实验材料的相似性
对于粘性土，采用原型土料即可，只要其干密度和含水量同原型保持一致就可基本满足相似关系要求。对于无粘性土，能否采用原型土料制作模型，应首先进行模型箱最小尺寸与土料粒径比尺效应的判别。所谓模型箱最小尺寸与土料粒径比尺效应，系指两者的比例关系对模型土体变形的影响。根据现有试验研究成果，当模型箱最小尺寸与土料特征粒径满足如下关系时，可基本消除模型箱边界对试验成果的影响：.
Bmin/dmax＞13
Bmin/d50＞60
式中
Bmin：模型箱最小尺寸
dmax：模型土料的最大粒径
d50：模型土料的平均粒径
若经判别，原型土料不满足上述条件，则需对其超粒径颗粒部分给予适当处理，重新配制模型试验土料，目前常用的对超粒径颗粒的处理方法有剔除法、等量替代法、相似级配法、改进方法。
（7）模型试验配重计算
由于离心机属高速旋转的飞行器一类设备，故其动平衡问题是确保离心机安全运行的关键之关键。为此，必须精确计算模型总重力重心，精确配重，使离心机两端满足动平衡条件，即两端转动总重力相等，且总重力作用线的偏心距为零。
（8）超重力模拟实验的种类及实验结束判定
超重力模拟实验可划分为三种类型，即历时模型试验、破坏性试验和非破坏性试验。
①历时模型实验。这类模型实验通常具有明确的时间相似关系，需了解模型物理量随时间的变化过程。例如，饱和黏性土或淤泥地基上堤坝填筑问题，需根据地基土中孔隙水压力随时间的增长和消散来确定填筑施工的速度和程序。再如，孔隙介质中溶质运移渗流问题，需要了解溶质质随时间的扩散范围以及对地下水的影响程度。对这类模型实验，必须严格按原设定的试验历时长度进行试验和结束实验，提前或延迟都是不允许的。
②破坏性实验。在原型受力状态下，能直观观察模型破坏的全过程，是超重力模拟实验的一大特点和优势。对这类模型实验一般要了解模型破坏的全过程，一旦发现模型发生破坏，则必须待其破坏状态不随时间变化时方可结束实验，不可中途停机。模型土体的破坏过程由布设的观测设备予以跟踪和记录，而模型中混凝土或其他材料部件的破坏可由其上所贴应变片的变形状态来判定。当部件上所发生的断裂穿过应变片中间时，其应变值突然增大，甚至被拉断。 当部件断裂发生在应变片附近时，其应变值向相反方向突变，甚至回零，这对该应变片来说， 犹如应力释放。
③非破坏性实验。这类模型实验通常需要求得模型土体变形稳定的最后结果，其稳定判定标准为模型变形不再随时间变化，即ds/dt=0。这对于堆石体、砂砾石和砂性土壤模型，在较短试验时间内就可达到该稳定标准，但对于饱和蒙古土或淤泥地基来说，要达到稳定标准ds/dt = 0，则可能需要很长的试验时间。而离心模型试验系高风险实验，往往不允许任意延长离心机的运行时间。对于这种情况，建议根据当前模型沉降值，利用经验方法估算其最终沉降值，若当前观测值与最终沉降值之差在允许范围内，即可结束试验。但试验报告中应说明该试验值所相应的原型时间长度。