土工离心试验被公认为当前岩土工程、水利工程等领域最先进、最理想的物理模拟试验手段之一,而模型制备方法是保证其试验结果准确性和重复性的一个基础而重要环节。砂雨法,也称落雨法,可较真实模拟风力、水力等作用下天然砂质土层的沉积过程,且制得试样力学性质与其它方法相比,十分接近天然地基,是众多学者青睐和砂土地基试验普遍采用的一种模型制备方法。但是,国内现有砂雨法装置均为漏斗式,源自动/静三轴、共振柱等试验单元制作,尽管发展了筛孔、鸭嘴、短线式等多类出砂头,并增加了自动砂雨功能,在制样模式和工作原理上却尚属“点”式砂雨法。伴随土工离心试验模型尺寸不断增长和研究深入,漏斗式砂雨法装置暴露制模效率低、空间分散性大、密实度偏高、重复性差等缺陷。为满足土工离心机规模快速提升、低密实度天然地基试验及复杂精细化模型制备需求,开发流量大、精度高、均匀性好的新型砂雨法装置,对标准化、规范化土工离心试验技术和提高科研产出水平具有十分重要的科学意义与价值。以美国加州大学戴维斯分校(UC Davis)开发的国际首例滚筒驱动幕式砂雨法装置为蓝本,解析了幕式砂雨法装置的设计难点和结构组成,提出了核心组成的关键技术和系统设计方法,建立了设计参数与相对密度的理论关系,成功自主研发了我国第一套适于土工离心试验制模的幕式砂雨法装置。与漏斗式装置相比,新型装置以多个滚槽并行出砂,获得了大流量;以滚筒转动驱动落砂,避免了以往漏斗内砂位变化及砂堵对流量、流速的影响,实现了高精度;以直线行走简化了漏斗式砂雨法装置“S”型行走路径,提升了均匀性。与UC Davis装置相比,新型装置采用无级变速电机驱动滚筒,而非六档控制,提升了制样稳定性和精度;增加不同半径滚筒与多个滚槽半径,扩大了适用土类和密实度区间。通过一系列制模试验与多种测试技术,验证了新型装置在制模效率、密实度区间和均匀分布上的优势。本文完成的主要工作和创新成果:1.总结了国内外现有砂雨法装置发展历程及不同砂雨法装置的结构与特点,指明了现有漏斗式砂雨法装置的不足和亟需解决的关键问题;对比了国际首例滚筒驱动幕式砂雨法装置与传统漏斗式装置的结构差异及优缺点,提出了幕式砂雨法装置的总体设计思路和关键难点。2.基于幕式砂雨法装置的设计难点和功能特点,合理分解了装置的基本组成和提出了总体设计方案;针对各部分组成与设计要求,提出了结构方案和关键指标的确定方法,并对每一部分设计过程与加工方法进行了详细阐述,建立了幕式砂雨法装置的全套设计理论。3.以相对密度为控制目标和流速、流量为中间变量,解析了砂雨法制备关键控制要素的影响机制,推导与建立了流速和流量表达式,给出了各关键要素对相对密度的影响特征与趋势;根据影响趋势及其与设计参数关联性,对新型装置控制系统和动力及传动装置提出了优化设计与改进方法。4.建立了装置各组成部分的安装、调试和集成等方法,实现了装置的预期功能和设计指标;针对新型砂雨法装置开展了一系列测试与标定试验,给出了关键控制要素的影响规律和密实度范围,建立了利于模型制备应用的标定曲线;不同相对密度标定和微型动触探锥尖阻力测试结果表明,制备模型具有较好的孔隙均匀性,验证了新型砂雨法装置的主要优势与理论分析结果。