物理模型试验技术研究及其在岩土工程中的应用

2015-04-16聂鹏崔迪

建材与装饰 2015年45期

聂鹏崔迪

（江西有色地质勘查五队江西九江 332000）

前言

物理模型试验技术已经成为现代岩土工程建设中最重要内容，它可以全面真实的模拟较为复杂的地下工程结构，并从中找到数学与力学方法尚不能解决的问题，也正是这样使其能够为新理论与数学模式的建立提供新依据。在地下工程不断增多的今天，相应的问题也多了很多，需要研究的内容也增加，这样也就提升了地下工程的设计要求，因此，有必要深入研究物理模式试验技术在岩土工程中的应用。

1 物理模型概述

所谓的物理模式实际上主要指利用与原型力学特性相近的材料，根据几何相似常数压缩制成的模型。在这些模型中开挖如采场、巷道各种各样的工程，以便观察、研究工程围岩中的变形和破坏情况；测量模拟支架一般指获得围岩作用在支架上的压力，可以为各种类型新支架提供可靠依据；将多种方法应用到模型采矿层中，通过对比等方式了解这些方法将对围岩产生哪些破坏，为改良生产工艺提供参考；在模型岩基中构建大坝，并人为的将作用力添加在模型上，待到模型被破坏为止，以此来取得坝基抗滑安全系数。在物理模式中有两种模型，分别为定量模型与定性模型。

2 物理模型试验技术在岩土工程中的应用

2.1 研制物理模型试验机必要性

近年来，我国新建岩土工程所占规模逐渐增多，由此而来的工程问题变得复杂，需要被研究的内容也比之前多了很多，这样在一定程度上就提升了岩土工程设计标准，提高了计算精度要求[1]。但就目前情况而言，现有模型试验设备无论是在控制上，还是在加载方式等各个方面都难以满足岩土工程发展要求，针对这一现实应立即研制出新型物理模型试验机，保证所研制的试验机具有自动化性质与电液伺服控制，并可以真实反映出岩土工程真实受力情况，以此全面解决数学与力学分析所不能解决的问题，完成对重大岩土工程地质结构进行深入探究等。我国很多专家学者也为此做出了很多努力，研制出了大型真三轴物理模式试验机。

2.2 物理模型试验机的研制

在研制物理模型试验机前，要了解其主要构成部分，如主机、试件室以及试验辅助装置等，并将电液伺服控制应用其中[2]。对于电液伺服控制来说，通常将闭环回路控制系统应用其中，将试验参数也应用到闭环回路系统中，可以准确、持续以及自动的进行试验变量控制等活动。高压油应从油压源中流出，然后再经过过滤器流入到伺服阀中，同时伺服阀可以将所需油量输入到油压千斤顶中，进而向试件施压。在设计主机系统时，应保证可以将试验要求压力全部施加在试件所有受力面上，并确保三个方向加载具有独立性，相互之间不出现干扰情况。在高压油流入到油缸以后，要做活塞运动，与连接板、传力板等共同运动，将试件压紧，在试件上也要留有一定荷载。由于试件尺寸偏大，在试验阶段受力面积也很大，为使每个受力面所承受的压力相同，应在各个加载面中并联两个油缸，在同一面上也要施加相同压力，防止出现受力不均情况。如果发生受力不均，可以在活塞和试件之间加设连接板或传力板，并将球铰应用到活塞和连接板之间，同时将连接板应用到平衡轴上，以此确保传力板能够紧贴在试件所有表面上，用于消除加载时所有构件所出现的附加变形与附加荷载。由于设备施加荷载增加，为避免出现受力分布不均情况，一定要将相对厚重、接受过正火回火处理的连接板和传力板，以便保证荷载能够均匀分布在加载平面中，并在两者之间加入聚四氟乙烯薄膜，以此转变试件表面受力情况。此外，为实现自动化控制，确保加载千斤顶活塞能够连接在一起，可以将位移与压力传感器应用其中。

在实现电液伺服控制中模型试验机硬件主要有工业控制计算机、载荷传感器、位移传感器以及电液伺服阀等[3]。对于工业控制计算机来说，它主要是采集、分析与整理数据，并控制整个试验机，而载荷传感器则是载荷控制与反馈，位移传感器则是进行变形控制和反馈。最重要的部分则是电液伺服阀，在这一过程中，如果伺服阀被打开以后，高压油就会进入到千斤顶油缸中，但至于油会进入到油缸的哪一处将受到控制信号幅度与极性的影响。在伺服阀中有两个孔，一个中是高压油入口，另一个孔是低压油返回口。如果出现控制信号归零情况，伺服阀就会闭合，只有在输入油满足阀输油率时，伺服阀才能完全开放。在试验中，如果所输入的程序信号和反馈信号中不存在误差，就意味着所设定的程序条件与试验条件相符，伺服阀不变化的情况下，油缸中的油量也不会发生变化。

2.3 物理模型试验技术在岩土工程中的应用

为进一步了解物理模型试验所带来的效果，通过离散单元法分析地下采矿数值，经过多次对此实验得知，离散单元法是一种相对简单的验证砌筑物理模型实验的方法。在岩土工程实践中，将即将开挖的矿体作为研究对象，保证水平距离为1000m、垂直距离为500m，并将模拟范围分为三角形单元。对于模型两端进行水平约束，在底部的水平进行垂直约束，在数值模型计算收敛以后，抽取模型内部进行矿体开挖，水平距离保持在297m左右，垂直距离为165m进行变形与破坏对比分析。利用UDEC计算了解到地表和附近岩土出现了变形与陷落情况，在最初的开挖阶段，会发现地表下沉幅度很小，随后则发现地表在逐渐增加，相对于前两步，岩体也会出现一定下沉位移，一直到第七次时，会发现地表变化较大，同时，沉降盆地也形成了规模。

通过各阶段的开挖工作可以了解到，伴随着矿体开挖，顶板也会发生较大位移，且范围也将越来越大。在开挖的第二阶段，可以看出采空区上端岩体位移矢量会逐渐缩小，但随着矿体进一步开挖也会发现采空区顶板将出现逐渐增大的下沉位移量。在开挖的第七阶段，采空区顶板位移数量将出现较大增幅，且多数位移矢量都直指采空区，地表也会出现较大下沉位移矢量，同时也可以发现沉陷盆地也开始慢慢形成。待到第九步开挖完成以后，发现采空区顶板位移矢量将发生较大增幅，位移矢量也将指向采空区，通常出现位移下沉情况，由于与矿体相接近，下沉位移也会越大。

通过分析开挖采空区顶板破坏区数值可以得知，由于矿体开挖的深入，采空区顶板的破坏区将与地表相接近，一直到第七步开挖时，采空区上部两侧会出现地表与剪切破坏区相垂直的情况，同时也就意味着开挖后沉降盆地也在逐渐形成，产生这种结果也在说明模型试验结果较为正确。要完成下一步开挖工作就需要将预留矿柱去掉，减少对上部岩体的保护。