固体力学研究方向(收集5篇)

固体力学研究方向篇1

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:Accrodingtohomeandabroadboltingtheory,andbasingonmechanismofblotingsomeproblemsabouttheresearchofboltingtechnologyisadvancedinordertoimprovetheapplicationoftheexistingboltingtheorytechnology.

Keywords:Boltingintheory;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10000kN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(LouisA・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。

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固体力学研究方向篇2

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(Threezonegradingsys—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

rgaretE.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RogersMcfee，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

JohngHeller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3

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（SolidPhaseExtraction，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（SolidPhaseMicroextraction，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（GelPermeationChromatography，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（SupercriticalFluidExtraction，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（MatrixSolid-PhaseDispersion，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（AcceleratedSolventExtraction，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（MicrowaveAssistedExtraction，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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固体力学研究方向篇4

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(FiniteElementMethod，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整理的标准。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5

【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MaterialsStudio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106m/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：