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摘要：当前，大型地下洞群所处的地质环境愈加复杂，尤其是在深埋、高地应力条件下，洞群围岩的稳定性状况、破坏形态和破坏机制等问题急需解决，而地质力学模型试验是解决这类问题的主要研究方法。该文主要分析了模拟材料、组合式模型试验装置、量测技术等问题，并介绍了模型试验的工程应用。
关键词：地质力学 模型试验技术 工程应用
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，主要用来研究各种建筑物及其地基、高边坡及地下洞室等结构在外荷载作用下的变形形态、稳定安全度和破坏机理等。2l世纪是中国工程建设快速发展的世纪，水利、水电、能源、交通等大型工程的开发已成为我国经济建设的重点。对这些复杂的问题，一方面要借助理论分析、计算机数字模拟方法去研究；另一方面，更多地要借助地质力学模型试验手段来解决。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 模型材料
根据相似理论，模型的几何尺寸、边界条件、荷载及相似材料的容重、强度及变形特性等方面必须与原型相似。一般根据要研究问题的性质，寻找满足主要参数相似的材料。例如，对于沿夹层滑动的稳定问题，夹层材料的相似性必须严格满足，而岩体的某些材料参数的相似性可以适当放宽。
目前国内外最常用的是采用石膏、重晶石粉、石英砂等材料配合而成的，具有代表性的是韩伯鲤等研制的MSB材料和马芳平等研制的NIOS相似材料,这2种材料都具有较好的性能,但都具有不足的地方。酒精易于挥发，干燥时间短，可缩短试验周期；没有任何毒副作用，不会对人体造成伤害：压制成型的砌块易于切割，能满足模型拼装砌筑的工艺要求；容重高、抗压强度和弹性模量低；性能稳定，不生锈，有很高的绝缘性；由于各种材料拌和后未产生化学反应，因此试验后的材料可重复使用，提高了材料的利用率和使用寿命等优点。
2 组合式模型试验装置
2.1组合式试验台
张强勇等研制的组合式三维模型试验装置，采用分体式设计，其主要由底盘、箱体、加载系统组成(见图1)。其中，钢台架体由盒式铸钢构件通过高强度螺栓连接组合而成，而盒式铸钢构件采用25 Mn材料在铸造钢厂一次制模整体铸造而成。钢台架底盘由8块长250 cm、宽50cm、厚8 cm，其上带有螺栓槽的型钢钢板并列拼接而成。另外，在隧洞部位，采用具有隧洞尺寸形状的箱体拼装，可并且采用钢化玻璃覆盖，这种设计即保证了模型的侧向刚度，又可在试验过程中可以观察到隧洞的破坏部位和形状。
1——底盘；2——盒式台架；3——引线透气孔；4——连接螺栓；
5——高强拉杆；6——刚肋；7——隧洞模型；8——钢化玻璃
图1 新型模型试验装置
该模型试验台具有刚度大、整体稳定性好、组装灵活方便、尺寸可任意调整的特点，箱体根据不同的试验要求组合成不同的形状和尺寸。液压加载系统的油管和测试导线易于引出，材料容易干燥。
2.2液压加载系统
采用的液压加载控制系统可实现自动控制液压，并能长时间的(至少15d)保持设定的压力值。该系统主要由液压控制台、41个吨位为300 kN的液压千斤项、高压油泵、油箱、液压排气系统、液压传感器等组成。模型项面模拟垂向重力荷载、左右两个水平方向模拟梯级加载，各设5个千斤顶；底座与模型之间设有10个液压千斤项；洞室轴线方向的4个梯级荷载在背面共设有16个千斤顶。此项模型试验系统已申报国家发明专利。（见图2）
图2 加载装置系统
3 量测技术
模型试验一般测量的数据为应变和位移。模型变形测量方法大体可归纳为3类：机械法、电测法和光测法。计算机技术和自动化技术的应用保证了试验结果测量的自动化和可靠性。
实验力學发展最快的领域是量测和数据采集技术，每一项新的量测技术的诞生都会推动实验水平的提高，地质力学试验技术同样如此。模型观测的主要内容为应力、应变、位移、裂缝和破坏形态，测量的主要方法有电阻应变片和应变仪、 位移传感器、激光散斑、云纹、摄象录象等。在三维模型中，地质构造（如断层或夹层）内部相对位移的测量十分重要，而内部位移传感器并没有现成的产品。长江科学院研制出一种高精度位移计，采用等强度梁的结构形式，用厚的磷铜片制成，在梁上、下部共贴 片电阻片，组成全桥电路，使用时将其埋设在构造面的下盘，其上埋一个固定桩，这样就可以测量结构面上、下盘的相对位移。在数据采集技术上，目前已实现自动采集、实时监测和自动绘图等全自动化流程。
4 模型试验的工程应用
4.1大坝坝基抗滑稳定问题
对于大坝基岩抗滑稳定，尤其是深层抗滑稳定问题，地质力学模型可以比较全面地模拟地质构造及其组合，在加载过程中可以直接观测到地质构造的变形及对大坝的影响、坝基破坏的路径和超载安全度，尤其对于地质构造沿坝轴线方向有视倾角的三维问题，用模型试验更有优势。例如，葛洲坝二江泄水闸抗滑稳定、 三峡左厂房坝段整体稳定和铜街子厂房坝段稳定等问题都通过地质力学模型进行过大量的研究。
4.2拱坝坝肩抗滑稳定问题
拱坝坝肩稳定问题是典型的三维问题，尤其是存在复杂的地质构造和地形形态时，模型试验有着不可替代的优点，它可以直观地展现出坝肩岩体在拱推力作用下的变形和破坏过程以及大坝超载安全度。国内大多数大中型拱坝都采用模型试验方法研究坝肩稳定问题，象龙羊峡、清江隔河岩、二滩、小湾、东风和李家峡等工程的拱坝。
4.3边坡开挖和稳定问题
用试验方法可以比较方便地研究边坡在原始地应力作用下开挖卸荷作用， 也可以通过改变边坡坡角的方法研究边坡抗滑稳定安全储备问题。例如在三峡永久船闸开挖边坡、 清江隔河岩厂房高边坡和三峡库区链子崖危岩体边坡等进行过这方面的试验研究。
4.4 地下洞室开挖及围岩稳定问题
地下洞室分级开挖、围岩稳定性、洞室群之间的相互关系及喷锚支护等加固措施的研究是地质力学模型试验的重要研究领域， 国内许多地下厂房或地下防护工程都采用过模型试验研究围岩稳定问题。
5结论
在模型材料方面，结构面相似材料大部分已解决，但结构体相似材料方面还有大量工作要做，还要寻找在保证重度和变形模量相似情况下，同时满足各项强度指标和应力应变关系的相似材料，只有这样才能模拟断裂、流变和强度破坏等材料非线性特性。对于大变形模型要发展非接触的测量装置并自动转换成数值信号。
参考文献：
[1]陈兴华.脆性材料结构模型试验[M]北京:水利电力出版社，1984
[2]龚召熊,郭春茂，高大水.地质力学模型材料试验研究[J]长江水利水电科学研究院院报,1984
[3]沈泰,邹竹荪.地质力学模型材料研究和若干试验技术的探讨[J]长江科学院院报,1984
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：地质力学 模型试验技术 工程应用
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，主要用来研究各种建筑物及其地基、高边坡及地下洞室等结构在外荷载作用下的变形形态、稳定安全度和破坏机理等。2l世纪是中国工程建设快速发展的世纪，水利、水电、能源、交通等大型工程的开发已成为我国经济建设的重点。对这些复杂的问题，一方面要借助理论分析、计算机数字模拟方法去研究；另一方面，更多地要借助地质力学模型试验手段来解决。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 模型材料
根据相似理论，模型的几何尺寸、边界条件、荷载及相似材料的容重、强度及变形特性等方面必须与原型相似。一般根据要研究问题的性质，寻找满足主要参数相似的材料。例如，对于沿夹层滑动的稳定问题，夹层材料的相似性必须严格满足，而岩体的某些材料参数的相似性可以适当放宽。
目前国内外最常用的是采用石膏、重晶石粉、石英砂等材料配合而成的，具有代表性的是韩伯鲤等研制的MSB材料和马芳平等研制的NIOS相似材料,这2种材料都具有较好的性能,但都具有不足的地方。酒精易于挥发，干燥时间短，可缩短试验周期；没有任何毒副作用，不会对人体造成伤害：压制成型的砌块易于切割，能满足模型拼装砌筑的工艺要求；容重高、抗压强度和弹性模量低；性能稳定，不生锈，有很高的绝缘性；由于各种材料拌和后未产生化学反应，因此试验后的材料可重复使用，提高了材料的利用率和使用寿命等优点。
2 组合式模型试验装置
2.1组合式试验台
张强勇等研制的组合式三维模型试验装置，采用分体式设计，其主要由底盘、箱体、加载系统组成(见图1)。其中，钢台架体由盒式铸钢构件通过高强度螺栓连接组合而成，而盒式铸钢构件采用25 Mn材料在铸造钢厂一次制模整体铸造而成。钢台架底盘由8块长250 cm、宽50cm、厚8 cm，其上带有螺栓槽的型钢钢板并列拼接而成。另外，在隧洞部位，采用具有隧洞尺寸形状的箱体拼装，可并且采用钢化玻璃覆盖，这种设计即保证了模型的侧向刚度，又可在试验过程中可以观察到隧洞的破坏部位和形状。
1——底盘；2——盒式台架；3——引线透气孔；4——连接螺栓；
5——高强拉杆；6——刚肋；7——隧洞模型；8——钢化玻璃
图1 新型模型试验装置
该模型试验台具有刚度大、整体稳定性好、组装灵活方便、尺寸可任意调整的特点，箱体根据不同的试验要求组合成不同的形状和尺寸。液压加载系统的油管和测试导线易于引出，材料容易干燥。
2.2液压加载系统
采用的液压加载控制系统可实现自动控制液压，并能长时间的(至少15d)保持设定的压力值。该系统主要由液压控制台、41个吨位为300 kN的液压千斤项、高压油泵、油箱、液压排气系统、液压传感器等组成。模型项面模拟垂向重力荷载、左右两个水平方向模拟梯级加载，各设5个千斤顶；底座与模型之间设有10个液压千斤项；洞室轴线方向的4个梯级荷载在背面共设有16个千斤顶。此项模型试验系统已申报国家发明专利。（见图2）
图2 加载装置系统
3 量测技术
模型试验一般测量的数据为应变和位移。模型变形测量方法大体可归纳为3类：机械法、电测法和光测法。计算机技术和自动化技术的应用保证了试验结果测量的自动化和可靠性。
实验力學发展最快的领域是量测和数据采集技术，每一项新的量测技术的诞生都会推动实验水平的提高，地质力学试验技术同样如此。模型观测的主要内容为应力、应变、位移、裂缝和破坏形态，测量的主要方法有电阻应变片和应变仪、 位移传感器、激光散斑、云纹、摄象录象等。在三维模型中，地质构造（如断层或夹层）内部相对位移的测量十分重要，而内部位移传感器并没有现成的产品。长江科学院研制出一种高精度位移计，采用等强度梁的结构形式，用厚的磷铜片制成，在梁上、下部共贴 片电阻片，组成全桥电路，使用时将其埋设在构造面的下盘，其上埋一个固定桩，这样就可以测量结构面上、下盘的相对位移。在数据采集技术上，目前已实现自动采集、实时监测和自动绘图等全自动化流程。
4 模型试验的工程应用
4.1大坝坝基抗滑稳定问题
对于大坝基岩抗滑稳定，尤其是深层抗滑稳定问题，地质力学模型可以比较全面地模拟地质构造及其组合，在加载过程中可以直接观测到地质构造的变形及对大坝的影响、坝基破坏的路径和超载安全度，尤其对于地质构造沿坝轴线方向有视倾角的三维问题，用模型试验更有优势。例如，葛洲坝二江泄水闸抗滑稳定、 三峡左厂房坝段整体稳定和铜街子厂房坝段稳定等问题都通过地质力学模型进行过大量的研究。
4.2拱坝坝肩抗滑稳定问题
拱坝坝肩稳定问题是典型的三维问题，尤其是存在复杂的地质构造和地形形态时，模型试验有着不可替代的优点，它可以直观地展现出坝肩岩体在拱推力作用下的变形和破坏过程以及大坝超载安全度。国内大多数大中型拱坝都采用模型试验方法研究坝肩稳定问题，象龙羊峡、清江隔河岩、二滩、小湾、东风和李家峡等工程的拱坝。
4.3边坡开挖和稳定问题
用试验方法可以比较方便地研究边坡在原始地应力作用下开挖卸荷作用， 也可以通过改变边坡坡角的方法研究边坡抗滑稳定安全储备问题。例如在三峡永久船闸开挖边坡、 清江隔河岩厂房高边坡和三峡库区链子崖危岩体边坡等进行过这方面的试验研究。
4.4 地下洞室开挖及围岩稳定问题
地下洞室分级开挖、围岩稳定性、洞室群之间的相互关系及喷锚支护等加固措施的研究是地质力学模型试验的重要研究领域， 国内许多地下厂房或地下防护工程都采用过模型试验研究围岩稳定问题。
5结论
在模型材料方面，结构面相似材料大部分已解决，但结构体相似材料方面还有大量工作要做，还要寻找在保证重度和变形模量相似情况下，同时满足各项强度指标和应力应变关系的相似材料，只有这样才能模拟断裂、流变和强度破坏等材料非线性特性。对于大变形模型要发展非接触的测量装置并自动转换成数值信号。
参考文献：
[1]陈兴华.脆性材料结构模型试验[M]北京:水利电力出版社，1984
[2]龚召熊,郭春茂，高大水.地质力学模型材料试验研究[J]长江水利水电科学研究院院报,1984
[3]沈泰,邹竹荪.地质力学模型材料研究和若干试验技术的探讨[J]长江科学院院报,1984
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。