地质力学模拟试验系统研究进展及关键技术

王 波

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601)



地质力学模拟试验系统研究进展及关键技术

王 波

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

总结了几项地质力学模型试验技术的研究成果，分别从地质力学模型试验相似比尺的选择、相似材料的选择、模型的开挖与支护和数据的采集与分析4个部分阐述了试验过程中的关键技术问题，最后对地质力学模型试验系统的发展趋势进行了阐述。

地质力学；模型试验；研究进展；关键技术

0 引言

地质力学模型试验是根据一定的相似原理对特定工程地质问题进行缩尺研究的一种方法，在基本满足相似原理的条件下，它能更真实地反映地质构造和工程结构空间关系，更准确地模拟开挖施工过程和影响，并可给出更为直观的试验结果，使人们更容易全面把握岩体工程的整体受力特征、变形趋势及稳定性特点。大量的工程实践证明，地质力学模型试验方法是研究大型岩土工程问题，特别是地下工程问题的一种行之有效的方法[1-3]。

1 地质力学模型试验技术研究进展

1.1 研究进展

地质力学模型试验技术是研究大型岩土工程问题的重要手段，从本世纪初,西欧一些国家就开始进行结构模型试验，并逐渐建立了相似理论。60年代，以E.Fumagalli[4]为首的专家在意大利结构模型试验所(ISMES)开创了工程地质力学模型试验技术，试验研究范围从弹性到塑性直至最终破坏阶段。随后，葡萄牙、前苏联、法国、德国、英国和日本等国也开展了这方面的研究。

从20世纪70年代开始，武汉水利电力大学、清华大学、西南交通大学、总参工程兵科研三所、中国矿业大学、山东大学等单位，先后对国内许多大型水电、交通和矿山工程进行了地质力学模型试验研究，研制了规模不等的配套模型试验设备[5-8]，下面介绍一些典型的地质力学模型实验台。

1.2 真三轴软岩非线性力学试验系统

真三轴软岩非线性力学试验系统[9]是中国矿业大学(北京)岩土工程研究所与中国人民解放军总参工程兵科研三所和黑龙江科技学院合作共同研制的，不仅能对工程软岩进行常规的单向拉压、剪切、三向压缩试验，还能进行拉压及多种组合试验。试验系统由主机、液压控制系统和数据采集系统三大部分组成，如图1所示。

主机由底板和三组加载系统组成。每组加载系统由一个荷载支承结构、两个或一个荷载传感器(竖向)、两个压头或拉头和荷载传力结构组成。液压控制系统由液压控制器、油缸、压力表和高压软管等组成。数据采集系统采用DH3818静态应变测试系统进行采集和处理。该系统由数据采集箱、微型计算机及相关的支持软件组成，可动态地对大量的测试数据进行准确、可靠的采集和编辑处理。

1.3 PYD—50平面应变三向加载地质力学模型试验系统

PYD—50平面应变三向加载地质力学模型试验系统[3]由总参工程兵科研三所研制，整个装置由主体加载支承结构、油压加载系统、基础和量测系统组成，如图2所示。主体加载支承结构是由上、下盖板、三角形分配块和3套互相垂直正交的拉杆系统组成。试验时模型平放在上、下盖板之间。在模型相对两边分别施加垂直和水平地应力。加载方式采用油压千斤顶系统，千斤顶的集中力通过3级分配块，均匀地作用到模型表面上，最大加载力为1000kN。模型的平面应变条件是通过对上、下盖板施加纵控应力实现的。试验时荷载分级施加，每级荷载(油压)增量约为0.1～0.4 MPa，试验数据记录采用自动巡回检测仪。

1.4 YD—A型岩土工程多功能模拟实验装置

如图3所示，YD—A型岩土工程多功能模拟实验装置[3]由总参工程兵科研三所研制，该装置具有多个功能。可对洞室、洞群、边坡和基坑进行地质力学模型试验；对锚固体模拟试件和钢筋混凝土构件等进行抗剪、抗弯强度试验。

该试验系统允许的最大模型尺寸为160 cm×140 cm×40 cm。试验时可控制模型的准平面应变条件。模型边界可加均布荷载，也可加阶梯形荷载，并能满足不同侧压系数的要求，最大加载能力垂直和水平方向均为2.5 MPa。在加载系统中采用均布压力加载器，使模型块体内心—应变场均匀范围大大增加，不均匀范围仅限于距模型边界10 cm以内，为较好地模拟地下工程的受力环境提供了条件。

1.5 大型组合式三维均匀梯度加载试验系统

大型组合式三维均匀梯度加载试验系统[10]由山东大学研制，主要由三维组合式钢结构台架和均匀加载液压控制系统两大部分组，能够开展高地应力、大埋深条件下巷道开挖、支护和过载破坏试验，该系统具有峰值压力高、稳步加载、长时保压等显著优点，且自动液压控制系统可实现同步均匀梯度加载。

如图4所示，模型架尺寸为5.2 m×4.5 m×2.7 m，水平和垂直最大荷载9600 kN，最大荷载集度2.5 MPa，稳压时间超过360h，保压偏差为±0.2MPa，系统最大压力为30 MPa，具有高压稳定、长时保压以及同步均匀加载等显著优点，可模拟平面和三维地质条件下地下工程不同地层开挖支护施工的全过程和围岩渐进性破坏的超载过程。

图4 大型组合式钢结构试验台架

从总体上看，国内外地质力学模型试验设备的种类和样式是比较多的。从模型放置方式看，分为卧式、立式两类；从模型加载方式看，主要是采用千斤顶加载，少数用液压囊加载；从提供反力方式看，有金属框架式和基坑式；从模型受力维数看，分为二维和三维模型，二维模型中又可分为平面应力和平面应变模型；从制模方式看，分为大块体和小块体，或现筑式和预制式模型；按试验性质，分为应力模型、强度破坏模型和稳定模型。

2 关键技术

(1) 相似比尺的选择[11]

相似比尺的选取关系到材料的选择和位移测量的精度。当几何尺寸太大时,要求的模型材料的强度和弹模太低，且加工组装较困难；而当几何尺寸较小时,模型材料的强度较易满足，且加工较为方便，量测仪器也好布置，精度比较高。相似比尺越大，要求的材料的强度也越大，测量到的位移也越大。一般情况下，几何相似的比例尺选定在1/50～1/200为宜。

(2) 相似材料的选择

模型实验一般选择混合物作为相似材料，相似材料要求：①材料的容重应等于或尽量等于原型；②材料的某些性质与岩石相似；③模拟过程中材料的力学性能比较稳定；④改变材料配比可使材料的力学性质变动范围较大；⑤原料来源广泛、成本低廉、凝固时间短、便于制作模型；⑥材料制作工艺力求简化，成型后能快速干燥，以加快模型试验进程；⑦对人体无任何毒害作用

(3) 模型开挖与支护

① 洞室开挖技术

模型开洞有两种方式，一种是“先开洞后加载”；另一种是“先加载后开洞”。从工艺上看，后者要比前者困难得多。如果要研究开挖过程对洞室围岩应力场和位移场的影响时，则应采用“先加载后开洞”[12]。

② 支护模拟技术

要实现锚喷支护及二次衬砌支护、钢拱架支护的模拟，首先要解决的是支护材料的相似模拟，其次是支护时机和支护安装过程的模拟。

(4) 数据采集与结果分析

① 数据的采集

模型试验一般测量的数据为位移和应变。模型变形测量方法大体可归纳为机械法、电测法和光测法3类。采用尽量多的测量手段,这样可以保证试验数据采集的完整性，一次可以采集到尽量多的数据。

② 数据的分析

数据的分析之前要先剔除异常的数据，可以根据对称性判断数据的正确与否。由弹性力学公式算出应力分量以及主应力的大小和方向，换算成原型，画出应力图使试验成果一目了然，并且易于数值分析成果对比。若是平面试验，则要注意区分是平面应力还是平面应变。

3 地质力学模型试验系统的发展趋势

随着岩土工程的规模越来越大，出现的工程问题更加复杂，需要研究的内容也越来越多，对岩土工程建设的科研设计水平和计算精度的要求越来越高，现有试验设备需要在以下几个方面取得进展[2]：

(1) 在相似材料方面，成型后的材料应具有较高的电气绝缘度，且不受温度和湿度变化的影响，模拟过程中材料的力学性能比较稳定。应采用价廉易得的原材料，以降低材料制作成本和模型试验经费，材料制作工艺力求简化，成型后能快速干燥，以加快模型试验进程。改变材料配比可使材料的力学性质变动范围较大。对人体无任何毒害作用。

(2) 在加载方面,现有地质力学模型试验系统不能实现逐级卸载，加卸载精度和长时保压效果不理想，发展趋势是研制多路高精度液压加卸载伺服控制系统，通过设定各分油路的压力，实现加载和卸载的计算机伺服智能高精度控制。

(3) 在测量技术方面，发展趋势是使用高速静态应变测试分析系统采集巷道围岩内部的应变、压力等数据，利用光栅微型多点位移采集系统进行模型巷道围岩位移测试。

4 结论

地质力学模拟实验能够更准确地模拟开挖施工过程和影响，并可给出更为直观的试验结果，使人们更容易全面把握岩体工程的整体受力特征、变形趋势及稳定性特点。地质力学模拟实验系统的关键技术主要包括：①相似比尺的选择，一般情况下，几何相似的比例尺选定在1/50～1/200为宜；②相似材料的选择，成型后的材料应具有较高的电气绝缘度，且不受温度和湿度变化的影响，模拟过程中材料的力学性能比较稳定；③模型开挖与支护；④数据采集与结果分析等四部分。

[1] 杜应吉.地质力学模型试验的研究现状与发展趋势[J].西北水资源与水工程，1996，7(2)：64-67.

[2] 沈泰.地质力学模型试验技术的进展[J].长江科学院院报,2001,(18):32 -36.

[3] 陈安敏，顾金才，沈俊，等.地质力学模型试验技术应用研究[J].岩石力学与工程学报，2004，23(22)：3785-3789.

[4] E.FUMAGALLI.静力学与地力学模型[M].北京:水利电力出版社,1979.

[5] 韩伯鲤，陈霞龄，宋一乐.岩体相似材料的研究[J].武汉水利电力大学学报，1997，30(2)：6-9.

[6] 马芳平，李仲奎，罗光福.NIOS模型材料及其在地质力学相似模型试验中的应用[J].水力发电学报，2004，23(1)：48-52.

[7] 李仲奎，徐千军，罗光福.大型地下水电站厂房洞群三维地质力学试验[J].水利学报，2002，33(5)：31-36.

[8] 王汉鹏，李术才，郑学芬，等.地质力学模型试验新技术研究进展及工程应用[J].岩石力学与工程学报，2009，28(Supp.1)：2765-2771.

[9] 孙晓明，何满朝，刘成禹.真三轴软岩非线性力学试验系统研制[J].岩石力学与工程学报，2005，24(16)：2870-2874.

[10] 李利平，李术才，赵勇，等.超大断面隧道软弱破碎围岩渐进破坏过程三维地质力学模型试验研究[J]，岩石力学与工程学报，2012，31(3)：550-560.

[11] 王汉鹏,李术才,张强勇,等.地质力学模型试验过程中关键技术研究[J]，实验科学与技术，2006，(3)：4-8.

[12] 姜耀东，刘文岗，赵毅鑫.一种新型真三轴巷道模型试验台的研制[J].岩石力学与工程学报，2004，23(21):3727-3731.

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

中央高校基本科研业务费资助(3142015085，3142014121)；国家自然科学基金(51404015)

王波(1981-)，男，山东阳谷人，博士，华北科技学院安全工程学院副教授，研究方向：矿山岩体力学与软岩巷道支护。E-mail：wangbo.94@163.com

TD163+.1

A

1672-7169(2016)02-0030-04