地质力学模型试验方法与变温相似模型材料研究

研究新型地质力学模型材料是研究高坝和地基稳定物理模拟的关键技术问题之一,对高坝建设具有重要理论意义和工程应用价值.介绍地质力学模型试验新型模型材料--变温相似材料和试验方法,推导超载法、强度储备法和综合法的安全度公式,并阐述其物理意义.材料试验研究结果表明,变温相似材料的抗剪断强度、黏聚力和摩擦因数等力学指标随着温度的升高而逐步降低,与温度变化成反比关系;在模型试验中通过升高模型材料温度的方式来降低材料的力学指标,从而能在一个模型上实现强度储备法和综合试验法;温度场对试验变位结果影响约为6%,对应力结果影响为-6%～9%,且温度变化越小,其影响程度越小.该材料及其试验新技术已成功应用于锦屏一级和大岗山等高拱坝的地质力学模型试验,具有良好的应用价值和工程实用意义.     

地质力学磁力模型试验相似材料磁力特性研究

 地质力学磁力模型试验是利用电磁力(场)模拟重力(场)的原理来研究地质力学工程问题的试验方法。在模型中,时间t、几何尺度l缩小n倍、重力加速度g扩大n倍,而材料的其他基本物理力学参数的相似比均为1,从理论上说可以采用原型材料进行地质力学磁力模型试验,这在模型试验的操作上十分方便。磁性材料的磁力特性是磁力模型试验方法的关键。磁粉、土体、水在电磁场中表现出不同的电磁和磁力特性。磁粉材料的电磁特性由磁回滞曲线表示。磁性材料在电磁场中的磁力与磁场强度的梯度成正比。A–200磁粉在磁感应强度为563.2 mT,磁粉含量为40%时的最大磁力倍数为20.92,并发生于第二次加磁;C–180磁粉在磁感应强度为569.6 mT,磁粉含量为30%时的最大磁力倍数为23.94,也发生于第二次加磁,这2种磁粉均可考虑作为磁力模型试验的模型材料。     

新型组合式三维地质力学模型试验台架装置的研制及应用

根据岩体地质力学模型试验的特点,研制出一种新型组合式三维地质力学模型试验台架装置。该装置主要由台架体和台架底盘组成,其中台架体由盒式铸钢构件通过高强度螺栓连接组合而成,台架底盘由带有螺栓槽的型钢钢板并列拼接而成。通过底盘高强螺栓可将台架体与台架底盘在所要求的螺栓槽位固定,形成组合式三维地质力学模型试验台架装置。该装置在一大型分岔隧道三维地质力学模型试验中的具体应用结果表明,其具有结构新颖、刚度大、整体稳定性好、组装灵活方便、尺寸可任意调整并能满足不同规模模型试验要求的显著技术优势。     

千枚岩相似材料研制及模型试验初步应用

千枚岩是一种物理特性较差的软岩,对隧道工程影响较大,而目前关于千枚岩流-固耦合相似材料的研究较少.以砂、铁粉为骨料,水泥、石膏为胶结剂,橡胶粉为外加剂研制千枚岩流-固耦合相似材料,通过对相似材料的密度ρ、弹性模量E、粘聚力c、内摩擦角 ψ、渗透系数K、孔隙率ω和软化系数KP进行测定,分析各因素对材料参数的敏感度与显著度...     

地质力学模型试验技术应用研究

介绍了地质力学模型试验技术的新近研究成果，内容包括获国家科技进步一等奖的PYD-50三向加载地质力学模型试验装置、获国家科技进步三等奖的拉．压真三轴仪和YD-A型岩土工程多功能模拟试验装置等模型试验设备的主要功能、特点，并简要介绍了与上述试验设备配套使用的多项模拟试验技术研制情况，包括岩体介质材料的模拟技术、喷锚支护施工工艺过程模拟技术、岩体介质变形量测技术、模型平面变形控制技术、模型边界柔性加载与横向变形同步技术等试验技术及其在工程中的应用情况。     

石膏相似材料的模型试验

采用石膏材料制作模型,工艺简单、材料来源广、价格低廉,其材料与岩石的结构及破坏方式均类似,是一种较好的相似材料。本文着重研究了石膏的用量、水的用量、缓凝剂对石膏相似材料强度的影响,并找到了符合深部脆性岩体性能的石膏的优良配方。     

湿陷性黄土模型试验相似材料的研制

湿陷性黄土模型试验相似材料一直是地质力学模型试验相似材料研究的瓶颈,限制着湿陷性黄土地区模型试验的应用。采用空中自由下落法,通过大量配比试验,成功研制湿陷性黄土模型试验相似材料,该材料选用重晶石粉和砂作为无黏性材料,工业盐、石膏和膨润土作为黏结性材料,加水均匀拌合,润湿24 h后采用空中自由下落法制成试样,50℃恒温条件下烘干试样,模拟风成黄土的沉积方式和形成条件。通过湿陷试验,得到该相似材料具有和天然湿陷性黄土相似的湿陷特征,浸水产生强烈湿陷;通过直剪试验,得到该材料的强度参数也与天然黄土相似,而且可调节的容重范围广,是一种比较理想的湿陷性黄土模型试验相似材料。     

磁性岩土相似材料物理力学性能试验研究

地质力学磁力模型试验能够模拟实际工程中的复杂情况,从而确定现场中难以确定的问题。而磁性岩土相似材料与原型材料的力学性能参数是否相似,是地质力学磁力模型试验是否可靠的重要因素,为了保证模型试验结果的可靠性,需要对磁性岩土相似材料进行试验研究。由于岩土中岩体与结构面力学性能相差很大,将岩土相似材料分为岩体相似材料与结构面相似材料分别研究,选取铁粉、石英砂、粘土为岩体磁性相似材料,选取铁粉、重晶石粉、石膏为结构面相似材料。测量相似材料的密度、抗压强度、弹性模量、粘聚力、内摩擦角、泊松比等力学性能参数,研究材料含量与物理力学性能变化之间的规律,为地质力学磁力模型试验提供指导。     

多元地球物理综合探测模型试验相似材料的研制

研制地球物理模型相似材料是地球物理探测模型试验成功的关键问题。针对地震波场、电磁场与直流电场多场相似的难题,应用多元地球物理场相似性原理,通过正交配比试验,研发了一种多元地球物理场综合模型试验相似材料。该材料以粉质黏土、碎石为骨料,以水泥为胶结剂,材料波速为236~1 260 m/s,电阻率为27.2~342.8Ω·m。通过正交试验发现影响试件波速的各因素主次顺序为压实度>含水率>水泥/黏土>碎石/黏土,影响试件电阻率的各因素主次顺序为含水率>压实度>碎石/黏土>水泥/黏土,影响综合地球物理相似材料波速与电阻率显著的两个因素为压实度与含水率。最后,开展隧道施工综合地球物理超前探测模型试验,得到具体模型试验要求的相似材料配比。TRT偏移图像上的强反射界面,电阻率反演图像上的低电阻率异常区域,与工程现场探测实例具有类似的异常体响应特征,综合探测结果与实际模型异常体位置较为一致,表明研发的相似材料能满足模拟综合地球物理场探测的需要。     

采矿工程相似材料及模型试验研究

根据某矿工程地质条件,选用河砂、石灰和石膏为相似材料,进行了相似材料力学性质配比实验和平面物理模型试验。研究结果表明：所用相似材料能够反映原型材料力学性质;平面模型试验再现了综放工作面覆岩运动和破坏的情景,覆岩冒落过程与工程实际相符较好。     

地下工程流–固耦合模型试验新型相似材料的研制及应用

 依托青岛胶州湾海底隧道的现场勘探资料,应用地质力学模型试验的流–固耦合相似理论,通过大量的配比试验,研制出一种由砂、重晶石粉、滑石粉、水泥、凡士林、硅油和适量拌合水组成的新型流–固耦合相似材料(SCVO)。通过大量的室内试验,系统地研究不同配比对材料参数的影响规律,确定控制相似材料各性能的主要组分。试验表明,材料的强度和弹性模量主要由水泥和凡士林控制;黏聚力受凡士林影响明显;渗透系数可以通过凡士林和硅油的比例调节;硅油还可以起到保水、提高材料密实度的作用。材料的变形特性和水理特性由不同的成分控制,且相互间影响很小,实现材料性质的全面调控。该材料可以模拟不同渗透性的低强度和中等强度的岩体材料,是一种非常理想的流–固耦合相似模拟材料。并已成功应用于青岛胶州湾海底隧道的地质力学模型试验研究中,力学性能和水理特性均达到试验要求,为试验取得良好结果提供材料保证。     

地质力学模型试验新技术研究进展及工程应用

 介绍地质力学模型试验的研究进展,包括新型相似材料、组合式模型试验装置及应变、位移量测新技术。新型相似材料能更好地模拟工程岩体,且价格低、易干燥、可重复利用。研制的新型组合式模型试验台可自由组装、刚度大、整体稳定性好,液压加载系统可实现自动伺服控制和梯度加载。应变测试采用先进的高速静态应变采集分析系统和光纤测试技术,模型内部位移采用研制的光栅式微型多点位移计测量,隧洞表面位移采用内卡规、摄影测量和CCD激光位移传感器测量。上述测量手段具有自动化、高精度、受干扰小的特点,可得到更精确的试验结果。最后,以工程为例说明地质力学模型试验在分岔隧道研究中的应用。     

新型固流耦合相似材料的研制及其应用

 在固体模型材料研究的基础上,应用固流耦合相似理论,通过大量的配比试验,研制出一种新型的固流耦合相似材料(PSTO),这种材料用砂和滑石粉作为骨料,石蜡作为胶结剂,并配以适量调节剂混合而成。通过大量的室内试验,系统研究不同相似材料配比和装模温度对试件性能的影响规律,得到影响相似材料性质的若干因素。该材料的力学特性与岩石性质相似,且在水的作用下不发生软化,非亲水性良好,可模拟不同渗透性的低强度和中等强度的岩体材料,是一种非常理想的固流耦合相似模拟材料。将该材料应用于隧道涌水模型试验,可有效地揭示了位移、应力、渗压等多场信息的变化规律。     

岩石结构面力学原型试验相似材料研究

基于岩体结构面抗剪强度机制及相似材料的选择原则和要求,研制以高强水泥、硅粉、高效减水剂、标准砂、水等原料混合而成的模拟材料,并利用其制得的试样及结构面模型进行大量物理力学试验的对比分析,研究结果表明:相似材料的抗压强度与原岩结构面相近,调整不同混合材料的配合比,相似材料可以覆盖中低强度的岩石类型;利用相似材料及多尺度试样模具可制作与原岩结构面表面形态及起伏度近似一致的模拟结构面;利用模拟结构面代替原岩结构面进行直剪试验,模拟结构面表面的磨损程度、粗糙度系数衰减规律及破坏形式均与原岩结构面相似,且模拟结构面抗剪强度直剪试验结果与理论计算值相差不大;模拟材料具有物理力学性能稳定、制作方便、成本低廉的优点,可代替原岩结构面进行不同尺寸、可重复性的破坏性试验。     

山区地表移动的相似模拟实验研究

 将相似材料模拟实验应用于山区地下开采引起的地表移动问题的研究。以山西阳泉矿区某矿为地质原型, 制作了两个模型, 分别模拟相同地层条件下山地与平地受采动影响的移动变形情况。通过对模型的观测资料的分析与处理, 揭示了山区地表移动与变形的特点和基本规律。为解决山区采矿工程中建筑物保护问题提供了一定的科学依据, 对进一步研究适应于山区的地表移动预计方法具有参考价值。     

真三轴荷载条件下大型地质力学模型试验系统的研制及其应用

 为研究深埋、高地应力条件下地下洞群围岩稳定性,新研制大型真三轴加载地质力学模型试验系统,该系统主要由三维钢结构台架装置和液压加载控制系统组成,可实现全三轴应力状态下在侧向施加梯级荷载。在各加载面上研制和布设组合型滚珠式滑动墙,实现新型超低减摩技术。用该系统开展洞群开挖支护的模型试验,在试验技术和模型制作工艺上有了创新和重大改进：采用预制模块堆砌黏结成型的工艺方法制作模型,提高全模型在力学性能上的一致性;采用数字照相变形量测技术、基于光纤Bragg光栅的棒式位移传感器和新研制的高精度光栅尺型微型多点位移计进行围岩内变形量测;新研发施作注浆锚杆和预应力锚索的独到工艺技术;还开展大埋深条件下的超载试验,观察到围岩破坏的发展过程,试验结果还与数值分析进行对比。研究的方法技术及结果将对类似工程研究有一定的指导和借鉴意义。