地下结构工程第讲讲稿九

地下结构工程（第五讲）6、地下结构工程地质力学模型试验2003年4月包括四个方面的问题

6.1地下结构模型试验的意义6.2地下结构模型试验原理6.3地下结构模型试验模拟技术6.4地下工程模型试验实例介绍6.1地下结构模型试验的意义

研究岩体稳定问题，包括坝基和坝肩稳定、边坡稳定、地下结构围岩稳定问题，通常采用的方法有工程类比法、地质结构分析法、数值模拟仿真分析法和地质力学物理模型试验法等。对于中小型工程，一般只采用前几种方法进行研究，但对与大型或超大型工程，地质力学物理模型试验则是必要的。

为什么？这不仅是因为超大型工程往往没有先例可以比较，以及地质和地应力条件千差万别，而且不同的数值分析方法和采用的模型不同也会给出差别较大的结果，而在工程尚未施工时也很难对它们的差别做出准确判断。物理模型试验的不足

物理模型试验与其它方法相比有它的弱点，如改变方案很不灵活，重复性差；测量数据受仪器精度影响大，有一定的离散性；有尺寸效应，很难保证所有物理参数都满足相似理论；试验工作量大、难度大、费用高，尤其是三维模型试验更是如此。

然而，物理模型则由于是真实的物理实体，在基本满足相似原理的条件下，则更能真实地反映地质构造和工程结构的空间关系，更准确地模拟施工过程和影响。试验结果能给人以更直观的感觉，使人更容易从全局上把握岩体工程整体力学性征、变形趋势和稳定性特点，以及各洞室或结构之间的相互关系，从而做出相应的判断。其次，也可以通过物理模型试验，对各种数值分析结果进行一定程度上的验证，而不必等到工程施工以后。这无疑对于大型或超大型岩体结构工程是有重要意义的。

与研究坝体、坝基和坝肩稳定性的三维地质力学模型试验相比，研究地下结构和地下洞室的岩石力学物理模型试验则有很大的差距。到目前为止，从可以查到的资料看，只有少数几个平面模型试验和小型三维试验。这些试验都无法模拟洞室的施工过程。究其原因，最主要的则是模拟地下洞室施工过程的三维模型试验难度太大。例如三维地应力场的模拟原理和技术、洞室群开挖尤其是内部洞室隐蔽开挖技术的实现、内部物理量量测方法等等，因而几十年来一直没有什么进展。

国家电力公司成都勘测设计研究院和清华大学水利水电工程系在上述认识上达成共识，为地下洞室模型试验研究工作的开展创造了条件。我们发挥清华大学综合性大学的优势，通过校内外、国内外技术合作，1、采用新型廉价模型材料制作出大型岩体模型2、研制了离散化多主应力面加载复杂三维地应立场模拟系统，3、研究采用了步进机械臂和微型掘进机技术4、采用微型高精度位移量测技术、声波测试技术、光纤测量及内窥摄影技术等解决了三维试验中的高容重模型材料、三维初始应立场生成、隐蔽开挖模拟及量测等关键技术问题，使试验取得成功。这一试验研究成果也可应用于今后我国大西南地区的其它超大型地下水电站的研究，因而有着重要的价值和意义。在国家教育部组织的鉴定中，这项研究成果被评为“总体上达到国际领先水平”

6.2地下结构模型试验原理这里的模型试验是指相似材料模拟试验，它也是人们探讨和认识地下工程力学特性和规律的途径之一。采用模拟材料做成模型，然后在模型中开挖洞室或隧道，观察模型的变形、位移、破坏和应力等情况，据以分析、推测原型中所发生的情况。这种方法，称为相似材料模拟方法。它被用来研究地下结构和洞室的某些稳定问题，例如估计地应力大小、顶底板相对位移、塌落拱形状和大小、支护对地应力的影响、地下开挖对地表的影响等等。

要使模型中所发生的情况，能如实反映原型中所发生的情况，就必须根据问题的性质，找出主要矛盾，并根据主要矛盾，去确定原型与模型之间的相似关系和相似准则。一般说来，地下结构问题涉及的物理量有：坐标位置X、Y；压力P、位移Ｕ、应力σ、τ；容重γ；时间ｔ……等。若欲使模型和原型相似，必须满足以下两个条件：（１）各对应量成一定的比例关系；（2）各对应量所组成的数学物理方程相同。具体说来，模型与原型应存在下列三方面的相似：1、几何相似要求模型与原型的几何形状相似。为此，必须将原型的尺寸，包括长度、宽度、高度等都按一定的比例缩小（或放大）以做成模型。设Lp和Lm分别代表原型和模型“长度”，这里，Ｌ表示一个广义的长度，可以是长、宽、高等。脚标p表示原型，脚标m表示模型，下同。以Kl代表Ｌp和Ｌm的比值，称为长度比尺，则几何相似要求Kl为常数，即：

Kl＝Lp/Lm=const因面积是长度的二次方，所以面积比尺为：

Ap/Am=Kl2又因体积是长度的三次方，所以体积比为：Vp/Vm=Kl3一般说来，模型越大，越能反映原型的实际情况（原型实际上是Kl＝１，但往往由于各方面的条件限制，模型又不能做得太大。通常模拟矿山采场用Kl＝５０～１００，大型洞室群常常采用300左右，即将原型缩小为1/50～1/100、或1/300。2、运动相似要求模型与原型中，所有各对应点的运动情况相似，即要求各对应点的速度、加速度、运动时间等都成一定比例。设以tp和tm分别表示原型和模型中对应点完成沿几何相似的轨道运动所需的时间，以Kt代表tp和tm的比值，称为时间比尺，则运动相似要求Kt为常数，即

tp/tm＝Kt＝const3、动力相似要求模型与原型的所有作用力都相似。对于地应力问题，要考虑重力作用，也要考虑构造应力作用。在这种情况下，首先要求重力相似。设以Ｐp、γp、Vp和Ｐm、γm、Vm，分别表示原型和模型对应部分的重力、容重和体积，因为：Pp=γpVp，Pm=γmVm所以在几何相似的前提下，要求容重比尺为常数：Kγ＝γp/γm=const由长度的几何比尺Kl、时间比尺Kt、容重比尺Kγ，可以推出位移、应变、应力、弹模、泊松比等其它物理量的比尺。如应力比尺为：

由牛顿定律可以推出时间比尺与几何比尺的关系为：在进行静力模型试验时一般不考虑时间比尺，但是如果要考虑流变或蠕变特性，即使是静力问题也要考虑时间比尺。模型和原型材料的相似关系：若原型中量纲相同的物理量用了不同的比例关系，这种模型叫做歧变模型。但应把歧变影响减到最小。

6.3地下结构模型试验模拟技术

室内模拟技术的主要内容是如何选择模型材料和量测技术来实现所建立的相似条件，然后进行模型设计的研究，包括岩块模拟，节理或不连续面的模拟，岩体模拟，岩体初始应力场及开挖过程的模拟。本节仅就上述问题作一简介。

6.3.1模型材料正确选择模型材料是能否正确模拟原型的关键。对于弹性范围的静力学研究，要求模型材料有较大范围的线性应力～应变关系，须要考虑的仅是弹性模量的相似。对于考虑弹塑性性质和破坏的试验，则必须考虑强度和变形的相似。模型材料的选择还随着试验的目的和拥有的加载及量测设备而异。对于地下结构周围的岩石而言，它往往要求模型材料的各种力学参数变化范围非常宽广。从这些特点出发，B.Stimpson曾将前人实际应用过的模型材料分类如下：模型厉材料无细步粒结纹构的萄材料股有细律粒结戚构的杏材料非塑伸料毯塑蜓料诉胶雷结材片料副非胶经结材搬料金属才非金巴属壤纯塑速料手掺碑加塑务料绍石膏热水泥雀油、炊腊岭树棒脂挤黏庭土脆性肾非脆光性上表穷中有诵细粒队的材菠料系牌含有乎0.扣06航ｍｍ惭以上光的粒尝状物简质的访材料滚。一般在说，州无细宾粒结兴构的狐模型蚊材料于只在只接近偷单轴都压缩输破坏厅时才原表现雄出明惯显的犯膨胀深性。龟“脆节性”至意味来着破视坏时聋产生贺很少晒的塑鼠性变升形，杂突然敬破坏鸦。上错表所辞列各内模型邮材料书的力背学参泥数随旦胶结擦料的倍不同泡而有章大幅贺度的客变化扇。由于球要求K＝其1，K＝K/KL和加狼压设叛备的腔限制橡，要出求模脊型材搜料有启较低专的强大度，筹较大堡的变迹形（蒜即满慌足上冤图的趁要求笔）和悼较高依的容筹重。烤下面良介绍各几种田类型欺的模甚型材惧料：１．拢不考两虑容闹重相盼似的另砂石匙膏混高合物对于寻不必炒模拟帝自重环的模住型材燥料来满说，角石膏徒－砂慕－水诸的混喉合物课是一梢种较侧为理变想的削材料轿。它得的特债点是滥价格旱低，颜取材五方便监，制菜作简浩单，核性能梁稳定手，可疾以模魂拟广支泛的席力学进参数节，也耗便于狐获得侧低强局度，维低弹毯模的以性质立。同一冒配比禽下，猎含砂冒量对思材料修应力蜘－应匀变关燥系的住线型孟及破惩坏模钻式有援明显捕的影之响。和砂量胁增加谅时，踢弹模浮增加俱，材托料表锁现出妹脆性用破坏束特性谊；砂续量减法少时房诚，弹栏模降炉低，幅脆性啦减弱仍；砂惨量为睡零时雀，弹肌模降终到最堡低，赞并表痰现出晋典型剃的塑苹性破哗坏特正性。２．晴考虑糊容重暑相似拒的地贵质力桶学模肉型材倍料当地或应力扑场强蔑度足宏够大免，足委以略嫩去岩的石自离重影献响，在或者陷，当梯地下放洞室总上层聪岩石塞覆盖巡寿厚度筒足够钱厚，解以致她可将虎岩石忠自重轨化引帜为面纤力作俯用在卸洞室靠周围尾岩体失的边物界时贪，可创以忽株略模案型范异围内损自重组的相绞似性每，采都用上拌述石张膏～躁砂的剥混合访料作傍为模昂型材轰料是薪合适晴的。庄反之奇，特迈别是梨对于柔浅埋丢的地嫌下洞会室，拘其初舅始地理应力绞场以介自重劲应力环场为芦主，熊则应汽考虑唱自重狼相似肤，采介用所座谓地途质力不学模引型材贞料。地质力学康模型社材料歇和前吩述不应考虑芒自重合的砂～膏混早合物付的共群同特拢点是：弹模漏及抗夹压强谊度低杂，加樱载设也备简稼单易着行；变形馒大，行量测涂精度肿易于宾掌握。材料验的力育学性零能变嘱化幅割度大，便草于模纪拟各姿种复塘杂的办地质驰特性正。当帆原型善材料谋的变草模相炉差十姜倍以沫上时啄，用位这种森材料育进行叔模拟伐也无古困难票。其不缓足之嘴处是惊由于够材料惨很软蹄，强涉度很杜低，货在这熄种材饲料的驴表面怀上贴稠电阻稳片测罢量应更变目乳前尚有法一定顺困难镰。好在滑岩体证节理调发育蝇时，距可以埋看成伤是节范理密熟集的薯碎块揪体模凳型或扮数量阿众多怠的砌块模窑型，北人们红最感苦重要娱的还围是节行理的不破坏照情况范和关晚键部饺位的册位移粒情况嗽，所晌以7狮0年岁代以最后，搅地质黄力学捷模型崇材料梁虽然旨尚处腰于不服断发盛展完骗善的赏阶段饿，但睁仍然加得到将了广喉泛的怪应用方。为满紧足容串重相赏以，进应有件容重翠比尺涉Ｋγ＝１俗。如能自使Ｋγ＜１洪，则可诵进一唤步减腥小所贿需的搂应力屈比尺时Ｋ。拔或减距少模控型尺让寸。梯所以睡模拟盒自重士应力愉场的辞地质盖力学已模型晨材料凉除了守满足守应力满应变童全过台程的岩相似趴，内各摩擦束角、验凝聚轻力及兔泊桑装比的那相似己以外犹，尚晌要求授模型前材料笋有尽要可能筝大的阻容重音，较紧低的没强度仗和变炮形模耐量。提高炕材料螺容重洁的办称法是神采用羡大比确重骨储料。春例如俱，重贫晶石炸粉，惹其容喂重为梳2.肢72g/读cm3,空隙染率4浓0％踪蝶；红寨丹粉幼，容贼重5围.2东5g/戒cm3,空隙说率4剧0％横；铁晌粉，秩可由何未生蓄锈的丢铁屑世中筛适选，虾容重么3.窗56g/悦cm3,空隙朗率4闻7％群；此解外尚惕有石医英砂概，铅哲及铅秋的氧肆化物彼如Pb旋O及Pb3O4但由舞于铅尤及其亚氧化预物有听毒且隶价格嚷昂贵恳，我剖国都仆不采映用。为改铅善拌委合物咱的可围塑性汪与和籍易性描，往树往加漂一些耍膨润性土，慎硅藻厨土，月甘油散与水恭的溶繁液，吊酒精幕等外谅加料听。甘慨油对泪降低烤变模逮及增堵加和舟易性忽稍有毛作用僚，能脆减少邪干缩桂，但伙易于秧使模凡型材饥料表萍面吸柴收空含气中坡的水室份而剖降低亚模型牺表面燃的绝埋缘性伶能。仆酒精合也能翻增加费和易析性且乔能消疮除水趋对骨篇料的港物理卸化学罢作用曾并导宋致快隶速干及燥效滑果。地下励洞室且工程办一书笋中表焰11迎－1购列出省国内适外近段年来勉所应句用的栽地力贺学模洗型材槐料的堪详细膝配比两和主姨要力趴学性铁能。响材施料强悬度的脆主要高因素哄是胶奶结剂氧。除肚利用剧环氧货树脂触在水伤中的窄乳化杏作用奸作为符胶结搏料以茶外，拜所用傲的胶酷结料妇主要减是两勺种：（１彼）石赚膏浆抵调融整石倘膏用私量或测水膏集比，沾可以言调整玻材料丝式的强旁度及开变模宽。图微中所染示为盆石膏鹅掺量狱对单抱轴抗库压强睬度的亮影响钓。材妙料在界浇注瞒成型武1～爸2天雪以后饿拆模输，在兔室温婶下晾旧干，乡丰并在萌红外破线灯惑下烘泊烤3顷2小百时左喜右，邮直至吹试件双不再锡失重拦为止仙。除干结燥养题护时聪间较洽长外选，该丙材料灯的另撑一弱序点是魄应力宽～应黎变曲别线呈育塑性晌性质柔，见润图。颈该图症表示子的一岛组混夸合料毛是在福重晶装石：边砂：帮水：嘴甘油催＝4万60消0：斤92灭00把：2初25晨0：卡20捧0固原定不形变的禽情况锡下，骆仅改交变石洲膏的咬掺量惊而得注到的王。（2队）松陶香酒岩精溶已液或铅石蜡它属振于一沃种弱影胶结茶剂，惜有利症于降假低材普料的下强度填。它柏们和千酒精绳的溶倡液（刃石腊脖微溶忠于酒秤精）如可以篇避免典铁粉点生锈荣，并柴使模奴型材比料快屈干，术缩小亡养护吼时间核。经结验证谱明，糕铁粉浓和乳班胶、半环氧扭以及秤石膏征的水签溶液陕接触些，都辩会生隙锈并跑引起喝其它域化学抓反映受。当斥选用狐铁粉谎作骨粮料时坊，酒立精作湖溶液咏是适或宜的做。松贡香酒涉精溶堡液可寇使材含料具慈有脆击性性辜质。只饱和荡石腊般酒精达溶液露可使惩模型业材料敲具有幼塑性哄性质梁。调驴整两克者的粒比例填，可胳以改伐变其异组合赌料的分应力颈～应珍变曲馆线形剪状及键其破解坏性伙态。更此种钳粘结紧剂溶崇液的鞋最佳康用量井应是紧能使绿均匀屠沾湿瞎全部忽骨料遮颗粒奥表面沈，在缴压模岸成型敌时，犬颗粒拜之间哑既能践相互宇粘结轿，又石没有用多余飞的溶开液被兼挤出偷。但这壳种材书料强逼度特第性调徐节范才围不受如石怖膏浆诱那样对灵活掏、广担泛，巾这是梯值得愈进一告步研介究的馅问题络。6.夏3.惠2戏岩体蹲不连垒续面矮力学伐性质粘的模施拟岩体写不连熟续面智力学旧性能吵的模善拟包锣含弱惕面强目度模受拟，色剪切猛变形让特性子模拟植，法酬向变雾形特袖性模旨拟和纹剪切益膨胀冈特性度模拟贸等四沸个方贷面，猜对于挖不同冶的节奖理特稼征，成可侧蕉重一胶个或六几个搅方面崭。但剧无论市模拟州哪个膀特性缠，这挂都是拼很复红杂的甩问题栗。弱面菌模拟怀的方纤法大千致可桶分为暮两种雷：一是设先制攻成小粱尺寸愁的砌君块，盘在其乏接触吓面之才间放掌置不垮同的忆夹层昼材料碧，以爸模拟密所要商求的乔节理胆性能撞，称降这种浴方法盆为砌根块夹赔层法锋；二是火用一班种专筝门设存计的体刀片凶把模士型材满料劈辱裂为稻具有晚粗糙桐表面敢的不倚连续晋砌块忍，然柱后再总把这爷些小脖砌块稠按切奇割前液的形量状挤购在一眼起堆岛砌成杨整体显模型央。6.莲3.兼3吨岩灶体模盟拟和边应力浙释放蹈模拟由弱胁面和赚岩块批组成怖的岩期体的驶变形查模量距和强幻玉度常茄常小发于岩企块本降身的熊变形殿模量纠和强珠度。对于眼不连麦续的碗、厚劣度可将以忽唉略的互弱面堆，一红种办仅法是历较详嗓细地套模拟巡寿单个切弱面早的强下度和速法向寻变形武特性株，然捎后去惹验证列整个梦岩体柏的强敏度和绢变形燥特性更。另一丑种模兽拟方侄法是伶模拟活岩体蔬的力确学性亡能，峡将弱厌面的裤削弱耕、软痕化隐狂含在结岩体搞变形偷特性智之中盗，然权后再蜂去验神证单谁一弱并面力肠学性援能的个相似兰。当配然，茶最理往想的疫模拟盼是两辈者都非能同掘时满丈足相抗似要丑求，蓄即岩针块、执弱面熊的岩晌体不唤仅力复学上年相似史，且而弱面奴间距巩也是傲几何较相似补的。岩体摔的应砖力～叫应变估曲线升的相免似。枯反映影这一纵特性办的主勒要力坑学参改数是1、梁岩块占的变万形模坑量Ｅi，2、伏岩体烛的变渣形模私量Em勒，3、旬Ei和Ｅm之比兴，Ｅi／纹Em是反茧映岩就体各漆向异兄性的碌重要剂参数胸，必闷须保免证其峰相似康。4、辣及岩脾体应议力～背应变首关系挪曲线丸的线拴型，责在线已型上誉至少皆应能债反映年出凹泄型或债凸型惑的差膝别。5、泉如果懒进行摆破坏锋试验渔，还驳应考怠虑岩亦体强讲度性榨能的榴相似拥。地下施洞室燃的开足挖过卡程，予实质颈上是糠一个昼应力鹅释放独的过洋程。锤由于河岩体印是非拐均质姿的不烤连续礼介质阵，模炕拟应叶力释届放的痕过程储是十待分重厌要的盼。应猴力释沸放的把相似孔包括傅：（1王）开爬洞前您初始拢应力蚁场的设相似中和开蓝挖过灾程相宰似，椅这可歌以在中整体摧模型考的加使载和般开挖逮的工航艺中碌得到网实现毁。（2枕）加鄙载卸存载条迹件下鬼的应遇力应陷变关闷系及协卸载江应力咬水平答相近般。由奥于成贝洞过历程中际，洞烫外各窗点有螺的呈饰加载苗状态号，有愈的呈咏卸载槐状态缓，且肿各点头加载栏应力挖水平正不一没，所拢以应颈进行耳可能惊的各迟个应址力水藏平下印的加蔬卸载沿应力矮－应饺变关授系的猪试验隙，并乳应尽惹可能光使之载与现滔场资埋料有带较为千良好悲的相助关性伍。下症图为趟两种沈模型衣岩体恳的加着载及衬卸载总特性6.蒜3.谁4竟模旁型试家验的厉量测令技术模型穿试验核的量僵测内暂容有猛位移谎、变匹形、次应力加、裂页隙的联滑移桥及材病料的愧屈服扫松动奸，当晶模拟鸽隧洞统衬砌惯时，帽还要揪求量玻测衬争砌上麻的山馅岩压皱力。们由于痰地质重力学酱模型赴材料疤的强提度很导低，引粘贴桶电阻辛片很罗困难塔，因催而量买测应众力及唱应变顽时，夜必须裤使用尺特殊乘的测史量方咸法和信测量互元件校，并乐应对喜测量回元件硬进行引仔细霸的率巩定。漂在量弟测技倾术方坚面，松着重击介绍雷常使阅用的扑位移鬼量测哀技术帜及压最力量榆测和晌屈服哭松动彩区测铁量技或术：1、奸位移爸量测分为梁表面文位移降量测励和材叹料内狼部位右移量锅测表面尝位移冈量测除的方判法有琴：1、凝悬臂霸式测心位计2、笔千分虑表3、讯差动棒式位论移传腿感器4、萍激光救或白歌光散宪斑位宗移量熄测5、距精密太摄影蚂位移就量测内部菊位移谢量测凝有：1、艰微型超高精鞠度多恳点位城移计2、木光纤猜位移揪/应校变传衬感器悬臂袍式测恒位仪思的结漏构如放图所傻述。属主要拌部件兆是一肿块宽伤11丝式ｍｍ内、厚辟0.宵5ｍ悄ｍ的为磷铜涌片，关在其栽上粘沉贴４景片电坏阻丝撑片。萄采用杏全桥华式联柏结，涌用应赞变值艰来指渴示自海由端结的位铲移，打率定祝表明硬线性侄是良梳好的盐。由引于磷哑铜片母的起训始零丛点难环以固柔定，披在每才次使疲用仪肆器以谋前，咬都要育率定碰。值得启指出规的是到近年勤来利犯用激船光或目白光度散斑筛法量割测位反移及膏变形巴的技额术得电到了坚发展郑。白光择散斑侮法是层利用狼被测验表面会制造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