FAST岩土工程模型实验简介

FAST岩土工程模型实验简介

朱彦1，唐韬1 ，王馨语2

（1. 贵州省建筑工程勘察院，贵州 贵阳，550003；2.贵州大学 资源与环境工程学院，贵州 贵阳，550003）

摘要：FAST台址区广泛分布大量岩堆，如何解决台址开挖过程中岩堆的稳定性，是关系到FAST工程安全稳定运营和台址开挖投资控制的关键。我们在岩堆现场调查的基础上，通过岩土工程模型试验，探索验证喀斯特洼地岩堆的特有性质，并对不同支挡方式的稳定性和工作性能进行实验和分析，为FAST台址区岩堆的治理设计提供依据。

关键词：FAST；岩堆；验证；模型实验

0 前言

FAST射电天文望远镜拟采用我国科学家独创的设计和我国贵州南部的喀斯特洼地的独特地形条件进行建设，台址位于贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县克度镇金科村大窝凼，为典型的喀斯特洼地。

该洼地现堆积有大量岩堆（见图1），厚度大、稳定性差，如何解决FAST台址开挖过程中岩堆的稳定性，是关系到FAST安全稳定运营和台址开挖投资控制的关键。我们在岩堆现场调查的基础上，采用岩土工程模型实验的方法，探索和验证洼地岩堆特有的性质，并对不同支挡方式的稳定性和工作性能进行实验和分析，为岩堆的治理设计提供依据。

图1 FAST台址区典型岩堆照片

1 实验目的和内容

1.1 实验目的

验证“类谷仓效应”、“自锁效应”和FAST开挖支护结构的稳定性，确定支护结构的工作性能。1.2 实验内容

1、岩堆稳定趋势分析（“类谷仓效应”）实验

2、支挡工作效应模拟实验

3、完整性壳体结构在FAST洼地工作效应实验

4、完整性结构支护开挖方案实验

2 实验原理

本实验是根据相似理论，用适当的比例(1:1000)和相似材料制成与原型几何相似的实验对象，在模型上施加相似力系(或称比例荷载)，使模型受力后重演原型结构的实际工作，最后按照相似理论由模型实验结果推算实际结构的工作。本实验的设计正好能够满足几何相似、力学相似和材料相似的要求，即相当于真实结构的一种缩影。

该模型实验中，用塑料帆布和瓦楞纸来模拟洼地基岩界面。由于洼地岩堆分为两层，在此实验中，用一定量的方解石来模拟上一层的松散岩堆，下部一层用体积比例为15：4：3的方解石、标准砂和石膏混合来模拟密实岩堆。

图2 FAST实验模型剖面示意图及洼地

地形平面图

3 实验材料

台架（1.0×1.0×1.0m)一个、有机玻璃圆筒（d=1.0m,h=0.4m）一个、塑料帆布一张、普通白纸若干张、硬纸板若干、标准砂、石膏、方解石、三合板（中心有一直径0.08m的圆孔）一张、铝合金材料若干（截面0.03×0.03和截面0.02×0.02m）、铁钉、铁丝、吸管、钳子、剪刀、小铁铲、塑料盆等。

4 实验方法

根据勘察剖面图，选取12个环形对称剖面（如图2），将硬纸板按一定长度比例裁剪成与洼地表面形态相似的剖面，然后按照对应的方向组接成近似连续表面形态，其形态控制着整个洼地的表面形态。再将瓦楞纸均匀地铺在帆布之上，组成岩堆与下部基岩的接触面（如图3）。

图3 FAST模型实验基座、骨架结构图

实际密实岩堆厚度为2-60m，松散岩堆为0-10m，在模型设计中，由于较难满足岩堆厚度变化条件，因此在模型设计厚度分别取为4cm和2cm。

根据密实和松散岩堆的厚度值，将准备好的模拟岩堆材料按厚度变化堆于模拟基岩的表面（如图4）。

图4 FAST模型实验地表形状模型

5 FAST岩土工程模型实验

5.1岩堆稳定趋势（“类谷仓效应”）分析实验

5.1.1 实验目的

FAST岩堆的具有岩溶洼地的特殊性，与一般意义的岩堆不一样，在重力作用下，受洼地地形控制，有侧向约束，形成一个整体的闭合圈（如图5），具有类谷仓现象。通过模型来模拟FAST洼地地质体（地质结构和地质界面），根据休止角原理验证岩堆在其所处的自然条件下，是否能处于稳定状态。

图5 FAST洼地地质剖面图

5.1.2 实验原理

该模型实验是讨论岩堆的接触形态（点、线、面接触）与稳定性的关系；明确休止角是岩堆的形态属性；当岩堆堆床下有释放空间时，研究岩堆的非稳定趋势。

5.1.3 实验过程

将制作完成的实验模型准备就绪，将模型基座底部圆形木片缓慢抽出，观察模拟岩堆的稳定情况，记录实验过程和现象，同时进行拍照记录。

5.1.4 实验结论与分析

结论：岩堆的基岩与岩堆接触面、密实岩堆和松散岩堆的分界面均是稳定界面。岩堆滑动的趋势面并不是稳定界面，而是因为受洼地地形影响，在重力作用下由岩堆的天然休止角所控制。即结论遵循“类谷仓原理”（如图6）。

图6 “类谷仓效应”实验过程图

5.2 支挡工作效应模拟实验

5.2.1 实验目的

验证不连续结构体（挡墙）在FAST洼地的工作效应。

5.2.2 实验原理

不连续结构（挡墙）在支护松散介质体时，没有维持整体结构稳定性的能力。

5.2.3 实验准备工作及过程

根据比例和相似性原理用长为3cm，高为2cm的层和板模拟设计挡墙，使其插入模型高9.2cm岩堆处，插入深度为挡墙高度的2/3。然后将小铁铲插入模型挡墙下距挡墙0.5-1cm处，沿支护面往下挖，观察挡墙模型及其上部岩堆是否向下垮塌。

5.2.4 实验结论与分析

图7 不连续挡墙开挖下一级时对挡墙的影响图

实验时，观察到在第一级模挡墙下部开挖后，挡墙及其上部岩堆出现了明显的垮塌现象（如图7）。此时，验证了不连续结构挡墙不具备完整性结构的自锁效应，不能维持松散结构体的整体稳定性，也即在此种地质结构条件下，不能采用不连续挡墙的支护设计方案。

5.3 完整性壳体结构在FAST洼地工作效应实验

5.3.1 实验目的

验证完整性壳体结构在FAST洼地支护中的稳定性和该方法的可行性。

5.3.2 实验原理

根据结构力学原理，壳体网状结构具有很好的自稳性能，当将这种稳定结构置于不稳定介质结构中，利用其自身的稳定性来维持不稳定介质的不稳定性，从而便形成了一种"自锁效应".,保持了整体结构稳定性。

5.3.3 实验准备工作

（1）制作完整结构。

FAST开挖球冠面直径为600m，实验模型的球冠面设计直径为0.6m。根据几何相似常数求取公式可得该模型的几何相似常数。水平方向采取的比例尺为1:1000，竖直方向采取的比例尺为1：500。

（2）装置尺寸设计

根据设计方案，FAST洼地开挖分为十三级，每一级高为10 m，第一级用矮挡墙支护，第二级至第七级采用护面墙支护，从八级至十三级采用圈梁加劲梁（壳体结构）的支护方案。十三级的圈梁半径为

250m。

该实验模型主要是模拟整体支护结构的工作效应，因此该模型只设计了八级至十三级圈梁半径的尺寸。

根据几何相似计算得到R13m的半径为：

R13m=R13p×S l=250m(模型相当于25cm)；

级与级间的间隔距离为：

Lm(2-3)=10m（模型相当于5cm）

由此可以计算得到：

R12m=240.3m(模型相当于24.03cm)

R11m=235.1m(模型相当于235.1cm)

R10m=226.5m(模型相当于22.65cm)

R9m=217.2m(模型相当于21.72cm)

R8m=206.9m(模型相当于20.69cm)