自20世纪初模型试验起步以来，无论是结构工程模型试验还是地质工程模型试验都得到了广泛的发展。地质力学模型试验作为一种研究岩土体物理力学性能的有效手段也越来越得到重视。目前主要的地质力学模型试验方法有常规模型试验方法、土工离心模型试验方法、渗水力模型试验方法等。尤其是离心机模型试验，利用离心力模拟重力，可以将模型材料的重力加速度提高到常规条件下的n倍，只需要对原型材料进行适当的处理便可用于试验，由此降低了配制模型试验相似材料的难度，与常规模型试验相比，在提高试验结果的可靠度上得到了质的飞跃。地质力学磁力模型试验借鉴了离心机利用外力提高材料体力的方法，利用磁力场模拟重力场。通过在相似材料中掺加铁磁材料，将相似材料置于梯度磁场中，铁磁材料将受到磁力的作用，由此可将材料的体力提高到其自身重力的n倍，降低试验难度。地质力学磁力模型试验于2004年首次被提出，是一种新型的模型试验方法，并于2007年获得国家自然科学基金面上项目（批准号50679037）的资助，试制了小型磁场发生装置。不过由于没有利用铁磁材料形成闭合回路，大大降低了磁场的利用率，所以产生的磁场的磁通密度及其梯度量值都不高，并且磁通密度梯度的均匀性也不够理想，所以很难在模型试验中提高铁磁材料的磁力，因而没能在试验研究中得到推广应用。本文结合2012年自然科学基金面上项目——降雨条件下岩质边坡变形破坏过程及其预测模型研究（项目批准号：51279100）——以及2011年国家重点基础研究发展计划（973计划）—––大型水利水电工程高陡边坡全生命周期性能演化与安全控制，子题5：边坡与坝体-库水相互作用及稳定性演化机制（项目批准号：2011CB013505）——进行了地质力学磁力模型试验的理论研究以及磁场发生装置的优化，获得了可以高效利用磁场的磁路形式，并且磁场的磁通密度梯度均匀性能满足磁力模型试验的要求，用理论分析和数值模拟的方法对设计的实验设备及其模型试验过程进行了模拟和验证。主要成果如下：1)根据电磁学基本原理进行了地质力学磁力模型试验基本理论的研究。磁场力与重力（万有引力）均为物体所受的体力，且在假设磁单极子存在的情况下，二者都满足平方反比定律，论证了利用磁力场模拟重力场的可行性。2)探讨了构建均匀梯度磁场的方式方法。因为铁磁材料所受磁力与其所处空间的磁通密度梯度成正比，所以若使磁性材料在磁场中受力均匀，需要构建一个磁通密度梯度相对均匀的磁场。利用比奥-萨伐尔定律，获得可以产生在一定范围内磁通密度梯度均匀的磁场的螺线管线圈布设方式，其中组合Helmholtz线圈形式的结果最为理想。3)提出了磁场发生装置的磁路设计理论与方法。从理论上讲，线圈产生的磁场将充满整个空间，仅仅得到能产生均匀梯度的螺线管线圈布设方式并不能够直接用于地质力学磁力模型试验的加载，在仅有螺线管的情况下，磁场的能量大部分储存在周围的空气中，由此造成了能量的浪费，必须利用很高的电流来维持磁场强度和磁通密度梯度的量值。设计多种磁路形式，在保证磁通密度梯度均匀性的前提下，充分利用线圈产生的磁场，其中柱形磁路最适合作为地质力学磁力模型试验磁场发生装置，用于模型的加载。4)提出了地质力学磁力模型试验相似材料等效相对磁导率的确定方法。地质力学磁力模型试验相似材料中铁磁材料不仅起到提高平均密度的作用，还将在磁场中受到磁力作用，进而提高整个模型的容重，模型材料的等效相对磁导率是决定材料所受磁力的关键因素之一，利用等效磁阻的思想及现有计算多相介质等效相对磁导率的方法得到磁力模型相似材料的等效相对磁导率，为后期试验模型材料的配比提供参考。5)根据相似原理及电磁学基本理论，利用多场耦合的思想，通过数值模拟的方法验证了地质力学磁力模型试验理论与方法的合理性。选取具有经典解的典型边坡案例，根据地质力学磁力模型试验原理，利用有限元软件将通电螺线管产生的电磁场与边坡模型的力场、位移场耦合，进行地质力学磁力模型试验数值模拟，并与典型边坡的经典解进行对比，结果表明，磁力模型能够反映边坡原型的变形破坏特性。6)地质力学磁力模型试验在实际工程中的应用研究。以锦屏一级电站左岸高陡边坡为例，设计地质力学磁力模型试验过程，并利用超载法和旋转模型法计算边坡的安全系数，得到影响边坡稳定性的主要因素，与常规模型试验结果相符。目前，地质力学磁力模型试验作为一种新的试验方法还有许多方面需要深入研究：如何模拟岩土工程中水环境、地震、工程开挖及加固等复杂工况；如何提高磁通密度梯度的均匀性和量值；在高强磁场中相关的测试方法及其传感器等都是需要持续研究与探讨的内容。以上这些问题将在我继续攻读博士学位期间给予完善。