第4讲地下结构工程地质力学模型试验

1、第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 6、地下结构工程地质 力学模型试验 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 l6.1 地下结构模型试验的意义 l6.2 地下结构模型试验原理 l6.3地下结构模型试验模拟技术 l6.4 地下工程模型试验实例介绍 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 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？

2、 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。 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 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。 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 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

3、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。 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 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。 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 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

4、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。 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 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， l1、采用新型廉价模型材料制作出大型岩体模 型 l2、研制了

5、离散化多主应力面加载复杂三维地 应立场模拟系统， l3、研究采用了步进机械臂和微型掘进机技术 l4、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 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 l解决了三维试验中的高容重模型材料、三维初 始应力场生成、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。 l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” 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 l6.2 地下结构模型试验原理 l这里的模型试验是指相似材

6、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。 l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。 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 l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。 l一般说来，地下

7、结构问题涉及的物理量有：坐 标位置X、Y；压力P、位移、应力、；容 重；时间等。若欲使模型和原型相似， 必须满足以下两个条件： l（）各对应量成一定的比例关系； l（2）各对应量所组成的数学物理方程相同。 l具体说来，模型与原型应存在下列三方面的相 似： 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 1、 几何相似几何相似 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，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p和m的比值，称为

8、长度比尺，则几何相似要求Kl为常数，即： KlLp/Lm=const 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 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，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，大型 洞室群常常采用300左右，即将原型缩小为 1/501/100、或1/300。 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 l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

9、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 l tp/tmKtconst 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 l3、动力相似 l要求模型与原型的所有作用力都相似。 l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p、p、 Vp和m、m、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= pVp，Pm= mVm l所以在几何相似的前提下，要求容重比尺为常数： lK p /m=const 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 由

10、长度的几何比尺Kl、时间比尺Kt、容重比尺 K，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： l mm pp mmm ppp mm pp m p KK L L AV AV AP AP K / / / / 由牛顿定律可以推出时间比尺与几何比尺的关系为： 2 1 lt KK 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。 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 l模型和原型材料的相似关系： 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 6.3地下结构模型试验模拟技术 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 l6.3.1

11、模型材料 l正确选择模型材料是能否正确模拟原型的关键。 l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。 l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。 l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。 l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。 l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： 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 l模型材料 l无细粒结构的材料 有细粒结构的材料 l 非塑料 塑料 胶结材料 非胶结材料 l金属 非金属

12、 纯塑料 掺加塑料 石膏 水泥 油、腊 树脂 黏土 l l 脆性 非脆性 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 l上表中有细粒的材料系含有0.06以上 的粒状物质的材料。 l一般说，无细粒结构的模型材料只在接近 单轴压缩破坏时才表现出明显的膨胀性。 “脆性”意味着破坏时产生很少的塑性变 形，突然破坏。上表所列各模型材料的力 学参数随胶结料的不同而有大幅度的变化。 l由于要求K1，K K/KL和加压设备 的限制，要求模型材料有较低的强度，较 大的变形（即满足下图的要求）和较高的 容重。下面介绍几种类型的模型材料： 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 l不考

13、虑容重相似的砂石膏混合物 l对于不必模拟自重的模型材料来说，石膏砂水 的混合物是一种较为理想的材料。它的特点是价格 低，取材方便，制作简单，性能稳定，可以模拟广 泛的力学参数，也便于获得低强度，低弹模的性质。 l同一配比下，含砂量对材料应力应变关系的线型 及破坏模式有明显的影响。砂量增加时，弹模增加， 材料表现出脆性破坏特性；砂量减少时，弹模降低， 脆性减弱；砂量为零时，弹模降到最低，并表现出 典型的塑性破坏特性。 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 l考虑容重相似的地质力学模型材料 l 当地应力场强度足够大，足以略去岩石自 重影响，或者，当地下洞室上层岩石覆盖厚度 足够厚，以致可将岩石自重

14、化引为面力作用在 洞室周围岩体的边界时，可以忽略模型范围内 自重的相似性，采用上述石膏砂的混合料作 为模型材料是合适的。反之，特别是对于浅埋 的地下洞室，其初始地应力场以自重应力场为 主，则应考虑自重相似，采用所谓地质力学模 型材料。 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 l 地质力学模型材料和前述不考虑自重的砂膏混 合物的共同特点是： l弹模及抗压强度低，加载设备简单易行； l变形大，量测精度易于掌握。 l材料的力学性能变化幅度大，便于模拟各种复杂的地 质特性。当原型材料的变模相差十倍以上时，用这种 材料进行模拟也无困难。 l其不足之处是由于材料很软，强度很低，在这种材料 的表面上贴电阻片测

15、量应变目前尚有一定困难。 1. 好在岩体节理发育时，可以看成是节理密集的碎 块体模型或数量众多的砌块模型，人们最感重要的还 是节理的破坏情况和关键部位的位移情况，所以70年 代以后，地质力学模型材料虽然尚处于不断发展完善 的阶段，但仍然得到了广泛的应用。 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 l为满足容重相以，应有容重比尺。如能使 ，则可进一步减小所需的应力比尺。或 减少模型尺寸。所以模拟自重应力场的地质力学 模型材料除了满足应力应变全过程的相似，内摩 擦角、凝聚力及泊桑比的相似以外，尚要求模型 材料有尽可能大的容重，较低的强度和变形模量。 l提高材料容重的办法是采用大比重骨料。例如， 重晶石

16、粉，其容重为2.72g/cm3,空隙率40；红丹 粉，容重5.25g/cm3,空隙率40；铁粉，可由未生 锈的铁屑中筛选，容重3.56g/cm3,空隙率47；此 外尚有石英砂，铅及铅的氧化物如PbO及Pb3O4但 由于铅及其氧化物有毒且价格昂贵，我国都不采 用。 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 l为改善拌合物的可塑性与和易性，往往加 一些膨润土，硅藻土，甘油与水的溶液， 酒精等外加料。甘油对降低变模及增加和 易性稍有作用，能减少干缩，但易于使模 型材料表面吸收空气中的水份而降低模型 表面的绝缘性能。酒精也能增加和易性且 能消除水对骨料的物理化学作用并导致快 速干燥效果。 l地下洞室工程一

17、书中表111列出国内外 近年来所应用的地力学模型材料的详细配 比和主要力学性能。 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 l除干燥养护时间较长外，该材料的另一弱点是应 力应变曲线呈塑性性质，见图。该图表示的一 组混合料是在重晶石：砂：水：甘油4600： 9200：2250：200固定不变的情况下，仅改变石 膏的掺量而得到的。 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 l（2）松香酒精溶液或石蜡 l它属于一种弱胶结剂，有利于降低材料的强度。它们和酒精

18、的溶液（石腊微溶于酒精）可以避免铁粉生锈，并使模型材 料快干，缩小养护时间。经验证明，铁粉和乳胶、环氧以及 石膏的水溶液接触，都会生锈并引起其它化学反映。当选用 铁粉作骨料时，酒精作溶液是适宜的。松香酒精溶液可使材 料具有脆性性质。饱和石腊酒精溶液可使模型材料具有塑性 性质。调整两者的比例，可以改变其组合料的应力应变曲 线形状及其破坏性态。此种粘结剂溶液的最佳用量应是能使 均匀沾湿全部骨料颗粒表面，在压模成型时，颗粒之间既能 相互粘结，又没有多余的溶液被挤出。 l但这种材料强度特性调节范围不如石膏浆那样灵活、广泛， 这是值得进一步研究的问题。 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 l6.3.2

19、 岩体不连续面力学性质的模拟 岩体不连续面力学性能的模拟包含弱面强度模拟， 剪切变形特性模拟，法向变形特性模拟和剪切膨胀特 性模拟等四个方面，对于不同的节理特征，可侧重一 个或几个方面。但无论模拟哪个特性，这都是很复杂 的问题。 弱面模拟的方法大致可分为两种： 一是先制成小尺寸的砌块，在其接触面之间放置不同的夹层 材料，以模拟所要求的节理性能，称这种方法为砌块夹层法； 二是用一种专门设计的刀片把模型材料劈裂为具有粗糙表面 的不连续砌块，然后再把这些小砌块按切割前的形状挤在一 起堆砌成整体模型。 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 l6.3.3 岩体模拟和应力释放模拟 由弱面和岩块组成的岩体的

20、变形模量和强度常 常小于岩块本身的变形模量和强度。 对于不连续的、厚度可以忽略的弱面，一种办 法是较详细地模拟单个弱面的强度和法向变形特性， 然后去验证整个岩体的强度和变形特性。 另一种模拟方法是模拟岩体的力学性能，将弱 面的削弱、软化隐含在岩体变形特性之中，然后再 去验证单一弱面力学性能的相似。当然，最理想的 模拟是两者都能同时满足相似要求，即岩块、弱面 的岩体不仅力学上相似，且弱面间距也是几何相似 的。 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 岩体的应力应变曲线的相似 反映这一特性的主要力学参数是 l1、岩块的变形模量i， l2、岩体的变形模量Em， l3、Ei和m之比，iEm是反映岩体各

21、向异性的重要参数，必须保证其相似。 l4、及岩体应力应变关系曲线的线型， 在线型上至少应能反映出凹型或凸型的差 别。 l5、如果进行破坏试验，还应考虑岩体强 度性能的相似。 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 l地下洞室的开挖过程，实质上是一个应力释放的 过程。由于岩体是非均质的不连续介质，模拟应 力释放的过程是十分重要的。应力释放的相似包 括： l（1）开洞前初始应力场的相似和开挖过程相似， 这可以在整体模型的加载和开挖的工艺中得到实 现。 l（2）加载卸载条件下的应力应变关系及卸载应 力水平相近。由于成洞过程中，洞外各点有的呈 加载状态，有的呈卸载状态，且各点加载应力水 平不一，所以应进

22、行可能的各个应力水平下的加 卸载应力应变关系的试验，并应尽可能使之与 现场资料有较为良好的相关性。下图为两种模型 岩体的加载及卸载特性 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 l 模型试验的量测内容有位移、变形、 应力、裂隙的滑移及材料的屈服松动， 当模拟隧洞衬砌时，还要求量测衬砌上 的山岩压力。由于地质力学模型材料的 强度很低，粘贴电阻片很困难，因而量 测应力及应变时，必须使用特殊的测量 方法和测量元件，并应对测量元件进行 仔细的率定。在量测技术方面，着重介 绍常使用的位移量测技术

23、及压力量测和 屈服松动区测量技术： 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 l分为表面位移量测和材料内部位移量测 l表面位移量测的方法有： 1、悬臂式测位计 2、千分表 3、差动式位移传感器 4、激光或白光散斑位移量测 5、精密摄影位移量测 l内部位移量测有： 1、微型高精度多点位移计 2、光纤位移/应变传感器 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 l悬臂式测位仪的结构如图所述。主要部件 是一块宽11、厚0.5的磷铜片，在 其上粘贴片电阻丝片。采用全桥式联结， 用应变值来指示自由端的位移，率定表明 线性是良好的。由于磷铜片的起始零点难 以固定，在每次使用仪器以前，都要率定。 第4讲地下结构工程地

24、质力学模型 试验 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 l值得指出的是近年来利用激光或白光散斑 法量测位移及变形的技术得到了发展。 l白光散斑法是利用被测表面制造人为散斑 场，附着在被测物的散斑场跟随被测物表 面一起运动，将变形前后散斑场的运动通 过摄影记录在底片上，再在光学分析系统 中将不同方向的位移分量分离出来，获得 全场位移信息。 l白光散斑法具有非接触测量，精度较高， 可获得全场变形信息。可在室内自然光下 量测等优点，并且可进行三维应力，局部 应力集中，裂纹尖端变形场，裂纹扩展等 方面的测量。 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 l但由于架设光源和摄影机的要求，在量 测范围上受到限制，也不够方便直观， 且不能起现场监督作用，所以，还有一 些问题，有待进一步的研究和解决。然 而它仍不失是一种具有较大潜力和效果 良好的量测技术。 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 第4讲地下结构工程地质力学模型 试验 l压力测力计（压力盒） l它由一个电容传感器组成，每一个传感器是一 个振荡回路的一部分。当测力计上的荷载变化 时，电容传感器的频率发生变化，转换成电压 变化而被记录下来。率定时，把一块固体的模 型材料放在一个柔软的塑料袋中，测力计和模 型材料贴在一起，然后把散体材料倒入袋