固体力学研究方向十篇

固体力学研究方向篇1

随着脊柱外科经后路内固定手术普遍开展，各种椎弓根螺钉固定系统已广泛应用于临床，但Esses等[1]通过临床应用调查这些固定器械发现没有哪一种椎弓根螺钉固定比较完善，大量病例的远期随访表明并发症多。主要是螺钉松脱、断钉、内固定不牢固、矫正度丢失、椎体间融合形成假关节、脱位术后复发、椎弓根断裂等。Wittenberg[2]认为椎弓根螺钉固定产生并发症多的原因是螺钉内固定疲劳的结果。内固定器械受周期性负荷而导致疲劳。结合国内外在椎弓根螺钉内固定疲劳生物力学方面的研究综述如下：

1 椎弓根螺钉疲劳指标

Yamgata等[3]认为要研究椎弓根螺钉内固定生物力学疲劳特性，应从下面3个方面确定：①螺钉强度——疲劳次数关系：就是测定螺钉植入后其强度与周期性负荷次数（疲劳次数）关系；②测定螺钉旋入/出力矩。这具指标能表明螺钉固定疲劳前后的力矩变化，代表期疲劳程度；③螺钉最大轴向拔出力，表示钉一骨界面紧握力牢固性。Wittenberg等也研究了强度一疲劳次数关系，并发现螺钉固定强度随疲劳次数增加而下降。Zdeblick等[3]研究螺钉旋入/出力矩与疲劳次数关系，并指出力矩随疲劳总人数增加下降。轴向拔出力也下降；钉一骨界面轴向拔出力也随疲劳次数增加而下降。

材料选择，Smith[5]认为椎弓根螺钉内固定生物力学体外试验标本材料有3个来源：①人尸体脊柱标本，最佳是人新鲜尸体脊术，但来源有限；②人工摹拟脊柱，人工按脊柱椎体骨质等特点仿造出脊柱标本，在制造过程中可人为设计安置各种电子测定元件，有利于试验记录测量，但与人体脊柱质、量等各方面相差大；③动物新鲜脊柱标本，目前常用是牛的脊柱，Eilke等[6]应用小牛的胸6至腰6脊柱段与人胸腰椎脊柱段进行体外比较生物力学试验，得出试验结果进行统计分析无差异，所以他认为在体外生物力学试验可用小牛脊柱代替人脊柱当试验材料。人活体内研究因条件及医学伦理限制，很少研究。

椎弓根螺钉内固定疲劳试验研究方法及仪器：椎弓根螺钉内固定试验是摹拟内固定器械在体内受脊柱三维六自由度周期负荷作用下生物力学疲劳变化规律。研究较复杂，仪器测试要求高。目前没有规范的标准。Goel等[7]认为一种标准体外疲劳试验一定要做到对椎弓根螺钉内固定器械进行摹拟在体测试，获得不同负荷周期性作用下测出强度-疲劳次数关系曲线。疲劳试验80年代前大都是没有内固定器下的单纯标本人工机械试验。随着电子技术发展，90年代后自动化的试验机器完全代替人工机械方法，他介绍了美国明尼苏达州制造的双轴液压伺服生物材料测试系统即MTS试验机。该机优点能摹拟人体脊柱在维六自由度运动，即能旋转、拉伸、周期性加载荷，测定过程全自动化计算机控制，减少人为误差，同时测定强度一疲劳次数曲线、拔出力和力矩，被认为是目前先进的生物力学试验系统。 smith[5]也持相同观点而且建议体外生物力学试验研究程序化：试验原理度量科学化试验目的试验仪器选择负荷加载选定（目前没有具体标准）标本固定安装测度系统准备收集试验资料统计分析、讨论。另外Yamagata等[3]介绍日本京都制造通用疲劳试验机。该机也是电子程控测试，但仅测出强度-疲劳次数关系单项指标。还有方法仅测出力矩，或仅侧刚度，或仅测拔出力等单项指标。

2 影响椎弓根螺钉内固定生物力学疲劳特性的因素

①椎体骨密度（BMD） 椎弓根及椎体骨密度对其螺钉固定疲劳生物力学是主要影响因素。Halvorson等[8]用双光子骨密度测定仪测定标本椎体骨密度，分成正常组：1.17±0.08g/cm2；骨质疏松组：0.818±0.05g/cm2。发现正常骨质密度组平均轴向挨出力为1540±361N；而骨质疏松组为206±159N。即螺钉轴向拔出力与椎体骨密度呈正相关。Okuyama等[9]认为BMD每降低10mg/ml。螺钉最在拔出力约减少60N。Kumano等[10]认为Ⅲº骨质疏松螺钉轴向拔出力100N以下，很容易松动脱出，所以建议Ⅲº骨质疏松不要直接用椎弓根螺钉固定。其它研究也证明骨密度对螺钉固定力矩、强度等有重要影响，且呈正相关[11-14]。

②椎弓根螺钉横截面积大小和螺钉形态、长度、固定深度 Brantley等[21]研究指出椎弓根螺钉横截面积大小对椎弓根横截面积占有70%以上才有足够的固定强度；少于这个比例的螺钉则易疲劳松脱。但是当螺钉截面积增大到占椎弓根横截面积90%时，再增加螺钉直径，没有明显增加固定强度，反面易使椎弓根爆裂骨折。由于椎弓根横截面积有限，所以螺钉大小其横截面积为椎弓根横截面积的0.7-0.9之间为好。螺钉长度增加，固定深度加深也有增强固定强度、防止疲劳作用。但固定深度椎体大小和椎弓根长度的限制。他指出当固定深度为螺钉进入椎弓根穿刺点到椎弓根轴线与椎体前缘交点连线距离80%深度时（原则是螺钉尖端不要穿过椎体前缘皮质）螺钉固定强度已足够，再增加固定深度无明显增加其固定强度。所以增加固定深度亦有限。还指出螺钉大小、长度、深度对中度以上骨质疏松者没有增加固定强度。Zdeblik等[4]研究螺钉大小对扭力矩强度有正相关，即螺钉直径加大，扭力矩可相应增加。Kwok等[15]在人尸体上研究比较柱形螺钉和锥形螺钉旋入力矩和轴向拔出力。发现锥形螺钉能增强旋入力矩。柱形钉无此作用。但两者轴向拔出力无差别。

③椎弓根长、宽、高 Mckinley等用人工脊柱摹拟椎弓根长、宽、高，并研究长、宽、高对螺钉负荷弯力矩作用，结果发现螺钉负荷弯力矩与椎弓根高成负相关，与椎弓根长度正相关，宽度对螺钉负荷弯力矩无明显作用。

④螺钉孔道准备方法及固定方向 George等[17]用钻头准备孔道和用定位探子打出孔道方法，并比较2种方法准备孔道后螺钉固定轴向拔出力，结果两者无统计学差异，但指出用钻头钻法准备钉孔道定位不准，易造成椎弓根撕裂，而降低固定强度。Ronderos等[18]研究用击打和非击打2种方法准备进行螺钉固定测其钉-骨界面拔出力。还有Halrorson等[8]用比螺钉直径小1mm或相等的两种攻丝准备孔道，测螺钉轴向拔出力，结果发现用小的攻丝锥准备的孔道螺钉轴向拔出力要大于用与螺钉直径等大的攻丝锥备成的孔道螺钉向拔出力。

⑤医生手术熟练程度及技术水平 Stauber等[19]认为椎弓根定位不准确常使螺钉固定穿出椎弓根，破坏了椎弓根骨床质量，降低了固定强度，也易造成神经损伤。因此有应用光纤内窥镜来探查螺钉孔道定位情况，以提高螺钉固定定位的准确性。

⑥螺钉质量螺钉质量（包括所选用合金材料种类的好坏、刚度强度大小、生产工艺高低等）对其椎弓根固定稳定性、牢固性很重要。发现经椎弓根螺钉固定后螺钉弯曲或折断，Esses等[1]认为是与螺钉机械强度不够、刚度达不到内固定的要求、质量不合格有关。Matsuzaki等认为发生断钉是螺钉质量不过关的典型表现，他认为一定要对每一种螺钉等器械应用于临床前进行材料生物力学检测，质量合格后才能应用。

⑦负荷大小、周期性次数 Goel等[7]指出疲劳试验研究基本特征是在人为条件下，施加一定量的预负荷于标本，在一定的频率下周期性作用于内固定器械来研究其疲劳反应及其变化规律。但目前不同试验研究的预负荷、频率、周期性负荷次数都不统一。Cunningham.等[21]研究结果表明：①在400N水平VSP、LSOLA、TSRH、加压CD棒系统疲劳次数超过100万次；②在500N水平VSP、ISOLA、TSKH、加压CD棒系统疲劳次数达60万次时出现疲劳；③在600N水平，4种器械内固定系统平均20万次即出现疲劳反应。可见椎弓根螺钉内疲劳与其受力、疲劳次数、频率均有关。Myers等[13]用MTS对单根螺钉固定进行疲劳试验，测其轴向拔出力，表明疲劳次数增加，拔出力下降。在相同疲劳条件下，Wittenberg等[2]AO螺钉平均73300次出现疲劳，VSP螺钉平均20800次出现疲劳，强度-疲劳次数关系，结果发现螺钉固定强度随疲劳次数增加而下降，但不是线性相关。疲劳次数低于4000次时，各螺钉固定强度无统计学差异。

3 预防椎弓根螺钉固定疲劳的措施

预防椎弓根螺钉固定目的是要获得牢固稳定的内固定以达到临床治疗目的。因此防止预防椎弓根螺钉固定产生疲劳问题又成为人们研究的热点。提高骨密度，防止骨质疏松是经椎弓根螺钉固定稳定牢固的基础[12]。Pfeiffer等[12]对Ⅲº骨质疏松者准备螺钉孔道后，用适量PMMA骨水泥填入孔道再拧入螺钉固定，结果可以提高螺钉轴向拔出力，固定更牢靠稳定，从而防止疲劳。Chiba等[22]研究通过附加椎板钩辅助固定可能减少椎弓根螺钉负荷而减少疲劳发生。Stovall等[23]研究腰骶椎融合术时也应用附加椎板钩辅助固定，也明显增强内固定牢固性。Dick等[24]研究在椎弓根螺钉骨固定器械两侧纵行板或棍间用横杆连结装置可以提高其固定强度，有利于防止疲劳。Lim[25]又研究了横杆连结装置最佳位置，认为双横杆最佳位置是近侧端杆位于纵行板或棍1/4处作用最大；远侧横杆应位于纵杆1/8处起作用大。另外，提高外科医生手术技术水平、技巧、熟练程度，对椎弓根螺钉内固定牢固稳定、降低疲劳也是一项重要措施。

4 椎弓根螺钉疲劳研究存在问题

虽然椎弓根螺钉疲劳生物力学研究做了许多工作，但有些方面有待进一步研究，主要有：①不同年龄段疲劳指标正常参考值没有确立；②疲劳与螺钉受力方向的关系没有报道；③中国人应用椎弓根螺钉的疲劳生物力学研究。 5 参考文献

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Wittenberg，Shea M，Edwards，et al.A biomechanical study of the fatigue characteristics of thoracoolumbar fixation in a calf spine model .Spine，1992，17(6):S121

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Zdebilck，David N，Kunz，et al.Pedicle screw pullout strength .Spine，1993，18(12):1673

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Stovall，Allan，G，Lundy，et al .Sacral fixation technique in lumbosacrol fusion.Spine，1997，22(1):32

固体力学研究方向篇2

关键词：两个巩固 哲学社会科学 指导作用

在全国思想工作会议上强调指出："宣传思想工作就是要巩固马克思主义在意识形态领域的指导地位，巩固全党全国人民团结奋斗的共同思想基础"[1]这是对全国思想宣传工作的根本任务精髓的深度概括，同时也为今后的哲学社会科学研究工作指明了前进的方向。"两个巩固"的提出，对当今愈发严峻的意识形态斗争提供了重要的指导思想。牢牢把握"两个巩固"根本任务，是今后哲学社会科学工作的一项长期的工作，为开拓哲学社会科学工作新局面奠定了扎实的思想基础，同时也为意识形态斗争提供了重要的理论武器和指导思想。

一、"两个巩固"是哲学社会科学研究工作的思想基础

哲学社会科学工作是具有意识形态的科学研究工作。在我国，开展哲学社会科学工作的根本思想基础就是以马列主义、思想、邓小平理论和"三个代表"重要思想为指导，用科学的方法对哲学社会科学领域中的各类问题进行深入的研究，从而为建设有中国特色的社会主义国家发展提供强有力的理论保障。哲学社会科学的根本任务就是坚持巩固全国人民团结奋斗的共同思想基础，并以此为开展各类哲学社会科学研究工作的基本目标。强化以马克思主义为核心的全体人民共同的思想基础，首先要加强哲学社会科学研究领域里的全体科研人员的理论教育、学习，深化马克思主义在哲学社会科学研究人员心目中的崇高地位，并坚持以马克思主义为指导，开展哲学社会科学研究工作。其次，要将巩固全党全国人民团结奋斗的共同思想基础为目标，不断开拓创新，用马克思主义理论武装头脑，把科研人员的理想信念建立在对社会发展和必然规律的把握上，不断提高马克思主义的自我修养，坚持以马克思主义的方法论为指导，不断开拓哲学社会科学工作的新局面。"两个巩固"的提出，既强调了马克思主义在哲学社会科学工作中的重要指导地位，同时也为开拓哲学社会科学工作的新局面提供了强有力的思想基础。

二、"两个巩固"是新时期意识形态领域理论斗争的重要武器

当前我国改革开放的加速，经济快速发展，国外一些敌对势力，妄图利用我国改革开放以来快速经济发展当中所积累的矛盾来挑拨各阶层的矛盾，从而达到其我国现有社会主义制度，破坏我国安全稳定的目的。互联网新媒体的出现给这些敌对势力提供了一个可乘之机。很长时间以来，在缺乏有效的互联网管理机制的前提下，敌对势力利用互联网大肆传播渲染西方的所谓"普世价值观"，资本主义制度和西方民主、人权领域的优越性，以我国极少数不良现象为切入点，肆意抹黑党和政府，否定马克思主义的科学性。这些不良意识形态和文化的入侵，严重干扰了我国的国家安全和社会稳定， 一些不明真相的网民，在这些不良信息的诱导下，在网络上攻击党和政府。意识形态斗争已经成为了当前我国哲学社会科学的工作重点。巩固意识形态工作主要有三个方面：1、要以马克思主义为理论基础，开展意识形态斗争。把马克思主义作为重要理论武器，武装全体理论工作者。对于不良意识形态、文化要用科学的理论观点、创新的思维来予以驳斥。2、要坚持以改革开放以来的伟大成就，统一全国人民思想共识，在意识形态斗争领域筑起一道坚固的"防火墙"，以此来抵御不良意识形态和文化思潮的入侵。3、以新时期意识形态理论斗争为课题，进行深入的研究。研究出一批具有创新理论的意识形态斗争的研究成果，并将成果转化为意识形态斗争的重要理论武器。

"两个巩固"既是新时期意识形态领域斗争的基本理论，也是理论斗争的重要武器，只有牢牢把握"两个巩固"，才能在意识形态理论斗争这场没有硝烟的战争中取得最终的胜利。

三、"两个巩固"是新时期、新形势下思想文化宣传工作的重要理论依据

宣传思想工作是做人的工作，关键是要有吸引力和实效性。经验说明，要做好宣传思想工作，在明确宗旨和把握正确方向的前提下，还需要深入了解人们的思想和心理，同时也要讲究方式方法。[2]当前，我国社会思想文化宣传工作面临着前所未有的严峻挑战。西方文化和不良思潮的入侵，严重威胁我国思想文化体系的安全。同时，由于社会高速发展，社会各阶层长时期积累的矛盾集中爆发，这更加剧了思想文化宣传工作的困难性。新时期、新形势下思想文化宣传工作创新就是要从根本上改变固有观念，彻底转变已经形成的宣传教育模式，做到深入群众中去，体察群众诉求，使群众由被教育客体向主题转变，形成互动，从而从单项灌输向双向互动进行彻底转变。思想文化宣传工作方式方法的创新，必须要紧紧围绕着"两个巩固"的重要指示精神，并以此为理论依据，深入贯彻到行动当中去，做到有礼有节有序，进而占领新时期、新形势下思想文化宣传高地。把握好"两个巩固"根本任务，要着眼坚定理想信念，深入开展中国特色社会主义和中国梦宣传教育。[3]让党的执政理念深入人心，创造出中华民族团结向上的新局面。

四、结语

巩固马克思主义在意识形态领域的指导地位，巩固全党全国人民团结奋斗的共同思想基础是在新时期、新形势下提出的指导性精神。牢牢把握好"两个巩固"不仅是所有哲学社会科学工作者的根本任务，同时也是思想文化宣传斗争中的重要理论武器。深入学习贯彻"两个巩固"不仅有助于维护社会稳定，同时也有利于维护全国人民思想共识，传递社会正能量，为实现伟大的"中国梦"提供了思想基础和文化动力。

参考文献：

[1].在全国思想工作会议上的讲话[N].人民日报，2013-08-19.

[2].在全国宣传部长座谈会上的讲话[N].人民日报，1993-01-15.

固体力学研究方向篇3

关键词: 锚固设计理论；锚杆

中图分类号：U455.7+1文献标识码：A文章编号：

Abstract: Accroding to home and abroad bolting theory ,and basing on mechanism ofblotingsome problems about the research of bolting technology is advanced in order to improvethe application of the existing bolting theory technology.

Key words:Bolting in theory;anchor

0 引言

锚杆支护技术始于国外,是维护围岩稳定的支护技术[1]。1872年英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡。19世纪初期美国首先将锚杆支护用于矿山建设。1934 年阿尔及利亚的Cheurfas 大坝的加高工程首次采用10 000 kN 级预应力锚杆作为抗倾覆锚固，这是世界上第一例采用预应力锚杆加固坝体,并获得成功。50年代初，瑞典生产出高效的喷浆机，随着速凝剂的出现锚喷支护在全世界迅速推广。

1锚杆支护的发展

当前锚杆锚固技术以其技术先进、经济合理、质量可靠等优点正在隧道岩体支护中广泛应用并且发展迅速。美国、澳大利亚的矿井巷道支护中, 锚杆支护占90 %以上。锚杆锚固技术合理地调动岩体的自身强度和自承载能力改善岩体的应力状态。

1.1锚杆支护

锚杆支护通常与刚带、网、混凝土等共同作用对岩体进行加固。我国煤矿1955年开始试用锚杆。当时的锚杆只起悬吊作用, 被动承载而不与围岩共同作用，效果不理想。借鉴国外技术经验，加上我国技术人员科技研究，锚带网和锚梁网等支护方法在现场得到了大量的应用，支护效果显著增强。这时锚杆不仅起到悬吊作用, 更重要的是起到组合拱或组合梁作用。目前有各种各样的锚杆支护系统，例如锚杆带网、锚杆带刚带、锚杆带梁、锚杆桁架及其多种组合广泛地用于各种工程中。

1.2锚杆的分类

目前锚杆的种类很多，几十乃至上百种。分类目前没有统一标准。按照锚杆与岩体锚固方式可将其划分为机械式、粘结式、和摩擦式；按杆体材料又分为木锚杆、竹锚杆、金属锚杆、聚酯锚杆；按照锚固长度划分可分集中锚固类锚杆和全长锚固类锚杆；按锚固体传力方式分为压力型锚杆、拉力型锚杆和剪力型锚杆；按锚固体形态分为圆柱型锚杆、端部扩大型锚杆和连续球型锚杆等。

我国最早应用于矿山建设的是木锚杆和竹锚杆，其价格低廉取材广泛，但其锚固力较小，在工程中起到的作用不是很明显。随着生产的发展，金属锚杆已逐渐将其取代。在众多锚杆中预应力锚杆是应用较广泛的一种锚杆。预应力锚杆是在安装锚杆时给锚杆施加相当量的预应力，这样的作用能有效地阻止围岩的开裂、滑移和弱化。不仅消除了锚杆的初始滑移量，而且还能给围岩施加一定的预压应力，提高围岩抗剪切能力和抗拉能力。随着技术的发展，新工艺的进步，现在的锚杆不但锚固力符合工程的需要，其设计逐渐更符合优化的要求，象德国的可伸长的让压性锚杆[2]、俄罗斯的杆体弯曲型可延伸锚杆，可回收锚杆及抗腐蚀性、重量轻、可切割的塑料锚杆[3]等等，它们广泛用于生产建设，在支护强化领域起到了举足轻重的作用。

2锚杆支护技术理论的发展

锚杆和岩体之间的相互作用机理非常复杂，很难通过力学和数学模型进行准确模拟[4]，,,国内外很多学者对锚杆作用机理做了大量的深入研究与探讨,揭示了锚杆支护的机理。

2.1国外的锚杆支护技术理论

(1) 组合拱理论

组合拱理论是兰氏( T・A・Lang) 和彭德(Pender)提出的。在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆，在杆体两端将形成圆锥体形式分布的压应力。如图1。如果按照一定规律布置一系列锚杆，各个锚杆形成的压应力圆锥体将交错重叠，形成一个防止破裂区扩展的承压拱（组合拱），这个承压拱可承受其上部破碎岩石施加的径向荷载，能阻止不稳定岩石的滑移，促使岩石之间的间隙面压紧[5]。承压拱厚度W可按（1）式近似计算，即

W＝L-S（1）

式中：W― 承压拱厚度；L― 锚杆长度；S― 锚杆间排距

锚杆支护力最大值[1]可由下式确定： （2）

如果考虑剪切滑移，锚杆提供最大支护力为：

（3）

式中： ― 破坏剪切角；― 岩石滑移线最大倾角； ― 锚杆的锚固力；

― 锚杆排距；― 锚杆间距；

英国与澳大利亚等国家的锚杆支护设计倾向于此理论。

(2) 悬吊理论

1952 年路易斯阿・帕内科(Louis A・Panek) 等发表了悬吊理论。该理论认为把由于开挖、爆破等造成的松动岩块稳固(悬吊)在稳定岩层上,防止破碎岩块的冒落,在坚硬节理发育的岩块处,锚杆通常起这种作用。锚杆长度可按下式确定，即

L＝ L1+ L2+ L3 （4）

式中： L1 ：锚杆外露长度(一般取0.15m)； L2 ：锚杆有效长度；

L3 ：锚杆锚固长度 (一般取0.3～0.4m)；

锚杆有长度的确定: ①当直接顶需要悬吊而它们的范围易于划定时，应大于等于直接顶的厚度。②当通过实测已确定围岩松动圈范围时，应大于等于松动圈（即破碎带或冒落带）的高度。锚杆直径按杆体承载力与锚固力等强度原则确定，即

(5)

式中：― 锚杆的锚固力(由拉拔试验确定)；― 锚杆杆体材料的抗拉强度；

(3) 组合梁理论

1952 年德国Jacobio 等发表了组合梁作用理论, 其实质是通过锚杆的径向力作用将叠合梁的岩层挤紧,增大层间的摩擦力,同时锚杆的抗剪能力也阻止层间错动,从而将叠合梁转化为组合梁。在美国，由于其巷道埋深较浅、岩层强度高且地应力比较低，此理论的应用较多。

(4) 加固补强

该理论认为,对于节理密集破碎岩体或是较为软弱的土体,施加锚杆可使破碎岩体具有完整性，在软弱土体中增加筋骨，从而增强锚固区围岩土体的强度(如弹性模量E ，粘聚力c) 。

(5) 销钉理论

销钉作用表现为两方面：①利用锚杆将不稳定块体钉到深部稳定的围岩上。②软岩洞室围岩常发生压剪破坏，破坏了的岩体将沿最不利的滑移面滑动。如沿洞室周边径向布置锚杆，由于锚杆与滑移面斜交，锚杆就会起到防剪抗滑作用。

2.2国内的锚杆支护技术理论

(1) 全长锚固中性点理论

全长锚固中性点理论由东北大学王明恕教授提出。该理论认为在靠近岩石壁面部分(锚杆尾部) ，锚杆阻止围岩向壁面变形,剪力指向壁面。在围岩深处(锚杆头部) ，围岩阻止锚杆向壁面方向移动。锚杆上的剪力指向相背的分界点，称为中性点，该点处剪应力为零，轴向拉应力为最大。由中性点向锚杆两端剪应力逐渐增大，轴向拉应力逐渐减少。这个理论存在着一定的价值。但是它难以解释锚杆尾部的断裂机理。

(2) 松动圈理论

将围岩中产生的松弛破碎带定义为围岩松动圈。 围岩松动圈支护理论是由中国矿业大学董方庭教授在对围岩状态进行深入研究后提出的。松动圈理论是现有支护条件下，试图采用支护手段阻止围岩的松动破动是不可能的。松动圈越大，收敛变形越大，支护就愈困难。因此松动圈理论认为，支护的作用是限制围岩松动圈形成过程中碎胀力所造成的有害变形。该理论的优点是简单、直观，对中小松动圈有极重要价值，但对大松动圈尤其是高应力软岩以及采准巷道，实践表明，该理论有一定的局限性。

(3) 围岩强度强化理论

其要点是：①锚杆加固围岩 的实质是改变了巷道围岩的受力状况，增加了围压，从而提高了岩石的力学参数（δ、E、C、）， 改善被锚固岩体的力学性能；②巷道围岩存在着破碎区（松动区）、塑性区、弹性区，锚杆锚固区域内的岩体的峰值强度或峰后强度、残余强度都能得到强化；③能较好地控制围岩破碎区、塑性区的发展，从而更有利于保持巷道围岩的稳定。

(4) 锚固平衡拱理论

该理论认为，锚杆加固对于提高围岩自身的最大承载能力没有明显的效果。但在围岩产生塑性破坏后，对提高围岩的残余强度及承载能力有显著作用。在洞室周围，锚杆与其锚固范围内的岩石构成一种锚固支护体。当这个锚固体中的岩石在围岩集中应力作用下发生破坏时，其承载力降低并产生变形，同时围岩的集中应力向深部转移，使锚固体卸载。在这个过程中，锚固体通过锚杆的约束作用和抗剪作用，使塑性破坏后易于松动的岩石构成具有一定承载力和适应自身变形卸载的锚固平衡拱。

这些理论在生产实践中起到了积极的作用，有效的指导了工程实践。在这些理论中，其多数是以定性的方法进行分析，还不能满足工程建设与应用研究。其对岩土锚杆的传力机制也只是定性描述，锚杆加固机理、锚杆的长期工作性能也没有统一的认识，另外在变化的荷载等条件下锚杆的性能还有待于研究。

3锚杆支护的设计

在我国，锚杆支护设计及参数选主要依靠经验与实验的方法。当地质条件简单、围岩稳定时, 直接采用工程类比法确定锚杆支护参数,再用悬吊理论、组合拱理论或松动圈理论加以校核即可。当地质条件复杂时, 采用试验方法确定锚杆支护形式和支护参数, 一般先进行室内模拟实验, 再进行工业性试验锚杆。

目前, 支护设计方法有以下几种。专家系统设计法 它是工程类比法的发展，但由于是建立在众多专家知识和大量的经过实践检验行之有效的经验设计的基础上，因而支护设计的可靠性和合理性大为提高。理论设计法 是建立在锚杆支护力学分析与模拟计算的基础上， 需要预先测试围岩力学参数, 并进行系统的锚杆支护作用机理和围岩变形机理研究，才能成为指导围岩控制实践的科学方法。实测设计法 又称现场监测法, 是由澳大利亚和英国先后发展起来的, 该设计法从地质评估开始, 先进行初始设计，然后通过对锚杆的现场特征、岩体特征及巷道在加固条件下特征的详细监测验证设计，最后确定锚杆加固系统, 并继续进行日常监测。围岩松动圈设计法 该方法含有专家系统设计法和现场实测设计法的内涵, 简单直观, 易为现场工程技术人员所接受, 且对岩巷有着良好的适应性,但对煤巷尤其是动压煤巷的适应性仍有待深入研究, 故围岩松动圈支护理论与设计方法也是今后发锚杆支护技术发展前景与制约因素展的重要方向。

在现有的地下工程支护加固设计中，由于诸多未知参数难以确定，且地质因素复杂，现在仍滞留在以锚杆为主体的研究水平上，没有到把锚固支护看作一个整体系统来作研究设计。这事必造成一些不合理因素。这种研究是今后的方向，应该说这是一套切实有效的方法。它可以克服过去单一重视锚杆本身行为的弊端，从而可以充分发挥系统各要素的功能，以使系统达到最佳工作状态。在欧美一些国外对这个已有所研究，并取得了一定的进展。

4结束语

锚杆支护方法发展到现在已有一百多年的历史，其无论在工业民用建筑、隧道桥梁、矿山建设还是在高陡边坡、大型地下洞室、大型弧门闸墩、大坝及坝基各类建筑物的加固中都发挥着积极的作用。虽然锚杆无论在强度、抗腐、与周围体的粘结力等都有提高，但锚杆支护的理论及设计滞后于工程应用研究，理论分析和数值分析与实际情况出入较大。最主要的就是力学模型和分析方法方面还不够完善。分析支护效果的各种影响因素，研究锚杆结构的作用机理、长期受力特性，对工程质量效益的提高有着深刻的现实意义。

参考文献：

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[3] 程良奎．深基坑支护的新进展[A].北京:人民交通出版社．1998.

固体力学研究方向篇4

【关键词】固体物理 学科前沿 教学改革

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2012）07-0181-01

《固体物理》是大学物理专业一门重要的专业必修课。固体物理是研究固体的结构及其组成粒子(原子、离子、电子等)之间相互作用与运动规律，以阐明其性能与用途的学科［1，2］。同时，随着科技的发展，以固体物理为基础外向延拓的凝聚态物理成为当前重点研究的学科之一，是材料物理、半导体物理、新材料和新器件等新兴交叉学科的理论基础。固体物理的学习成为基础理论与应用学科之间的桥梁，在当今世界的高新科技领域起着不可替代的作用。本课程的主要学习任务是在大学物理、量子力学、统计物理等知识基础上学习晶格理论和固体电子理论、以及所涉及的学科发展的前沿和应用。因此有必要学习且学好这门课，这要求学生必须具备较强的物理思想、扎实的数学基础、良好的量子力学基础，而且这门课内容抽象且庞大，因此对授课的要求也相应地提出了挑战。从教师角度来讲，如果上好这门课，使学生深刻理解和掌握物理基本概念、所学内容，并能学以致用，培养学生解决实际问题的能力和创新能力，如何融合学科前沿知识于物理教学中，提高教学质量，值得我们深思。

笔者在教学中考虑到传统的固体物理教学内容和日新月异的固体物理前沿内容间的关联，在教学中引入学科前沿研究的具体问题，以期固体物理的教学能够与时展相结合，强化学生的基础知识学习，提高学生的学习兴趣，拓宽学生的视野，培养学生的科学态度、学习能力和创新能力。本文引用教学过程中选择的一个具体研究体系：即石墨烯体系来阐明如何在教学中建立基础知识与前沿间的关联的。石墨烯体系是2004年英国曼彻斯特大学的Geim和Novoselov等人通过机械剥离法获得了单层石墨烯片，这种二维材料仍保持了近乎完美的晶体结构和极高的稳定性。石墨烯材料展现出了诸如无质量的狄拉克费米子、弹道输运、室温量子霍尔效应等一系列新奇的物理性质成为近几年迅速发展起来的研究热点材料之一。2010年，Geim和Novoselov因为在石墨烯研究方面的卓越贡献获得了诺贝尔物理学奖金。选择石墨烯体系是因为：(1)它可以与固体物理众多基础知识点联系起来，使学生在学习中更加具体化；(2)在教学过程中结合一个研究问题，在学习过程中层层推进，既深刻理解了固体物理的基本知识点，又同时逐步了解了前科学科的研究内容、方法；(3)此教学过程可以激发学生的学习热情和兴趣，让学生感知学科发展的动力，认识科学的研究来源于基础知识的积累、学习。下面我们简要的梳理一下在教学过程中如何结合石墨烯体系进行教学的。

1.晶格结构。《固体物理》教学的第一块内容是晶体结构以及对它的描述：基矢、倒格矢等。晶体结构是微观粒子的排列方式，抽象、枯燥。我们将Materials Studio软件应用于教学中，充分应用模拟软件的可视化功能，导入典型材料的晶格结构，通过旋转多角度的观察微观粒子的排列方式，分析结构特征。其中导入单层石墨烯结构：分析原胞，分析两个不等价的碳原子，用A、B表示，求解原胞基矢、倒格矢，分析每类原子的最近邻、次近邻等，为后续紧束缚近似从能级扩展到能带做铺垫。

2.能带理论。在晶体中，势函数满足周期性，状态波函数满足Bloch定理。求解石墨烯中载流子运动状态和能量满足的方程，考虑到碳原子核外电子在一个原子附近时，将主要受该原子场的作用，而把其它原子场的作用看成是微扰作用，因此采用紧束近似的方法。由于石墨烯中有A、B两种不等价碳原子，波函数可以写为ψ=C1?覫A+C2?覫B其中?覫A，?覫B 分别代表A和B的原子轨道对所有格点求和的波函数，在教师引导下让学生具体求解本征方程，具体计算结合书本，只保留到最近邻相互作用项，给出能带公式，分析能带图，提醒学生注意能带图殊的6个交叉点（即K，K’点），具体物理分析留待后面解释。

3.能态密度和费米面。能态密度以及费米面附近的载流子浓度是决定材料物性最基本的物理量。通过对石墨烯能带结构的分析，由6个K和K’点组成的平面即为零偏压下的费米面，忽略原子轨道间的重叠积分，在K/K’附件展开给出能量为波矢的线性关系，实验上可用角分辨光电子谱等方法对石墨烯的能带进行测量，向学生展示实验结果并对比理论进行分析。相应地描述石墨烯载流子行为的方程是Dirac方程，而不是薛定谔方程，这一点需向学生做进一步分析解释：区别传统自由电子气中描述载流子所采用的近自由电子近似，其中能量与波矢的关系成二次方项；而在单层石墨烯中载流子的速度约为106 m/s，类光子，采用Dirac方程描述。正是因为石墨烯中电子结构的特殊性为人们研究观察相对论量子电动力学效应提供了更加方便的手段和系统，使得人们可以利用低能的凝聚态物理来模拟一些量子场下所预言的相对论量子现象，用石墨烯来检验Klein隧穿效应等，拓宽学生视野，激发学习热情。

4.电子在电场和磁场中的运动。(1)通过能带理论解析导体、绝缘体或半导体的导电行为。针对石墨烯材料，同样由能带结构分析导电性能。尤其指出当门电压为零时，理论上载流子浓度为零，如何解释实验上观测到的最小电导率，向学生抛出问题，引导学生思考，最后总结目前文献中的相关解释。(2)采用经典理论和量子理论分析自由电子系统在外加磁场条件下载流子的运动特征，介绍传统的霍尔效应和整数量子霍尔效应现象。引入在石墨烯材料上室温下观测到的反常的量子霍尔效应现象。引导学生找出霍尔电导的反常性来源于材料结构的特殊性以及描述载流子运动方程的不同，并进一步给出在外加磁场下的状态方程和能量关系，分析实验现象。

5.其它。在课时允许的条件下，以专题的形式向学生介绍前沿知识。同样以石墨烯为例，介绍晶格振动实验和理论的结果；各种散射机制以及采用Boltzmann方程的方法如何处理散射问题，异质结的能带形成过程；光的吸收与层数的关系实验规律，分析光的吸收机制以及在透明导电薄膜领域的应用前景；以及石墨烯材料如何制备等等。当然我们也同样可以选择其它的学科前沿的事例结合固体物理的教学，在这里笔记主要是介绍通过石墨烯的研究内容来充实我们的教学内容。

总之，结合固体物理理论性强，并且学科飞速发展的特点，在课程内容上有必要增加学科前沿内容，传授研究方法，设计研究性课题，解决实际问题。从而培养有创新能力的学生。

参考文献：

固体力学研究方向篇5

关键词：半固态加工；均匀凝固；高强铝合金

中图分类号：TG249.9 文献标志码：A 文章编号：1007-2683（2013）02-0001-06

从上世纪70年代美国MIT学者提出半固态加工技术概念以来，半固态制浆方法和技术一直是研究和开发的重点，制浆的目的是为了控制凝固过程中的晶体形核与长大形态，以获得细小均匀的显微组织，从而提高材料的综合性能，但是目前大多数的制浆方法在实际应用方面都还存在不同程度上的局限性，制约了这项技术的工业化推广应用，因此，近年来半固态浆料制备方法仍在不断的努力探索，推进着半固态加工技术的向前发展，第十二届合金与复合材料半固态成形国际会议（$2P2012）和2012年中国压铸、挤压铸造、半固态加工学术年会先后于2012年10月和11月召开，从国内外召开的这两次会议可以看出，一方面仍然涌现出许多新的半固态制浆工艺，另一方面半固态加工技术开始向超高强铝合金的控制凝固与控制成型方向发展。

1、新的半固态制浆方法

半固态制浆方法是半固态加工技术的核心所在，因此研究新的制浆方法仍然是关注的热点，被认为有工业应用前景的国外制浆方法如表1所示，这里主要介绍第十二届合金与复合材料半固态成形国际会议上公开的几种新的半固态制浆方法，供业内人士参考。

1.1 CSIR-Rheocasting System（CSIR—RCS）

CSIR-Rheocasting System（CSIR-RCS）是由南非科学与工业研究委员会（CSIR）（council forscientific and industrial research）开发的流变高压铸造系统，由熔化炉、制浆罐、机械手及冷室压铸机组成，如图1所示，该委员会拥有130T和630T两套系统，主要用于铝合金及镁合金成型，开发了制动钳和发动机连杆等零件，如图2所示，在Al-si-Mg合金、Al-zn-Mg-cu合金和纯Al等材料体系上进行了应用研究，CSIRR—HPDC工艺制备的铸态组织，如图3所示。

1.2 The Gas Induced Semi-solid（GISS）

气体诱发半固态法（GISS）由泰国GISSCO公司开发和商业化，该技术通过石墨透气体向熔体中注入大量细小的惰性气体泡，熔体温度由之前的液相线以上几度降低至液相线以下几度，搅拌时间取决于想要获得的固相率，如图4所示，这些气泡主要有两个作用，一是产生强烈的搅拌作用，二是达到了快速散热的目的，该技术制备的半固态浆料适合与压铸等近终成形工艺对接，目前GISSCO公司利用该技术正在开发假肢关节等生物医用零件，如图5所示。

1.3 超声法

西班牙加泰罗尼亚技术大学轻合金及其表面处理设计（CDAL）（light alloys and surface treatmentsdesign centre）中心研究了超声对A357铝合金组织的细化和球化作用，结果表明球化效果取决于超声强度，超声衰减较明显，仅震动头附近熔体球化效果明显，该超声发生装置功率达2.5kW，频率为20kHz，使用锆钛酸铅压电陶瓷作为压电转换器，震动头使用Ti-6Al-4V钛合金，如图6所示。

1.4 The RheoMetal process

RheoMetal方法也叫RSF（rapid slurry forming）方法，由瑞典Jonkoping University开发，其基本原理是用熵交换材料（enthalpy exchange material，EEM）作为冷却剂来吸收热量，从而制备出浆料，如图7所示，控制该方法制备浆料质量的关键因素包括合金成分、搅拌速度、EEM比例、EEM温度、EEM组织特性和熔体过热度。

1.5 双轴电磁搅拌

日本东北大学以Al-si合金为例，认为用于流变铸造的高质量小体积浆料的关键是具有均匀的温度场分布，小的晶粒尺寸和均匀分布的固液相，在此基础上他们提出了双轴电磁搅拌法，包括旋转电磁场（rotating magnetic field，RMF）和行波电磁场（lin-ear traveling magnetic field，LTMF），如图8所示，该方法与复合电磁搅拌、螺旋电磁搅拌类似，克服了单一搅拌方式的缺点，搅拌更加均匀。

1.6 平板振动法

日本东北大学此前提出了一种叫Cup-cast的方法制备小体积浆料，但该方法需要精确控制温度，只能制备少量浆料且均匀性不够好，在此基础上增加一个振动的平板，如图9所示，与Cup-cast相比不但能够制备较大体积的浆料，而且不再需要精确控制温度，浆料也更加均匀，熔杯和平板均采用SUS304不锈钢制造，一个焊接有偏心配重的直流电动机作为振动器固定在平板顶端，整个平板用弹簧固定在熔杯上。

从以上几种新的制浆方法看，简化制浆过程实现大体积熔体浆料制备是当前半固态成形技术的发展趋势。

2、半固态加工技术在高强铝合金中的应用

超高强铝合金一般指屈服强度500MPa以上的铝合金，超高强铝合金主要是以Al-zn-Mg和al-Zn-Mg-Cu为基础的铝合金，具有密度低、比强度高、热加工性能好等优点，近年来超高强铝合金在航天、航空和现代化交通运输轻量化方面得到广泛应用，然而在开发多元铝合金大型铸锭及大型构件方面还存在宏观偏析严重和铸锭热裂纹倾向大等问题，很难实现大型铸件的近终成形，而半固态加工技术的核心是利用各种熔体处理方法实现对浆料中固相形貌、大小和分布情况的控制，因此通过半固态技术来控制凝固过程中的合金成分和组织的均匀性，将有望解决超高强铝合金现存的问题，这对半固态技术和超高强铝合金的推广应用都具有重要意义，从新近召开的两次国际和国内半固态会议上已经体现出用半固态技术研究超高强铝合金成形的这种发展趋势。

南非采用CSIR-RCS法制备的7017铝合金样品，如图10所示，并与传统加工方法的性能进行了比较，如表2所示。

国内北京有色金属研究总院采用环缝式电磁搅拌强制均匀凝固流变成形技术装备如图12所示，铸造出直径200 mm、长度4 500 mm的成分组织较均匀的7075铝合金坯料，如图13所示，其显微组织主要由蔷薇状组织和细小的圆形组织组成，初生相晶，粒平均尺寸为62.3 μm，对连铸坯心部、中间和边部的试样进行了宏观成分测试，测得三种试样中zn、Mg、Cu的分布分别如图14所示，图中横坐标位置1表示铸坯心部，位置2表示铸坯中间，位置3表示铸坯边部，由此可见，经过环缝式电磁搅拌处理的试样中各合金元素分布均匀，

将环缝式电磁搅拌强制均匀凝固制浆技术与挤压铸造工艺相对接，开展了高合金化7075R铝合金流变挤压铸造技术研究，如图15所示，

挤压铸造采用LYF一400SA型液压机，最大压力为400 T，采用直接挤压铸造成型方式。合金浇入模具型腔后，分别在50 T、100 T、150 T压力下成型，保压30 s后拔模，留模2 min后出模，挤压铸造制件采用如下热处理制度：固溶：460℃/24 h+470℃/8 h+485℃/2 h+水淬；时效：120℃/24 h，热处理后的力学性能如图16所示。

固体力学研究方向篇6

[关键词]三维有限元法；修复；生物力学

[中图分类号]R 783.4[文献标志码]A[doi]10.3969/j.issn.1673-5749.2012.02.027

Three-dimensional finite element method in restoration of dentition defectCheng Lin, He Huiyu.（Dept. of Prosthodontics, The First Affiliated Hospital, Xinjiang Medical University, Urumqi 830054, China）

[Abstract]Three-dimensional finite element method is a method applied in many fields of theoretical mechanics analysis. It is introduced since the inception of dentition defect, through computer simulations, it can be more precisely calculate the prosthesis to the force within each region condition with a small error and be set of pa－rameters, etc., showing a stress test analysis of other advantages are unparalleled, so more and more applications to the restoration of the force response simulation and forecasts. The three-dimensional finite element method have been applied in a variety of fixed dentition defect restoration, restoration activities, fixed-activities joint retainers, implant stress analysis and other aspects of the situation in recent years will be reviewed in this article.

[Key words]three-dimensional finite element method；restoration；biomechanical

应用三维有限元法的应力分析是生物力学研究中的重要手段之一。它可对复杂几何形状的物体建模，求得整体和局部的应力、位移值及其分布规律，并可根据需要改变受载和边界条件等力学参数，在维持原模型几何形状不变的情况下，还可方便地对其应力大小和分布变化进行对比分析。该研究方法高效、精确、成本低，已成为结构优化设计、材料非线性和几何非线性分析的一种方便、有效、实用的应力分析方法。三维有限元法的优点是适用于条件复杂的牙、牙周膜、口腔修复体等。其局限为结论只能是一个近似值，只有单元数目接近无限时其求解结果可接近真实值；单元划分的大小、形状、载荷情况、边界条件等均会影响该法最终的结果；对于具有非均质、非线性和各项异性的材料则增加了有限元分析的应用难度。

中国于1982年将三维有限元法用于研究口腔生物力学领域的课题，目前在研究中已普遍地根据实物测量结果建立了牙齿和牙槽骨的三维有限元模型，计算了固定义齿修复、套筒冠修复、附着体修复、活动义齿修复、种植义齿修复等一系列问题，其计算结果与实验结果有较好的一致性，对科学研究和临床治疗都具有一定的实际意义。

1活动义齿修复

可摘局部义齿结构比较复杂，设计类型多种多样，通过生物力学的研究，可达到优化义齿设计、保护支持组织、提高义齿质量等目的。范长斌等[1]运用三维有限元法研究并比较了戴用分割式可摘局部义齿与普通可摘局部义齿在不同载荷下缺牙区黏膜的应力情况，结果发现：分割式可摘局部义齿有效地起到了保护基牙的作用。魏敏等[2]应用三维有限元的方法，分析了在不同方向载荷下组合式可摘局部义齿基牙及其支持组织的应力变化，结果发现：在不同方向载荷下，基牙牙周膜在应力分布中变化不大，但基托下的支持组织承受了大部分载荷，并且随着载荷的变化应力分布有明显差异。该研究从生物力学角度证明了组合式可摘局部义齿在行使功能时，利用上下2层支架的特殊设计可以分别承担义齿固位和承力两大功能。这样的设计既保护了基牙的健康，又达到了良好的修复效果，对牙周病伴牙列缺损的病例是一种理想的修复设计方案。

2固定义齿修复

早在20世纪70年代中期，国外便将三维有限元法应用于固定义齿修复的研究，而在此方面的研究工作国内则始于20世纪80年代。马达等[3]用三维有限元法分析动态载荷下下颌前牙固定桥修复前、后基牙牙周膜的应力和应变分布规律，结果发现：其在动态载荷与静态载荷下基本相同，但大小明显降低。牙周膜的应力分布和大小具有时间依赖性，牙周膜残余应力的大小与加载量及加载方向有关，加载方向是影响牙周膜应力分布、应力累积和应力释放的重要因素。王桥等[4]研究了下颌第二前磨牙和第一磨牙缺失的两基牙双端固定桥修复的应力分布，结果发现：当基牙牙槽骨无吸收时，固定桥两基牙应力分布均匀；当基牙牙槽骨有轻度吸收（大于10%）时，固定桥两基牙即开始出现应力集中。魏斌等[5]在POWERSHAPE及ANSYS软件的帮助下，建立了右下第一磨牙缺失及局部固定义齿的三维有限元模型。模拟第二前磨牙Ⅱ度松动，观察并对照3个实验固定桥模型中基牙应力的变化以及最大应力值的部位和大小，结果发现：模型一和模型二的最大应力均出现在第二前磨牙处，模型三的最大应力出现在第一前磨牙处。从而得出了在松动基牙侧增加基牙数目，可以有效改善固定桥支持组织的应力分布的结论。丁旭等[6]探讨并建立了下颌单侧后牙游离端缺失种植固定义齿的三维有限元模型，结果发现：将ATOS流动式光学扫描仪技术、数字图像处理技术与一系列计算机软件相结合建立三维有限元模型的方法是有效、可行的，并可在一定程度上提高模型的仿真性和建模的高效性。

3套筒冠义齿修复

套筒冠义齿在国外有40余年临床应用的历史，是指以套筒冠为固位体的活动义齿。套筒冠固位体由内冠和外冠组成，冠粘接在基牙上，冠和活动义齿连成整体，通过内冠和外冠之间的嵌合作用产生固位力。Ogata等[7]运用三维有限元法研究弹性下颌游离鞍基套筒冠义齿对基牙的影响以及配合使用间接固位体的效果后发现：套筒冠义齿选用多颗基牙可起到夹板固定的作用，较选用单颗基牙更有利于基牙牙周组织的健康，若同时设计间接固位体可大大减少基牙和远中游离鞍基的位移。Güng觟r等[8]为了确定由松动外冠对牙齿和周围组织产生的应力，运用有限元法研究了由不同大小（4、5、6 mm）和锥度（0°、2°、4°、6°）的锥形套筒冠产生的分布在固位体和周围组织上的应力，将由拉力或张力得到的应力值进行评估，结果发现：作用在冠颈部金属区域的拉力较张力所产生的最大应力更为显著。李萌等[9]为了研究下颌前牙缺失后套筒冠烤瓷桥生物力学的特性，利用CT扫描技术、数字图像技术和三维有限元的方法成功建立出了与实际情况近似的下颌前牙缺失后套筒冠修复的三维有限元模型，为进一步模拟、细化套筒冠修复缺失牙的三维有限元模型提供了方法和基础，同时也为口腔生物力学的研究提供了有效途径。

4固定-活动联合固位体修复

近年来，随着人们对修复体美观、咀嚼和牢固要求的日益提高，越来越多地医生采用了固定-活动联合修复的方式。魏斌等[10]通过调用正常牙列模型库中的数据编辑建立了双侧末端游离缺失的牙列模型，又在固定义齿模型库和可摘局部义齿模型库中的数据基础上，建立了套筒冠义齿及近中支托和远中支托的可摘局部义齿的三维有限元模型，并对其进行三维有限元的力学分析和比较。结果发现：套筒冠义齿的基牙牙根、牙周膜、牙槽黏膜和牙槽骨的应力分布均匀，其牙根受力最大值明显小于其他2种可摘局部义齿设计。这就表明：采用套筒冠设计修复双侧末端游离缺失的病例，具有应力分布均匀、基牙受力较小的优点，有利于基牙及其周围组织的健康。Bar觔o等[11]运用三维有限元法比较了使用不同附着体系统的全口义齿、固定于种植体上的覆盖义齿的受力分布，结果发现：O形附着体相关的未固定的种植体在各组中显示出最低的最大应力值，而且运用O形附着体系统也改善了运用条形附着体系统时的应力分布。

5种植义齿修复

随着种植体的应用越来越广泛，种植体的生物力学研究也越来越受到学者们的重视，种植技术从种植材料的研制、种植体设计到种植与修复联合应用都得到了飞速发展。Olsson等[12]观察了临床23例下颌肯氏Ⅰ类缺失的患者，双侧分别进行种植体支持的固定修复和天然牙-种植体联合支持的固定修复。经过5年的随访后发现：两者的桥体稳定性和双侧种植体骨边缘的改变均无明显差异。较种植体支持的固定修复，天然牙-种植体联合支持的修复方式并没有显示出高风险性。Yildirim等[13]使用三维有限元法比较了氧化铝和氧化锆支持的IPS Empress全瓷冠的抗折强度和折裂模式，结果发现：氧化铝基台支持时，全瓷冠的折裂全部发生在基台。李智勇等[14]采用三维有限元法分析了种植体支持的In-Ceram全瓷单冠在氧化铝、氧化锆全瓷基台和钛基台支持时种植体全瓷单冠各部位的应力分布情况，结果发现：不同基台支持下，种植体全瓷单冠各部位的应力分布基本类似，这一结果与体外关于全瓷基台抗折强度的实验结果一致。都吉秀等[15]认为：对于后牙单冠缺失，可采用大直径的种植体，或者是双根单冠的种植修复方法，并测算出双根等长种植体聚合度为10°时，种植体周围组织应力分布最佳。

6结束语

综上所述，随着三维有限元技术的发展和建模技术的不断提高，计算结果与实验结果有了较好的一致性，而这些研究使得人们对牙列缺损修复治疗的效果有了越来越深入的认识；同时，也在一定程度上促进了牙列缺损修复领域后续研究工作的开展实施以及临床实用技术的发展运用。三维有限元法在牙列缺损修复中的应用是先进而有效的，今后相信随着科学技术，尤其是计算机技术和影像学技术的发展，三维有限元法将得到更大的发展，其在牙列缺损修复领域中的应用也必将会更加广泛；在能更加真切地运用与指导临床实际工作的同时，也必将使得更多因牙列缺损需要修复治疗的患者从中受益匪浅。

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固体力学研究方向篇7

种植义齿是采用人工种植体，植入颌骨获取固位支持的修复体。目前的临床应用证明根状和柱状种植体能取得良好长期的骨结合。国内外对种植体的研究主要集中在骨结合界面的研究、种植体生物力学的研究，还有种植体材料及表面工艺的研究。对于生物力学的研究主要集中在如何分散颌力减小应力集中引起的骨质病理性吸收。

有限元方法( Finite ElementMethod ，FEM) ，是从工程数学分析发展起来的求解连续介质力学问题的数值分析方法，它与电子计算机技术相结合，能够有效的对结构性能较为复杂的物体进行应力分析，其原理是将连续的弹性体分割成有限个力学单元，以其结合体来代替原弹性体，并逐个研究多个单元的性质，从而获得整个弹性体的性质。Clough 等于1960 年明确提出有限元方法的概念，并在1973年由美国密执安大学的Farah，将FEM引入了口腔医学研究。自1983年后，FEM在口腔生物力学，特别是口腔修复学应力分析研究中作为一种有效的数学工具得到了广泛的应用。近几年被引入到了种植修复体的应力分析当中。本文就三维有限元方法在口腔种植修复领域的应用作一综述。

有限元分析在口腔种植修复领域，主要涉及以下几个方面。

1 种植体—骨界面应力分析

包括载荷、种植体材料属性、几何形态、表面外形、直径、长度，以及颌骨质量等对界面应力的影响。研究的主要目的在于改善种植体的外形及材料性质从而使该界面在不同的载荷作用下获得更佳的应力分布状态。目前对颌骨受力的研究比较一致的结论是在垂直加载下，种植体颈部周围的骨皮质和根尖部的骨松质出现应力集中[1]。在斜向加载下，种植体的唇侧颈部骨皮质出现应力集中[2]。

关于长度对于骨界面的影响有两种结论，一种是认为影响不大，比如Meijer[3]和Sertgoz[1]165认为随着长度的增加，应力降低不明显，说明种植体长短对骨界面最大应力值影响不大，临床上进行口腔种植手术设计时无须过分强调种植体的长度选择[4]。另一种是张少峰认为骨界面应力与种植体长度呈负相关关系[5]。关于直径对种植体应力的影响，目前有两个结论。Matsushita[6]等采用二维有限元方法对种植体的直径进行了研究，发现在垂直加载和水平加载下，种植体颈部周围的骨皮质出现应力峰值，而且应力峰值都与种植体的直径成反比，但是种植体直径对于应力分布的总体规律影响不大，这与Mailath[7]研究的结果一致，因此建议临床上使用大直径的种植体从而降低种植体颈部周围的骨皮质应力峰值以及减小骨界面的应力峰值。但是张少锋采用三维有限元方法比较种植体长度对种植全口义齿的应力影响，发现骨界面应力与种植体直径关系不大[5]99。

2 种植体外形及材料学性质的研究

早期种植体有叶状，片状，圆柱状或是锥形螺纹状。到了近年来，由于减缓应力峰值的需要，圆柱状，锥形螺纹状较为常见，对于此类种植体的研究也比较多。一个是圆柱状种植体的表面沟槽设计，有沟槽种植体显示出更大的应力变化梯度[8]；另一个就是螺纹状种植体的螺纹参数，其中Hurson[9]对螺纹种植体进行了研究，阐述了螺纹设计原则，材料的强度，力学疲劳分析，提出了螺纹设计的标准。但国内有研究发现，不同螺纹间距对种植体骨界面应力分布无明显影响，但是螺纹顶角角度的改变，可以导致种植体在支持组织的应力分布水平的改变，螺纹顶角为60°的种植体应力分布较合理[10]，为种植体的设计和应用提供了理论依据。

关于材料属性，早期种植体的研究尝试过多种材料属性，比如金银，生物陶瓷，含碳纤维，高分子材料等。但只有钛金属能有较好的生物相容性，所以钛合金成为目前应用最多的种植体材料。钛合金作为种植体存在的问题就是钛合金的弹性模量与骨组织差别较大，造成应力集中，从而损伤颌骨。曾有德国的种植体生产厂家在早年开发过一种内衬高分子材料的种植体，但终因内衬材料较高损坏率而没有使这种种植体得到普及。近年来随着高分子材料的研究进展，有望改用其他材料制作种植体Meijer[11]通过动物试验对聚丁烯对二苯酸盐（酯）聚合物（PEO:PBT）进行了研究，结果显示PEO:PBT是一种柔韧材料，能降低种植体颈部应力峰值，也有利于应力向周围骨组织传导，从组织学上观察，柔韧材料同样能与骨组织形成较好的骨整合。这应该是种植材料发展的重要方向之一。

3 种植修复方式的研究

目前有学者认为对于后牙单冠缺失，可采用大直径种植体，或者是双根单冠的种植修复方法，并测算出双根等长种植体聚合度为10°时，种植体周围组织应力分布最佳[12]。王伟[13]等采用三维有限元研究种植体的骨外段基庄不同高度对下颌覆盖义齿应力分布的影响，认为临床在保证义齿固位稳定的前提下，在一定范围内降低种植体骨外段基桩高度，有利于保护种植体及其周围软硬组织的健康。

对于后牙非游离缺失，争论比较多的是种植体—天然牙联合固定修复方式是否可行。有学者认为这种修复方式不可行，因为天然牙的咀嚼时的生理动度这会导致种植修复体的“早接触”从而造成颈部骨组织的应力大于天然牙颈部骨组织的应力，虽然垂直加载时种植体颈部的应力分布均匀，但在斜向加载时种植体的颊舌侧骨组织有明显的应力集中区，说明侧向力对种植体颈部骨组织损伤较大[14]。但巢永烈[15]等应用三维有限元分析设计下颌第二磨牙为种植牙和天然第二双尖牙作为基牙固定修复下颌第一磨牙，结果发现因为天然双尖牙的最大位移值较大，由于固定桥的支架作用，在垂直分散载荷下天然基牙和种植基牙的位移均值之间的差异无显著性，故认为天然牙—种植体固定桥是可行的。

对于后牙游离缺失，通过对天然牙-种植体的三维有限元分析，发现咬合时力点远离种植体，种植体骨界面应力值明显增加[16]，建议临床设计天然牙—种植体联合固定修复时要消除咬合早接触点。也有学者为避免天然牙—种植体联合固定修复两基牙受力不均匀，设计可动连接装置来均衡它们之间的受力，但这种设计能否造成应力分布的差异，结论尚不统一。周振平[17]等对天然牙—游离端Branemark种植体联合支持的修复体结构进行分析，设计四种连接装置（固定连接，冠外贯通式附着体，铰链式附着体，缓冲式附着体），结果发现，冠外贯通式附着体的应力最大，缓冲式附着体的应力最小，且分布均匀，起到了保护种植体的作用。

4 应用在口腔种植修复领域的有限元方法的局限和研究方向展望

4.1 系统误差的消除与控制

种植体有限元分析是一种在模拟天然牙槽骨及牙列形态的模型上做理论力学分析的研究方法。这种方法的精确性受建模方法、网格划分、软件参数等等的影响，存在一定的系统误差。目前临床上对于有限元分析是否正确的验证仅仅是颈部附近蝶形吸收或者根尖区阴影等等。且关于建模假设也大多是基于100%结合率及颌骨个方向的同向性而进行的。这些都对试验结果有着一些影响，很多实验都因此实际上地成为了定性研究。目前有国内学者建议将无限剖分的思路应用在三维有限元的研究中，能进一步的将力学分析的结果精细化，所以长久来看有限元与无限元方法的结合会成为一个研究方向，从而进一步地促进就如何消除，恒定，或是在方法上控制系统误差做进一步研究。

4.2 颌骨重建

天然牙槽骨及牙列的形态比较复杂，目前国内试验的颌骨重建主要以下颌骨为主，而上颌骨因为解剖结构层次不清，重叠结构比较多，故研究上颌骨重建的模型比较少。而上颌后牙区因为上颌窦的存在造成骨质情况比较复杂，急需对上颌骨的模型重建做进一步研究。

4.3 牙尖斜度的优化设计及带有真实牙尖斜度的牙体应力分析

正常牙体在咀嚼状态下的牙体受力大小和方向是由不同牙尖斜度的咬合面决定的，且随着磨耗进展，牙尖斜度不断变化而变化。这就对种植-修复体上部的冠结构提出了更高的要求，故应对牙尖斜度的优化设计做进一步的研究。

4.4 硬质骨情况对有限元分析的影响

国内现有模型种植体周围颌骨应力分布情况与硬质骨的情况直接相关，硬质骨的厚度，力学参数，对于硬质骨网格划分方法都会对实验结果产生较大影响，故应做一些实验将硬质骨情况对应力分析的影响细化，以求模拟分析的结果更加真实。

4.5 牙周膜面积的相关性

国内有学者经研究发现不同牙位的牙周膜面积有着一定程度的相关性，正比于不同牙位的牙体在行使不同的咀嚼功能时所受颌力，并可能与该处颌骨力学性状直接相关。若能根据扫描CT扫描邻牙的结果，快速的知道所要种植修复牙位的牙周膜面积范围，就有可能知道该处的颌骨性状，更有利于种植修复长期成功率的提高。

4.6 种植修复流程设计

种植修复发展方向之一为即刻负重。反应了患者对于治疗速度的要求。若能以CT扫描为基础，完善的有限元分析方法为依托，并根据牙位、颌骨力学性状的不同辅助以个性化的种植体颈部、根尖部及种植体中部螺纹、表面涂层材料的设计，就可以大大加快种植修复的流程，从而让牙列缺失的治疗水平上一个新台阶。

综上所述，对于种植修复技术的三维有限元研究目前并不深入，且由于颌骨形态复杂及实验人员的设计理念差异等因素使得建立模型没有通用的标准。尚有许多影响因素没有被发现，有待进一步研究。

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固体力学研究方向篇8

颈椎的侧块位于椎体的后外侧、椎弓根和椎弓的结合部，由分别向头侧突出的

上关节突和向尾侧突出的下关节突组成，左右各一。相邻节段的上下关节突构成小

关节，并将侧块连接在一起形成一个骨性柱状体。双侧的小关节和侧块同前方的椎

体及椎间盘一起构成颈椎的椎间关节并形成三个相互平行的骨性圆柱，这种结构形

成了颈椎稳定的基本框架[1]。有关侧块的详尽解剖学测量数据尚未见报告。

Howards观察到相邻侧块中心间的距离平均为13mm，螺钉在侧块内以向头侧15

°、向外侧30°进入，深度为10－11mm时不会触及神经根[2]，这在一定程度上反

映了侧块的高度和前后径长度。脊神经根从侧块前方通过，它是侧块周围的重要结

构之一，从侧块后方中点到神经根的平均距离为5.6mm[3]。脊神经后枝是围绕侧块

的又一重要结构，Ebraheim发现脊神经后枝平均高度从C3(2.2±0.6)mm到C7(1.2±

0.2)mm渐趋减小，脊神经后枝到上关节突尖端的平均距离在C5最大(7.4±1.6)mm，

而在C7最小(5.5±2.9)mm，脊神经后枝与侧块上关节面的夹角范围是23.3°±14.

3°到29.8°±11.2°[4]。颈椎小关节的完整对维持颈椎的稳定性有很大的作用。

Zdeblick等对人体颈椎标本在轴向负荷下的伸屈和旋转运动做了观察，发现小关节

被切除50%后其抗扭力能力明显降低。在伸屈运动中，有关颈部的应力变形，在完

整标本、椎板切除的标本和25%小关节切除的标本间无显著差异，而在小关节切除

50%的标本上应变增加了2.5%，在切除75%和100%的标本上则增加了25%[5]。Rober

t[6]的研究证实：椎板切除破坏了颈椎的稳定性，而侧后方小关节融合，可使椎板

切除后的颈椎重新获得稳定并防止进行性畸变的发生。其方法是经小关节钻孔，用

钢丝将纵形条状骨块绑在小关节上。融合的目的在于防止颈椎的旋转不稳、畸形或

微小运动引起的滑椎。52例病人中，有50例稳固融合，未发生畸变和不稳。Richa

rd等在一项包括两个椎体及周围结构的颈椎运动节段的剪力试验中发现：小关节被

切除50%以上时，其抗剪力的能力被显著削弱(实验中发生小关节骨折)[7]。无论是

单侧或双侧小关节切除都明显地改变了颈椎功能单位耐受屈曲负荷的力量。Josep

h等人的生物力学试验表明，单侧小关节切除致使其承载屈曲负荷的能力平均降低

31.6%±9.7%，而双侧小关节损伤则平均降低53.1%±11%[8]。Liming等人的研究更

进一步证实了小关节损伤对颈椎整体稳定性的影响。通过对C4－C6运动节段的试验

发现：旋转运动的幅度随小关节切除范围的增多而增加，最大变化发生在双侧小关

节切除50%和75%的标本，同时其纤维环所受应力也随之增加；在侧屈试验中，旋转

度增加11%，纤维环应力增加30%。他们认为小关节切除造成纤维环应力的增加大于

椎间关节强直所引起的应力增加，双侧小关节切除50%以上，可显著增加纤维环的

应力和运动节段的活动幅度[9]。

由此可见，颈椎小关节对保持颈椎的稳定起着重要作用。两侧的侧块及关节对

颈椎后方的稳定起了支柱作用，小关节的破坏即意味着颈椎整体稳定性的破坏；相

反，小关节的稳定便构造了颈椎整体的稳定。

2　颈椎侧块在后路内固定中的应用

尽管有关侧块的解剖学测量的研究未见报告，但与侧块有关的颈后路内固定方

法却早已用于临床。最早采用钢板螺钉作颈后路经侧块内固定的是Roy－Camille，

此后Magerl和Seemann对此技术进行了改进，以期增加螺钉与侧块的咬合力，其主

要不同在于螺钉在侧块中的轨迹不同[2]。Heller等[10]从解剖学上对Roy－Camil

le和Magerl的技术作了比较，在26个新鲜颈椎标本上依据Roy－Camille或Magerl描

述的方法将螺钉拧入C3－C7侧块，以确定两种方法对神经根，椎动脉和小关节所构

成的潜在危险。在Roy－Camille技术中，进钉点在侧块中心(小关节后面顶点)，螺

钉方向：由后内侧指向前外侧，与矢状面成10°角，以避开椎动脉，螺钉直径3.5

mm，穿透前后双层骨皮质。而在Magerl技术中螺钉进点在侧块中点内上2－3mm，向

上倾斜与上关节突关节面平行，向外倾斜25°，螺钉贯穿前后骨皮质，尖端位于关

节突前面的上外侧。以上两种方法，钉尖所在位置是否合适，以侧块的三区分级系

统(Three zone grading sys—tem)决定，即将侧块分为上、中、下三区，上区从

上关节突上缘至横突上缘根部；中区在横突根部上下缘之间；下区从横突根部下缘

到下关节突下缘。侧块的上1/3(上区)代表Magerl技术螺钉尖端所在的位置，下1/

3(下区)是Roy－Camille技术钉尖所在的正确位置。在实验中，对每一个螺丝钉的

位置根据其对神经根、椎动脉的潜在危险，对小关节的影响，及所在的区进行评估

。结果表明，Roy－Camille技术损伤神经根的可能性很小，螺丝钉进入三区以外的

可能性较小；而Magerl技术损伤小关节的危险性较小，两种技术均未构成对椎动脉

和脊髓的威胁。实验还表明出现神经根损伤的机会与外科医生的技术熟练程度有关

，一旦技术熟练以后发生神经根损伤的机会将明显降低。该实验采用直径3.5mm的

皮质骨螺钉，但未涉及钉长以及采用此种螺钉的解剖学依据。Howards等对C3-C7小

关节之间的距离、C7-T2椎弓根的形态也进行了研究，目的是确定颈后路经侧块钢

板螺钉内固定的潜在危险性。为此他们对22个颈椎标本进行了研究，发现从C3-C7

上下相邻两侧块中心之间的距离在不同个体变化较大，范围从9-16mm，平均13mm，

钢板的设计必须适应在不同个体和不同节段间的这种变化。由于神经根在上关节突

前外侧穿出，因此向内侧和向头侧的角度越大，损伤神经根的可能性越大，螺钉理

想的穿出点在横突上缘与侧块的结合部。进钉点在侧块中心内侧1mm，进钉深度7－

18mm，平均10mm[2]。Anderdon等对30例颈椎不稳的病人进行了颈后路A0重建钢板

内固定和植骨术，所采用的进钉点和Howards方法相同，进钉方向：向外10°，向

上30°－40°(平行于上关节突关节面)[11]。Ebraheim等基于对脊神经后枝所在位

置的测定认为Magerl和Anderson的进钉途径较Roy－Camille技术更易伤及脊神经后

枝，而引起单侧颈背痛或感觉异常[4]。

侧块的正前方是位于横突孔中的椎动脉。Ebra-heim等的解剖学研究证实了向

外10°的进钉方向不会对椎动脉构成威胁[12]。以上所述多针对于手术危险性的探

讨，而John等则着重研究了不同类型的螺钉与侧块结合力的大小。研究采用12个新

鲜颈椎标本，先经放射学检查确定标本完好无损，然后再经CT扫描测定每一标本C

2－C7椎体松质骨骨密度；试验采用6种不同直径和不同螺纹的螺钉，(2.7、3.2、

3.5、4.5mm皮质骨螺钉，3.5mm松质骨螺钉，3.5mm自攻螺钉)，准确固定到颈椎侧

块上，然后测定螺钉的轴向拉出阻力。对所得数据进行分析以决定螺钉直径、螺纹

形状、颈椎节段、骨密度以及是否穿透双层骨皮质等因素与拉出阻力的相关性。实

验结果显示：最大拉出阻力为直径3.2、3.5和4.5mm的皮质骨螺钉，并且均需穿过

双层骨皮质；最小拉出阻力为3.5mm自攻螺钉(无论是穿过单层或双层骨皮质)。椎

体松质骨密度与拉出阻力无关，不同颈椎节段骨密度无显著差异，然而在不同节段

螺钉拉出阻力却有显著性差别，拉出阻力最大的是C4，向头、尾侧顺延则逐渐变小

。研究资料提示：医生不仅要考虑螺钉的类型和大小，也要考虑螺钉应钻透单层或

双层骨皮质，穿透双层骨皮质会对局部解剖结构构成更大危险，但是由于首尾侧颈

椎侧块与螺钉咬合力更弱，在这些部位螺钉钻透双层骨皮质是可取的[[[[13]。Ma

rgaret　E.Smith等采用人颈椎标本和Roy－Camille钢板作了一项颈椎稳定装置的

生物力学试验，发现Roy－Camille钢板可有效地固定严重不稳或严重损伤的颈椎；

螺钉脱出最易发生在颈椎的头尾端，即钢板两端的螺钉是固定的薄弱环节[14]。M

icheal的临床病历统计分析支持以上结果。17例多节段颈椎病患者采用后路经侧块

内固定，l例出现C7侧块螺钉松动(无症状)[15]。颈椎侧块旁的另一重要解剖结构

是椎弓根。由于椎弓根内固定技术在胸腰椎的广泛应用，提示人们对颈椎进行类似

的固定，而螺钉的入点就在侧块上。为此国内孙宇等对50例健康成人颈椎椎弓根进

行了观察，表明C3－C7具备了行椎弓根螺钉内固定的条件，为螺钉的设计和手术定

位提供了解剖学依据[16]。Ladd等则更详尽地研究了颈椎椎弓根的形态以及椎弓根

钉的进钉部位和方向，并对经椎弓根内固定和经侧块螺钉内固定进行了生物力学试

验。结果证实，椎弓根螺钉的拉出阻力显著大于侧块螺钉的拉出阻力[17]。王东来

等对下颈椎椎弓根内固定作了进一步的解剖学研究，对进钉点做了精确定位。19例

临床应用中无一例神经、血管及内固定并发症[18]。但就颈椎所受负荷而言，经侧

块内固定是否即能达到固定要求，而不必再采用更为复杂的经椎弓根内固定技术，

尚需进一步研究。

3　几种颈椎内固定技术的比较

颈后路内固定技术已成为颈部损伤、不稳定的有效治疗方法。Gill等对四种不

同的后路内固定方法作了比较，通过生物力学实验，试图揭示不同手术方法所能提

供的相对稳定性。这些术式包括：(1)Rogers棘突间钢丝内固定；(2)Halifax椎板

钩；(3)经侧块1/3管状钢板内固定(采用单层骨皮质螺钉)；(4)经侧块1/3管状钢板

，双层骨皮质螺钉内固定术。通过人体颈椎标本的屈伸运动试验，发现上述第四种

术式提供了最强劲的稳定性，而其它三种方法所能达到的稳定性则相对薄弱[19]。

Weis等人的研究也表明，后路经侧块内固定对颈椎运动节段和全颈椎的稳定作用明

显大于后路钢丝内固定[20]。Roy－Camille对颈后路钢丝内固定和钢板内固定进行

了体外实验，在韧带损伤的模型中，棘突间钢丝内固定增加了33%的屈曲稳定性，

而经侧块钢板内固定则增加了92％的稳定性。Gill等发现，所有后路内固定技术对

屈曲型韧带损伤病例的固定效果均优于Garspar前路颈椎钢板[19]。Jettery等通过

体外动物模型试验和人体颈椎标本试验对椎板下钢丝内固定、Rogers钢丝内固定、

Bothlman三重钢丝内固定、AO钩板内固定以及Cas－par前路钢板内固定进行了比较

。在抗屈曲和旋转稳定方面以上任何两种方法之间均无显著差异，然而Caspar前路

钢板与所有后路内固定方法相比，却明显增加了颈后部应。因而在治疗屈曲损伤中

效果较差[21]。

就经侧块钢板内固定术本身而言，不同进钉方向或螺钉在侧块中不同的走行距

离所提供的稳定作用也有差异。Montesano和Jnach比较了Roy－Camille和Magerl两

种方法，发现Magerl技术具有更可信的稳定作用[11]。在后路内固定技术中，最稳

定的当属Magerl钩板技术，尤其是在抗屈曲应力方面。板的上部由螺钉固定在侧块

上，下部成钩状钩在下位椎骨的椎板上。

在伸展型损伤中，后路钢丝内固定技术的稳定作用较差，在此情况下，后路钢

板却能发挥更可信的稳定作用。尽管Rogers Mcfee，Edwards等分别报道了颈后路

钢丝内固定技术对于不同类型颈椎损伤的可信疗效，但对于多节段椎板切除及椎板

、棘突骨折的病人，钢丝内固定技术的应用也受到了限制[11]。Joseph证实在节段

性推板切除的颈椎，经关节突和椎板切除节段以下颈椎棘突穿钢丝捆绑纵形骨块不

能维持颈椎的稳定性[20]。

4　结 论

    4.1　双侧侧块关节和前方的椎体、间盘结构共同构成了颈椎稳定的基本框架

。以上结构的破坏即意味着颈椎稳定性的破坏。

    4.2 颈后路内固定技术正在被越来越广泛地应用，术式可概括为两类：一是钢

丝捆绑式内固定，二是经侧块钢板、螺钉内固定，其中后者具有更广泛的用途。

    4.3 经侧块钢板螺钉内固定术，其进钉部位和角度各有不同，有代表性的为R

oy－Camille和Magerl两种方法，后者稳定性更好，手术对神经根，椎动脉，小关

节损伤的发生率与术者的熟练程度有关。

    4.4 经椎弓根内固定技术的可行性，已有实验论证，并已初步用于临床。由于

经侧块内固定已能达到满意的固定，因此是否有必要采用经椎弓根内固定尚待论证

。此外二者的手术危险性尚未比较。

    4.5 检索5年的中外文资料，未见有关侧块的详尽解剖学测量数据的报告。但

Johng　Heller的实验中采用了直径3.5mm的螺钉，Howards的研究发现相邻侧块中

心间的距离平均13mm，螺钉进钉深度平均10－11mm。这在一定程度上勾画了侧块的

大小。

    4.6 经生物力学试验显示，直径3.2、3.5、4.5mm的皮质骨螺钉，穿透双层骨

皮质，具有最大的拉出阻力，其中3.5的螺钉力量最大。经侧块钢板螺丝钉内固定

，钢板首尾两端的螺钉是固定的薄弱环节。

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固体力学研究方向篇9

摘要：本文介绍了饱和土和非饱和土固结理论相关概念，阐述了饱和土与非饱和土固结理论的联系与区别，指明今后固结理论研究中应继续注重二者的联系与区别，以促进固结理论研究的成熟和发展。

关键词：固结理论；饱和土；非饱和土

Abstract: this paper introduces the saturated soil and unsaturated soil consolidation theory related concept, this paper expounds the saturated soil and unsaturated soil consolidation theory of the relation and distinction between, pointing out the future study of consolidation theory should continue to pay attention to the relationship and the difference, in order to promote consolidation theory mature research and development.

Keywords: consolidation theory; Saturated soil; Unsaturated soil

中图分类号： Q142.3 文献标识码：A文章编号：

1引言

土体压缩取决于有效应力的变化。根据有效应力变化的原理，在外荷载不变的条件下，随着途中超静水孔压的消散，有效应力将增加，土体将被不断压缩，直至达到稳定，这一过程称为固结。简而言之，固结即各方向承受压力的土，随着孔隙水的排出产生的压缩现象。饱和土的固结可视为孔隙水压力的消散和土骨架有效应力相应增长的过程。非饱和土的孔隙中同时含有气体和水，固结过程中，土中水和气会发生相互作用，非饱和土要涉及两种介质的渗透性，而且非饱和土的渗透性受土的结构性影响相当显著[1]。这些使非饱和土的固结过程非常复杂。目前，非饱和土固结理论的研究还处于一个不成熟的状态。

2 饱和土的固结理论

透水性大的饱和无粘性土 ( 包括巨粒土和粗粒土，或指碎石类土和砂类土 ) ，其压缩过程在短时间内就可以结束，固结稳定所经历的时间很短，认为在外荷施加完毕时，其固结变形已基本完成，因此，实践中，一般不考虑无粘性土的固结问题；对于粘性土、粉性土及有机土，均为细粒土，完成固结所需的时间较长，对于深厚软粘土层，其固结变形需要几年甚至几十年时间才能完成。粘性土的固结 ( 压密 ) 问题，实质上是研究土中有效应力增长全过程的理论问题。

K ．太沙基 (Terzaghi) 早在 1925 年提出的饱和土中的有效应力原理和单向 ( 一维 ) 固结理论，这是粘性土固结的基本理论。有效应力原理就是研究饱和土中的有效应力和孔隙应力的不同比值及与总应力的关系。 在工程实际问题中遇到的有许多是二维、三维固结问题，如路堤、水坝荷载是长条形分布，地基中既有竖向也有水平向的变形及孔隙水渗流，属于二维固结平面应变问题；在厚土层上作用局部荷载时，属于三维固结问题；在软粘土层中设置排水砂井时，除竖向渗流外，还有水平径向渗流，属于三维固结轴对称问题。

3 非饱和土的固结理论

非饱和土是一种三相体系，其中除包含可以认为是不可压缩的固相土粒和液相水外，还含有一定数量的可压缩气体。由这种体系组成的土体，不仅在压缩方面，而且在渗透性方面，都比饱和土(二相体系)复杂得多，因而对于非饱和土固结问题，迄今还没有出现一个公认的成熟且实用的理论方法。

建立非饱和土固结方程的复杂性主要在于下面一些原因[2]。

(1)饱和土固结理论的建立是以土体积变化的连续条件为基础的，即认为在固结过程中，土体积的任何变化都是土中水在超静水压力梯度作用下从土体中排出的结果。对于非饱和土，因土中气体具有很高的压缩性，故当这部分气体与外界连通时，由于孔隙气压力作用，一部分气体要从土体中排出。与此同时，未排出气体的体积和密度均要发生变化，而且还有一定量的气体要溶解于孔隙水中。以气泡形式存在于土孔隙中的封闭气体也会发生体积改变与溶解的现象。由此可见，要建立严格的连续条件是比较困难的。

(2)当土孔隙中的流体兼有水与气时，研究它们的渗透性，通常是近似地将它们当作两种不混合流体的运动问题来处理。尽管如此，也不易得到可靠的解答。对于饱和粘土，土中渗流可以用达西定律来描述。这时，渗透系数A基本为常量，它与土的含水率和作用水压力无关。可是，对于非饱和土，不仅要涉及两种介质的渗透性，并且二者都与土的含水率和吸力密切相关。此外，对于给定状态的土，当由湿到干或由于到湿达到同一含水率时，渗透性亦不一致，亦即气和水的渗透性与含水率的关系并非一单值函数。再者，非饱和土的掺透系数受土的结构性的影响相当显著，因此，要测定渗透系数，并且为了保证不受结构性影响，常需要采用不同于常规试验的测试技术。

(3)有效应力原理是土力学中研究应力、应变、强度关系的基本原理。对于饱和土，太沙基最早提出的的 著名公式一直被普遍采用。对于非饱和土，许多学者在饱和土公式的基础上，提出了各种表达式。这些表达式的正确性，尤其是适用性，还需要经过更多的实践检验。

4 饱和土与非饱和土固结理论的联系

饱和土与非饱和土的固结理论是彼此相关的，非饱和土的固结理论是对饱和土固结理论的拓展和延伸。饱和土固结理论的建立，是以土体积变化的连续条件为基础的，即认为在固结过程中，土的体积的任何变化，都是土中水在静水压力梯度下从土体中排出的结果。对于非饱和土，因土中气体具有很高的压缩性，当这部分气体与外界连通时，由于孔隙气体压力的作用，一部分气体要从土体中排出。与此同时，未排出的气体在压力作用下体积发生变化，密度改变，而且还有一定量的气体要溶解于水中。对于以气泡形式存在于孔隙水中的封闭气体，也会发生体积改变与溶解的现象。由此，要建立严格的连续条件是比较困难的。当土体孔隙中的流体兼有水与气时，研究它们的渗透性，通常是近似地将其当作两种不混合流体的运动问题来处理。尽管如此，也不易得到解答。对于饱和粘土，一般可以认为土中渗流服从Dacy定律，这时渗透系数k基本是常量，它与含水率和作用水压力无关。而对于非饱和土，不仅要涉及两种介质的渗透性，并且都与土的含水率和吸力密切相关。此外，对于给定状态的土，当由湿到干或由干到湿达到同一含水率时，渗透性也不一致。再者非饱和土的渗透系数受土的结构性的影响相当显著，因此，要测定渗透系数，并且为了确保土的结构性不受影响，常需要非常规的测试技术。

对于非饱和土，许多学者在饱和土的基础上，提出了有效应力、总应力的表达式，但这些表达式的正确性，尤其是适用性，还需要接受实践的检验。再加上表达式中各参数的测定比较复杂，往往不易得到稳定的数值。如果再计及非饱和土渗流的非线性以及固结过程中水、气的相互作用，问题的求解难度将更大。故有关非饱和土的研究进展非常缓慢，至今仍没有一个公认的可实际应用的非饱和土固结问题的成熟的理论方法。

国外从20世纪60年代开始研究非饱和土的固结问题，以往的工作大致可以分为三类[3]：

1)从Biot固结理论出发，只考虑孔隙水的运动。这类方法不能反映孔隙气体运动的影响，也无法求解湿陷变形、湿胀变形和干缩变形等特殊问题。

2)从Terzaghi固结理论出发，同时考虑孔隙气和孔隙水的运动，联合求解孔隙水压力消散方程和孔隙气压力消散方程。它放弃了有异议的非饱和土有效应力原理，代之以两个独立的应力状态变量外加应力 和吸力 来建立非饱和土各相(固、水、气)的体应变本构方程。这样建立的本构方程，能较好地与饱和土的固结理论衔接，同时又能反映湿陷、湿胀和干缩等特性，但是该方法为了导出孔隙压力的消散方程，采用了过多的假设。

3)从孔隙气相和孔隙水相的质量连续方程出发，将Uatyas和Radhakrisha的土体孔隙比e状态方程和饱和度Sr状态方程联合起来求解，该方法实质上是第二种方法的改进，它放弃了许多简化假设，以便更真实、更精确地反映固结的本质。国内对非饱和土的固结也开展过一些研究工作(俞培基，陈愈炯，1965；包承钢，1979；杨代泉，1990；陈正汉，1991)。其中杨代泉提出的考虑汽、水、气、热运动以及土骨架变形稻合作用的非饱和土广义固结理论，较全面地反映各种客观因素对广义固结的影响。

4 饱和土与非饱和土固结理论的区别

4.1 固结机理差异

非饱和土在荷载作用下固结的机理与饱和上在荷载作用下的固结机理存在显著的差别。非饱和土中气体具有很高的压缩性，固结过程中，土中水和气会发生相互作用，非饱和土要涉及两种介质的渗透性，并且两者都与土的含水量和吸力密切相关。非饱和土的渗透性受土的结构性影响相当显著。这些使非饱和土的固结过程非常复杂。通常，把非饱和土在荷载及其周围环境共同作用下，同时考虑孔隙蒸汽、水、空气、热运动与土骨架变形的精合问题称为非饱和土广义固结问题。非饱和土广义固结问题可以分为二大类：①外加荷载作用下的压密变形；②外加荷载和渗入共同作用下的湿陷变形或湿胀变形，或外加荷载和蒸发共同作用下的干缩变形。非饱和土在荷载作用下的压密变形包含三部分：荷载作用下孔隙气体的压缩而产生的压密变形；孔隙气压力和孔隙水压力消散而产生的消散固结变形；以及土骨架蠕变而产生的蠕变变形。

4.2 考虑因素差异

(1)饱和粘土固结理论是以土体变化是连续的作为基本假设。对于非饱和土而言，土体中气体具有很高的压缩性，同时部分气体溶解于水中，很难满足严格的连续条件。

(2)相较于饱和土渗透性主要只有透水性这一特点，非饱和土的渗透性包括透气性和透水性，渗透性与非饱和土的基质吸力和含水量密切相关，且在由于到湿和由湿到干的干湿循环过程中，同样含水量的土体，渗透性也不一样，即渗透性与含水量不是单值函数，因此测量渗透系数不容易[4]。

(3)普遍适用的太沙基有效应力原理被广泛使用，而用于研究饱和土非饱和土的有效应力参量和有效应力原理的适用性较窄，有效应力公式中含有与基质吸力有关的参量，不易确定。非饱和土本构模型还没有公认的理论，建立成熟的非饱和土固结理论还需要时间。

(4)饱和土只有液相和气相两相；而非饱和土的水气接触是一个复杂的物理-化学界面，Fredlund（1993）称之为第四相，第四相对非饱和土的行为有何影响仍不得而知。

5 结语

承，既沿用了饱和土固结理论的一般理论，又在其基础上不断结合二者之间的差异研究得更深入。在今后理论土力学固结理论研究中应继续注重二者的联系与区别，以促进固结理论研究的成熟和发展。

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固体力学研究方向篇10

关键词：分析化学;样品前处理技术;农药残留检测;教学内容研究与改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）06-0110-02

一、引言

《分析化学》是一门关于研究物质的化学组成、结构及性质的科学，是高等学校化学、地球化学及相关专业的专业基础课之一，是化学学科的一个重要分支，也是化学、地球化学、化工、环境等研究所需的重要技术之一。现代样品前处理技术是该课程中的重要教学内容，是国内外教育者教学研究改革的主攻领域之一。由于农药在农业生产过程中应用的严重利弊性[1]（例如，虽然在防治病虫害、增加农作物产量方面发挥着重要作用，但又是造成污染、影响食品安全、人类健康等问题的重要因素之一），因此，农药残留检测的样品前处理技术的研究已经受到国内外的广泛关注。目前，国际上较多使用固相萃取法（SPE）、固相微萃取（SPME）、凝胶渗透色谱法（GPC）、超临界流体萃取（SFE）、基质固相分散萃取（MSPDE）、加速溶剂萃取（ASE）、微波辅助萃取（MAE）等现代的样品前处理技术。

二、农药残留检测的样品前处理技术的国内外研究现状

1.固相萃取。固相萃取（Solid Phase Extraction，SPE）主要通过吸附填料与洗脱溶剂中的分析物质或杂质互相作用，实现组分的分离净化，实质上是一种液相色谱分离。SPE有溶剂用量少、处理过程不会产生乳化现象、所用时间短、易实现自动化操作等优点。纪淑娟等[2]用石墨化碳和PSA分离和净化了有色蔬菜中36种农药，94%以上的农药的回收率在60%～120%之间，达到了理想的检测效果;李南等[2]用ENVI-18串联PSA固相萃取柱净化了花生仁、葵花籽、核桃仁和杏仁中的农药，得出该方法准确、灵敏、简便，可用于坚果中农药残留的日常检测。

2.固相微萃取。固相微萃取（Solid Phase Microextraction，SPME），固相微萃取装置外形如微量进样器，由手柄和萃取头组成，萃取头是涂有不同吸附剂的纤维。其原理是纤维上的吸附剂极性与目标化合物相似，从而吸附目标化合物，不吸附干扰化合物。与液-液萃取和固相萃取相比，具有操作时间短，样品量少，不需要萃取溶剂，对挥发性和非挥发性物质都适用，重现性好等优点。SPME主要与GC和HPLC联用来实现对农药残留的检测。例如，K.Fytianos等[3]用顶空固相微萃取-气相色谱法测定不同水果中有机磷农药，检测限为0.03～3ppb，都低于欧盟最大残留限量标准。

3.凝胶渗透色谱法。凝胶渗透色谱（Gel Permeation Chromatography，GPC）的原理是选择不同孔径的多孔凝胶作为固定相，根据多孔凝胶对大小和形状不同的分子的排阻效应进行分离，分子量不同，流出时间就不同。目标农药分子量一般小于500，而样品中的色素、油脂等大分子杂质，先于农药分子流出。它是农药多残留分析中一种常用的、有效的净化方法，优点是净化效果好，柱子可以重复使用，自动化程度高，可以同时实现样品的净化和浓缩，被广泛用于净化含脂类、色素等大分子的杂质的复杂基体[4]。

4.超临界流体萃取。超临界流体（Supercritical Fluid Extraction，SFE）原理是利用不同组分溶解度不同，且在不同压力下溶解能力会发生变化，调节萃取剂流体压力，可将组分逐一萃取。一般常用的是超临界CO2。其优点是：萃取时间短，避免使用大量溶剂，具有极好的萃取效力和速度，可与分析仪器联机，避免样品转移的损失，减少人为误差，提高了方法的精密度和灵敏度。例如，邱月明等[5]用超临界流体萃取技术测定粮谷和茶叶中的有机氯农药残留，检出限在0.01～0.05mg/kg之间，回收率在81.2%～93.7%之间，说明该方法灵敏度和重现性好。

5.基质固相分散萃取。基质固相分散（Matrix Solid-Phase Dispersion，MSPD）是类似于固相萃取的一种提取、净化、富集技术，其基本原理是将试样直接与固体吸附剂（硅胶、石墨化碳、C18等）一起研磨、混匀制成半固态，装柱，用洗脱剂洗脱。具有同时制备、萃取和净化样品的优点。例如，朱学良等[6]采用基质固相分散的样品前处理方法，从葡萄酒中提取净化5种农药，气相色谱电子捕获检测器分析测定，结果令人满意。Adou等[8]建立了气相色谱法测定梨、哈密瓜、马铃薯和卷心菜中8类28种农药残留的方法，回收率均大于70%，RSD小于10%。

6.加速溶剂萃取。加速溶剂萃取（Accelerated Solvent Extraction，ASE）原理是在较高的温度（50～200℃）和压力（10.3～20.6MPa）下用溶剂萃取固体或半固体样品的样品前处理方法。ASE与其他萃取技术比较具有萃取时间短、溶剂使用量少和减少溶剂挥发的优点。樊苑牧等[7]建立了快速溶剂萃取-气相色谱法同时测定含脂羊毛中28种有机氯、拟除虫菊酯、杀虫剂残留量的方法，得出该方法具有操作简便、快速、方便、灵敏度高等特点。

7.微波辅助萃取。微波辅助萃取（Microwave Assisted Extraction，MAE）原理是利用极性分子可迅速吸收微波能量的原理来加热一些具有极性的溶剂，如乙醇、甲醇、丙醇或水等。它是一种萃取速度快、试剂用量少、回收率高、灵敏度高以及易于自动控制的样品制备技术。袁宁等[8]建立了微波辅助萃取-固相微萃取-气相色谱同时测定茶叶中六六六、滴滴涕类、氯氰菊酯和氰戊菊酯等10种农药残留的方法，取得了满意的结果。

三、结语

现代的样品前处理技术包括固相萃取法（SPE）、固相微萃取（SPME）、凝胶渗透色谱法（GPC）、超临界流体萃取（SFE）、基质固相分散萃取（MSPDE）、加速溶剂萃取（ASE）、微波辅助萃取（MAE）等，这些技术相对于传统的样品处理技术，具有简单、快速、引进误差小、选择性好、回收率高的优点。这些技术的研究与改革是《分析化学》教学内容的研究与改革的重要方向，具有重要意义。

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