地质力学模型试验的研究现状与发展趋势

西北水资源与水工程　第七卷　1996年　第二期

W ater　R esources　&　W ater　Engineering

地质力学模型试验的研究现状与发展趋势

杜　应　吉

(水利部西北水科所)

提 要

综述了目前国内外地质力学模型试验的研究现状,重点介绍了该模型的特点、各参数的选择及存在的问题,并分析探讨了其发展趋势。

关键词:　地质力学模型　相似原理　模拟

1　地质力学模型的产生

众所周知,传统的静力学模型试验,如线弹性结构模型试验,是研究在线弹性范围内结构的应力与应变状态;而结构模型破坏试验及结构模型抗滑稳定试验,则分别研究上部结构物的超载破坏和地基软弱面对上部结构的影响,为了研究地基与其上部结构相互作用下的结构及地基的破坏机理,就产生了地质力学模型。它本质上属于弹塑性结构模型破坏试验。

近代由于生产及科学技术的发展,愈来愈多的建筑物需要修建在具有复杂地质构造的岩基上或岩体内,如大坝、厂房、地下洞室等。这类建筑物抗滑稳定性,地下结构的围岩稳定,基础变形对建筑物结构的影响等,都是地质力学模型所研究的对象。

地质力学模型主要研究模拟岩体的断层,破碎带、软弱夹层等不连续构造对结构的应力分布和变形状态的影响及岩体稳定和工程安全问题。它着重研究结构超出弹性范围以外的性能,故仅考虑一次加荷效应;它不仅限于已知荷载条件下的某一状态,更重要的是研究在渐增荷载作用下直至破坏的整个变化过程,这就是地质力学模型与其它模型的区别所在。值得指出的是,随着试验量测技术的发展,地质力学模型试验中的一些研究课题,已由定性阶段进入定量阶段。

地质力学模型出现在六十年代,意大利结构模型试验所(IS M ES)成功的进行了多项地质力学模型试验;目前在国际上南斯拉夫、独联体、葡萄牙等国家也在广泛开展这方面的试验研究工作。

我国在七十年代中后期,有一些科研单位及高等院校相继开展了这方面的研究工作。目前国内进行地质力学模型试验研究较深入的有:长科院、清华大学、水科院等。

2　地质力学模型的设计原则和原理

2.1　设计原则

在坝工实践中所遇到的岩体是一些各向异性和非连续性介质,有断层、裂隙、破碎带、软

弱夹层等不连续构造。在进行地质力学模型设计中应能反映出岩体的非均匀性、非弹性及非连续、多裂隙体的这些岩石特征。同时,模型的几何尺寸,边界条件及作用荷载、模拟岩体的模型材料容重、强度及变形特性等均应满足相似理论的要求。

地质力学模型的设计原则归纳起来有以下几点:

(1).由于模型试验不可能也不必要将所有的地质构造复制下来,因此地质力学模型应着重模拟主要不连续构造,至于那些次要的不连续面,如节理、裂隙等,除非它们形成明显的各向异性,需单独考虑外,一般应在岩体性质中加以综合考虑。

(2).连续和非连续介质的复合体。从整体看,岩体是非连续介质。因为它被许多不连续结构面划分为若干不同力学性质的不规则块体;但是从每个不规则块体来说,又是连续、均质的,如果应力不超过弹性极限,则亦可认为是弹性的。总之,地质力学模型以弹塑性力学理论为基础,同时又考虑不连续面的客观存在。

(3).块体的不规则性。由于断层、破碎带等的几何多样性,因此模拟的块体也是形态各异的。

(4).考虑最不利因素的原则。由于岩体本身的复杂性,要了解岩体所有的力学性质资料是不可能的。既使现场原型观测,也由于岩体本身的材料性质不稳定,受外界条件的影响,使试验数据也有很大的变化。因此在模型模拟时的条件绝不能比原型更为有利,而只能代表最不利情况。

2.2　设计原理

地质力学模型与其它类型模型试验一样,要求满足原型与模型的相似规律。它必须满足:模型的几何尺寸,边界条件,荷载及模型材料的容重、强度及变形特性方面的相似。

模型和原型在弹性应力状态、弹塑性应力状态、破坏状态均应符合相似条件。

(1).满足正常的结构试验相似条件。即:

附图　原型及模型应力——应变曲线 C Ε=1

C Λ=1

Χm Χp

=C L C E (2).满足模型与原型的应力——应变关系

曲线完全相似。如附图中:

ΡA Ρ′A =ΡB Ρ′B =ΡC Ρ′C

=C Ρ(3).满足模型与原型的强度相似。即:

(Ρp Ρm )压=(Ρp Ρm )拉=(Ρp Ρm

)剪=C E 从试验中可知,要完全满足以上相似条件

很困难。对于地质力学模型试验由于它属于破

坏试验,故对强度相似的要求较严格。3　地质力学模型试验的研究现状

地质力学模型根据它们的特点可分为以下种类:(1).按模型试验的性质可分为:平面或

三维空间地质力学模型。

(2).按模型模拟的详略分:大块体和小块体地质力学模型。

(3).按模型的制作分为:现浇式或预制块拼装式。一般三维地质力学模型为预制小块体模型,而深层地基模型为平面地质力学模型。

3.1　地质力学模型材料的选择

地质力学模型试验为了真实地模拟岩体的性能,须具有高容重、低强度、低弹模的性质。为了达到上述目标,一些单位作了多种配比、多种原料成分的模型材料试验。起初,一般多用铅粉、铁粉,由于铅粉有毒,而铁粉的收缩性强,价格较贵,性能不稳定。通过多种类型材料组合的试验对比,认为以重晶石为加重料,石膏为胶结料,以淀粉为外加剂,以甘油为保水剂的地质力学模型材料较好。此类材料的调整幅度大,能模拟完好坚硬岩石和破碎断层带,其加工性能好,能做成小块体模型。经过结合生产试验进行地质力学模型材料试验研究,获得了满足高容重、低弹模、低强度,Υ=35～45°的模型材料。

3.2　摩擦系数f的模拟

不连续面上摩擦系数的模拟,根据相似原理,要求C f=1,C c=CΡ。即原型岩石层面间的摩擦系数应与模型相同。凝聚力相似常数应等于应力相似常数。

国外在模拟摩擦系数时,多采用清漆掺润滑脂及滑石粉等于层面间,这种方法可获得较大幅度(f=0.1～.0)的不同f,但由于温度变化及喷涂工艺对它们的性能影响,成果离散度大,稳定性差。

国内华北水院等单位曾采用不同光滑度的纸张来模拟夹层摩擦系数,效果不错。但由于纸张易吸潮,故在潮湿环境下所得摩擦系数不稳定。长科院、清华大学等单位用腊纸、塑料薄膜等来模拟夹层摩擦系数,效果较好。

3.3　模型比尺的选定

与其他模型试验一样,地质力学模型比尺的选取是十分重要的,因为它直接影响材料的强度性质及经济、加工方便与否。从相似比关系CΡ=C L C r=C E可知,上述的四项中只要定出其中两项,便可以从相似判据中得出其余两项。通过计算比较,当C L太大时,要求的模型材料的强度和弹模太低,且加工组装较困难;而当C L较小时,模型材料的强度较易满足,且加工较为方便,量测仪器也好布置,精度比较高。

因为受模型材料性质及加工性能的限制,地质力学模型的比尺(习惯为1 C L)一般较其它模型为大。国外目前地质力学模型比尺一般都在1 80～1 150,规模较大。国内的模型几何比尺多为1 150～1 200。

3.4　地质力学模型材料弹模的测试

在进行地质力学模型试验中,为了得出模型材料的性质,弹模的测试是必不可少的。但是由于地质力学模型材料的强度低,弹模低,电阻片不易贴牢,或因电阻片粘胶的刚化作用,使所测得的应变值过小。我们曾试验用千分表量测弹模,但结果证明误差较大。这样,关于地质力学模型材料的测试被认为是一个尚未解决的问题。

我们在这方面进行了研究。在加工好的试件表面均匀涂上一层乙基纤维素胶,范围要比电阻片略大,待干燥后,再按常规方法仔细操作,是可以贴牢的,关键是工艺要求高。

清华大学水利系为了量测低弹模材料的E、Λ,已试制出了电测应变环。通过应用,效果较好。