王 波

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

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地質(zhì)力學(xué)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)研究進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)

王 波

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

總結(jié)了幾項(xiàng)地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù)的研究成果，分別從地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)相似比尺的選擇、相似材料的選擇、模型的開(kāi)挖與支護(hù)和數(shù)據(jù)的采集與分析4個(gè)部分闡述了試驗(yàn)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，最后對(duì)地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了闡述。

地質(zhì)力學(xué)；模型試驗(yàn)；研究進(jìn)展；關(guān)鍵技術(shù)

0 引言

地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)是根據(jù)一定的相似原理對(duì)特定工程地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行縮尺研究的一種方法，在基本滿足相似原理的條件下，它能更真實(shí)地反映地質(zhì)構(gòu)造和工程結(jié)構(gòu)空間關(guān)系，更準(zhǔn)確地模擬開(kāi)挖施工過(guò)程和影響，并可給出更為直觀的試驗(yàn)結(jié)果，使人們更容易全面把握巖體工程的整體受力特征、變形趨勢(shì)及穩(wěn)定性特點(diǎn)。大量的工程實(shí)踐證明，地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)方法是研究大型巖土工程問(wèn)題，特別是地下工程問(wèn)題的一種行之有效的方法[1-3]。

1 地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù)研究進(jìn)展

1.1 研究進(jìn)展

地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù)是研究大型巖土工程問(wèn)題的重要手段，從本世紀(jì)初,西歐一些國(guó)家就開(kāi)始進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)，并逐漸建立了相似理論。60年代，以E.Fumagalli[4]為首的專(zhuān)家在意大利結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)所(ISMES)開(kāi)創(chuàng)了工程地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù)，試驗(yàn)研究范圍從彈性到塑性直至最終破壞階段。隨后，葡萄牙、前蘇聯(lián)、法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)和日本等國(guó)也開(kāi)展了這方面的研究。

從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，武漢水利電力大學(xué)、清華大學(xué)、西南交通大學(xué)、總參工程兵科研三所、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、山東大學(xué)等單位，先后對(duì)國(guó)內(nèi)許多大型水電、交通和礦山工程進(jìn)行了地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究，研制了規(guī)模不等的配套模型試驗(yàn)設(shè)備[5-8]，下面介紹一些典型的地質(zhì)力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)臺(tái)。

1.2 真三軸軟巖非線性力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)

真三軸軟巖非線性力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)[9]是中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)巖土工程研究所與中國(guó)人民解放軍總參工程兵科研三所和黑龍江科技學(xué)院合作共同研制的，不僅能對(duì)工程軟巖進(jìn)行常規(guī)的單向拉壓、剪切、三向壓縮試驗(yàn)，還能進(jìn)行拉壓及多種組合試驗(yàn)。試驗(yàn)系統(tǒng)由主機(jī)、液壓控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三大部分組成，如圖1所示。

主機(jī)由底板和三組加載系統(tǒng)組成。每組加載系統(tǒng)由一個(gè)荷載支承結(jié)構(gòu)、兩個(gè)或一個(gè)荷載傳感器(豎向)、兩個(gè)壓頭或拉頭和荷載傳力結(jié)構(gòu)組成。液壓控制系統(tǒng)由液壓控制器、油缸、壓力表和高壓軟管等組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用DH3818靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行采集和處理。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集箱、微型計(jì)算機(jī)及相關(guān)的支持軟件組成，可動(dòng)態(tài)地對(duì)大量的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確、可靠的采集和編輯處理。

1.3 PYD—50平面應(yīng)變?nèi)蚣虞d地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)系統(tǒng)

PYD—50平面應(yīng)變?nèi)蚣虞d地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)系統(tǒng)[3]由總參工程兵科研三所研制，整個(gè)裝置由主體加載支承結(jié)構(gòu)、油壓加載系統(tǒng)、基礎(chǔ)和量測(cè)系統(tǒng)組成，如圖2所示。主體加載支承結(jié)構(gòu)是由上、下蓋板、三角形分配塊和3套互相垂直正交的拉桿系統(tǒng)組成。試驗(yàn)時(shí)模型平放在上、下蓋板之間。在模型相對(duì)兩邊分別施加垂直和水平地應(yīng)力。加載方式采用油壓千斤頂系統(tǒng)，千斤頂?shù)募辛νㄟ^(guò)3級(jí)分配塊，均勻地作用到模型表面上，最大加載力為1000kN。模型的平面應(yīng)變條件是通過(guò)對(duì)上、下蓋板施加縱控應(yīng)力實(shí)現(xiàn)的。試驗(yàn)時(shí)荷載分級(jí)施加，每級(jí)荷載(油壓)增量約為0.1～0.4 MPa，試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄采用自動(dòng)巡回檢測(cè)儀。

1.4 YD—A型巖土工程多功能模擬實(shí)驗(yàn)裝置

如圖3所示，YD—A型巖土工程多功能模擬實(shí)驗(yàn)裝置[3]由總參工程兵科研三所研制，該裝置具有多個(gè)功能?？蓪?duì)洞室、洞群、邊坡和基坑進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)；對(duì)錨固體模擬試件和鋼筋混凝土構(gòu)件等進(jìn)行抗剪、抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)。

該試驗(yàn)系統(tǒng)允許的最大模型尺寸為160 cm×140 cm×40 cm。試驗(yàn)時(shí)可控制模型的準(zhǔn)平面應(yīng)變條件。模型邊界可加均布荷載，也可加階梯形荷載，并能滿足不同側(cè)壓系數(shù)的要求，最大加載能力垂直和水平方向均為2.5 MPa。在加載系統(tǒng)中采用均布?jí)毫虞d器，使模型塊體內(nèi)心—應(yīng)變場(chǎng)均勻范圍大大增加，不均勻范圍僅限于距模型邊界10 cm以?xún)?nèi)，為較好地模擬地下工程的受力環(huán)境提供了條件。

1.5 大型組合式三維均勻梯度加載試驗(yàn)系統(tǒng)

大型組合式三維均勻梯度加載試驗(yàn)系統(tǒng)[10]由山東大學(xué)研制，主要由三維組合式鋼結(jié)構(gòu)臺(tái)架和均勻加載液壓控制系統(tǒng)兩大部分組，能夠開(kāi)展高地應(yīng)力、大埋深條件下巷道開(kāi)挖、支護(hù)和過(guò)載破壞試驗(yàn)，該系統(tǒng)具有峰值壓力高、穩(wěn)步加載、長(zhǎng)時(shí)保壓等顯著優(yōu)點(diǎn)，且自動(dòng)液壓控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)同步均勻梯度加載。

如圖4所示，模型架尺寸為5.2 m×4.5 m×2.7 m，水平和垂直最大荷載9600 kN，最大荷載集度2.5 MPa，穩(wěn)壓時(shí)間超過(guò)360h，保壓偏差為±0.2MPa，系統(tǒng)最大壓力為30 MPa，具有高壓穩(wěn)定、長(zhǎng)時(shí)保壓以及同步均勻加載等顯著優(yōu)點(diǎn)，可模擬平面和三維地質(zhì)條件下地下工程不同地層開(kāi)挖支護(hù)施工的全過(guò)程和圍巖漸進(jìn)性破壞的超載過(guò)程。

圖4 大型組合式鋼結(jié)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)架

從總體上看，國(guó)內(nèi)外地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)設(shè)備的種類(lèi)和樣式是比較多的。從模型放置方式看，分為臥式、立式兩類(lèi)；從模型加載方式看，主要是采用千斤頂加載，少數(shù)用液壓囊加載；從提供反力方式看，有金屬框架式和基坑式；從模型受力維數(shù)看，分為二維和三維模型，二維模型中又可分為平面應(yīng)力和平面應(yīng)變模型；從制模方式看，分為大塊體和小塊體，或現(xiàn)筑式和預(yù)制式模型；按試驗(yàn)性質(zhì)，分為應(yīng)力模型、強(qiáng)度破壞模型和穩(wěn)定模型。

2 關(guān)鍵技術(shù)

(1) 相似比尺的選擇[11]

相似比尺的選取關(guān)系到材料的選擇和位移測(cè)量的精度。當(dāng)幾何尺寸太大時(shí),要求的模型材料的強(qiáng)度和彈模太低，且加工組裝較困難；而當(dāng)幾何尺寸較小時(shí),模型材料的強(qiáng)度較易滿足，且加工較為方便，量測(cè)儀器也好布置，精度比較高。相似比尺越大，要求的材料的強(qiáng)度也越大，測(cè)量到的位移也越大。一般情況下，幾何相似的比例尺選定在1/50～1/200為宜。

(2) 相似材料的選擇

模型實(shí)驗(yàn)一般選擇混合物作為相似材料，相似材料要求：①材料的容重應(yīng)等于或盡量等于原型；②材料的某些性質(zhì)與巖石相似；③模擬過(guò)程中材料的力學(xué)性能比較穩(wěn)定；④改變材料配比可使材料的力學(xué)性質(zhì)變動(dòng)范圍較大；⑤原料來(lái)源廣泛、成本低廉、凝固時(shí)間短、便于制作模型；⑥材料制作工藝力求簡(jiǎn)化，成型后能快速干燥，以加快模型試驗(yàn)進(jìn)程；⑦對(duì)人體無(wú)任何毒害作用

(3) 模型開(kāi)挖與支護(hù)

① 洞室開(kāi)挖技術(shù)

模型開(kāi)洞有兩種方式，一種是“先開(kāi)洞后加載”；另一種是“先加載后開(kāi)洞”。從工藝上看，后者要比前者困難得多。如果要研究開(kāi)挖過(guò)程對(duì)洞室圍巖應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的影響時(shí)，則應(yīng)采用“先加載后開(kāi)洞”[12]。

② 支護(hù)模擬技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)錨噴支護(hù)及二次襯砌支護(hù)、鋼拱架支護(hù)的模擬，首先要解決的是支護(hù)材料的相似模擬，其次是支護(hù)時(shí)機(jī)和支護(hù)安裝過(guò)程的模擬。

(4) 數(shù)據(jù)采集與結(jié)果分析

① 數(shù)據(jù)的采集

模型試驗(yàn)一般測(cè)量的數(shù)據(jù)為位移和應(yīng)變。模型變形測(cè)量方法大體可歸納為機(jī)械法、電測(cè)法和光測(cè)法3類(lèi)。采用盡量多的測(cè)量手段,這樣可以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的完整性，一次可以采集到盡量多的數(shù)據(jù)。

② 數(shù)據(jù)的分析

數(shù)據(jù)的分析之前要先剔除異常的數(shù)據(jù)，可以根據(jù)對(duì)稱(chēng)性判斷數(shù)據(jù)的正確與否。由彈性力學(xué)公式算出應(yīng)力分量以及主應(yīng)力的大小和方向，換算成原型，畫(huà)出應(yīng)力圖使試驗(yàn)成果一目了然，并且易于數(shù)值分析成果對(duì)比。若是平面試驗(yàn)，則要注意區(qū)分是平面應(yīng)力還是平面應(yīng)變。

3 地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著巖土工程的規(guī)模越來(lái)越大，出現(xiàn)的工程問(wèn)題更加復(fù)雜，需要研究的內(nèi)容也越來(lái)越多，對(duì)巖土工程建設(shè)的科研設(shè)計(jì)水平和計(jì)算精度的要求越來(lái)越高，現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備需要在以下幾個(gè)方面取得進(jìn)展[2]：

(1) 在相似材料方面，成型后的材料應(yīng)具有較高的電氣絕緣度，且不受溫度和濕度變化的影響，模擬過(guò)程中材料的力學(xué)性能比較穩(wěn)定。應(yīng)采用價(jià)廉易得的原材料，以降低材料制作成本和模型試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，材料制作工藝力求簡(jiǎn)化，成型后能快速干燥，以加快模型試驗(yàn)進(jìn)程。改變材料配比可使材料的力學(xué)性質(zhì)變動(dòng)范圍較大。對(duì)人體無(wú)任何毒害作用。

(2) 在加載方面,現(xiàn)有地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)逐級(jí)卸載，加卸載精度和長(zhǎng)時(shí)保壓效果不理想，發(fā)展趨勢(shì)是研制多路高精度液壓加卸載伺服控制系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)定各分油路的壓力，實(shí)現(xiàn)加載和卸載的計(jì)算機(jī)伺服智能高精度控制。

(3) 在測(cè)量技術(shù)方面，發(fā)展趨勢(shì)是使用高速靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)采集巷道圍巖內(nèi)部的應(yīng)變、壓力等數(shù)據(jù)，利用光柵微型多點(diǎn)位移采集系統(tǒng)進(jìn)行模型巷道圍巖位移測(cè)試。

4 結(jié)論

地質(zhì)力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋鼫?zhǔn)確地模擬開(kāi)挖施工過(guò)程和影響，并可給出更為直觀的試驗(yàn)結(jié)果，使人們更容易全面把握巖體工程的整體受力特征、變形趨勢(shì)及穩(wěn)定性特點(diǎn)。地質(zhì)力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：①相似比尺的選擇，一般情況下，幾何相似的比例尺選定在1/50～1/200為宜；②相似材料的選擇，成型后的材料應(yīng)具有較高的電氣絕緣度，且不受溫度和濕度變化的影響，模擬過(guò)程中材料的力學(xué)性能比較穩(wěn)定；③模型開(kāi)挖與支護(hù)；④數(shù)據(jù)采集與結(jié)果分析等四部分。

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Research on Progress and Key Technology of Geological Mechanics Simulation Experiment System

WANG Bo

(SchoolofSafetyEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601,China)

This paper summarizes several research achievements of geomechanics model test technique,the key technical problems in the process of test are expounded respectively from the selection of geomechanics model test of similar scale, the selection of similar material, excavation and supporting of the model,and the data acquisition and analysis.Finally the development trend of geomechanics model test system is elaborated.

Geological mechanics; Model test; Research progress; Key technology

2016-02-04

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助(3142015085，3142014121)；國(guó)家自然科學(xué)基金(51404015)

王波(1981-)，男，山東陽(yáng)谷人，博士，華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院副教授，研究方向：礦山巖體力學(xué)與軟巖巷道支護(hù)。E-mail：wangbo.94@163.com

TD163+.1

A

1672-7169(2016)02-0030-04