地质力学模型试验技术的进展

发布时间：2016-12-15 15:50

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第18卷第5期2001年10月长　江　科　学　院　院　报

JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstituteVol.18No.5Oct.2001

　　文章编号:100125485(2001)0520032205

地质力学模型试验技术的进展

沈　泰

(长江水利委员会,湖北武汉　430010)

摘要:根据长江科学院20多年来地质力学模型试验的经验和国内外的发展现状,分别从相似原理、模型材料选择、关键模拟技术和在不同工程地质问题中的应用等方面介绍了地质力学模型试验技术的特点及发展趋势。认为地质力学模型试验技术应向深度(即模拟和量测技术)和广度方向发展,在发现新的力学机理和验证数学模型等方面有广泛的应用前景。

关　键　词:地质力学模型;相似关系;试验技术;地质构造;稳定安全度中图分类号:TV321　　　文献标识码:A

　　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。根据它们的特点可分为:(1)按模拟范围大小,分为地壳构造机理模型和工程地质力学模型;(2)按维数,分为二维和三维模型,二维模型中又可分为平面应力和平面应变模型;(3)按制模方式,分为大块体和小块体,或现筑式和预制式模型;(4)按试验性质,分为应力模型、强度破坏模型和稳定模型。这些模型可定性或定量地反映天然岩体受力特性和与之相联系建筑物的相互影响,可与数学模型相互验证。尤其重要的是它可以比较全面真实地模拟复杂的地质构造,发现一些新的力学现象和规律,为建立新的理论和数学模型提供依据。与数值方法(如有限元方法)相比,它们比较直观,可以在一个模型中模拟较多地质构造和较复杂的建筑物,而避开了数学和力学上的困难,将模型加载到完全破坏。

从本世纪初,西欧一些国家就开始进行结构模型试验,并逐渐建立了相似理论。60年代,以E.Fumagalli[1]为首的专家在意大利结构模型试验所(ISMES)开创了工程地质力学模型试验技术,试验研究范围从弹性到塑性直至最终破坏阶段。随后,葡萄牙、前苏联、法国、德国、英国和日本等国也开展了这方面的研究。在国内,从70年代开始,长江科学院、清华大学、河海大学、中国水利水电科学研究院、华北水利水电学院、武汉水利电力大学等单位,结合大型水利工程中坝基或坝肩稳定问题先后开始

收稿日期:2001205221

试验研究,如对葛洲坝、龙羊峡、三峡、铜街子等工程出现的抗滑稳定问题进行了大量的试验工作,取得了一大批研究成果[2～8]。本文结合长江科学院20多年来的工作经验,论述地质力学模型试验的发展现状、特点及发展趋势。

1　相似原理

根据弹性力学方程或量纲分析方法可以推导相似判据。由平衡、几何、物理及边界条件方程可以推出线弹性问题基本相似判据为

σδ

=1,=1,CLCCρεCL

εC=1,C=1,式中Cμ=1,σ,CL,Cρ,Cδ,Cε,CCσσCE,C几何、体力、位移、应变、μ和CS分别为应力、

弹性模量、泊松比和面力相似常数,8个系数,5个判据,只要选定3个,其它系数就可以确定。对于地质力学模型,除要满足上述5式外,还要求Cε=1和材料的各项强度指标相似常数一致。Cε=1要求原型与模型的应力应变曲线和莫尔强度包线相似。

2　模型材料

研究满足相似关系的模型材料是地质力学模型试验最主要的内容。要找到完全相似的模型材料十分困难,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

作者简介:沈　泰(19462),男,江苏常州人,长江水利委员会教授级高级工程师,主要从事水工结构试验研究.

材料参数的相似性可以适当放宽。表1为常用结构

体材料,一般以某种胶凝材料为粘结剂,重晶石粉、石灰石粉、铁粉、膨润土等为集料,通过压制、浇筑或现场夯实形成模型材料。表2为常用夹层模拟材料,一般采用各种薄膜和润滑材料及其组合进行模拟,在北方干燥地区,还可以用各种纸张模拟夹层。

表1　常用模型材料及主要参数Table1　Conventionalmodelmaterialsand

theirprimaryparameters

材料成分变形模量重度抗压强度

E/MPaγ/kN?m

-3

/MPa特　点

石膏、水、重晶石粉、石灰石88.3～20.5～0.064～

浇模成型,

粉、甘油

411.9

21.00.177

可贴片,重

度偏低

石腊油或机油、重晶石粉、35.3～27.0～0.037～

氧化锌、松香、110.228.00.122

压模成型

酒精

水、重晶石粉、100.4～28.5～0.102～

压模成型,

膨润土401.129.60.314

适用于干

燥环境水泥、水、膨润283.2～27.1～1.079～

压模成型,

土、机油610.228.32.601

短期受龄

期影响

浮石、重晶石

粉、水、甘油、

245～

23.0～0.39～环氧

1127

24.01.27

压模成型

水、石膏、铅196～19.6～0.196～

粉、铁粉1833

35.7

1.53

压模成型

加膜铁粉、重晶石粉、松香、---压模成型

酒精

表2　夹层模拟材料

Table2　Sandwichsimulationmaterials夹层材料保护层材料涂　料

摩擦系数

锡箔(光面)与

二层聚乙与电化铝(顺纹)一层聚乙MoS20.20电化铝(顺纹)与一层聚乙与电化铝(顺纹)一层聚乙MoS20.22电化铝(顺纹)与一层聚乙与电化铝(顺纹)一层聚乙MoS20.25锡箔(光面)与二层聚乙与电化铝(顺纹)一层聚乙-0.32锡箔(光面)与聚脂薄膜二层聚乙

-0.35聚脂薄膜与聚脂薄膜--0.37聚脂薄膜与重晶石材料-

-

0.40聚乙烯薄膜

一层聚乙与

一层聚乙

0.52

3　模拟技术

地质力学模型并不是简单地复制原型,而是抓住主要问题进行模拟,以下是几个典型的模拟技术。3.1　各向异性材料的模拟

沉积岩体中一方面由于岩层不同,或构造使岩层的倾角不一致,或者裂隙发育的方向不一致等都会造成弹性模量的各向异性。如长潭坝基中有一组倾角为60～75°的裂隙特别发育,使得垂直于裂隙方向的岩体综合弹模只有平行方向的5/9,因此在模拟时必须加以考虑;通过概化,确定了要模拟的裂隙间距,并在裂隙面中夹进若干层聚乙烯薄膜,有效地降低了垂直于裂隙方向的综合弹模。另一方面,压模成型的材料往往本身带有一定的各向异性(10%～30%),若在砌模时纵横交错地排列,在整体上可视为各向同性;若按相同的方向排列,则又可自然形成一定程度的各向异性,可以模拟两向弹模相差不大的情况。3.2　结构面的剪切刚度及粘结力c值的模拟岩体结构中对层面抗剪特性的模拟是地质力学模型试验中另一个重要的问题。抗剪特性主要包括摩擦系数f值、粘结力c值及剪切刚度Ks值。对f值的模拟早已引起人们的重视,本文不作赘述。层面的c值经常被留作安全储备,在模拟中不予考虑,这对于层面粘结力c本来就接近于零的软弱夹层(如葛洲坝二江泄水闸)作这样的处理是允许的。但在另一情况,如三峡左岸厂房坝段坝踵附近有两条缓倾角裂隙,其部分连通率为14%,大坝沿缓倾角裂隙面滑动,首先要剪断裂隙不连通处的岩石,于是必须对裂隙不连通处的内摩擦角和c值进行模拟。层面剪切刚度Ks值的模拟,ISMES采用经验公式,取某一正应力作用下剪应力2剪位移曲线(τ2u曲线)上下峰值的50%处相对应的剪应力与剪位移之比为剪切刚度。即Ks=τp/up。不同的正应力n一般都对应于不同的Ks值。

在铜街子枢纽各坝段中普遍存在缓倾角层间错动带C5,其f值为

0.25,原型σn2Ks曲线为Ks=0.7143σn+2,在模型

中对C5的摩擦系数和剪切强度都做了仔细的模拟。3.3　建基面或岩体不连续层面渗透压力的模拟扬压力对水工建筑物的稳定和应力有重要影响,模拟时,扬压力中的浮托力部分应作体积力,一般在重度设计时予以考虑,层面渗透压力往往是要模拟的。如果在层面上施加渗透压力,而不考虑层

σ

面f值对抗剪强度的影响,则比较容易解决;如果要同时模拟f值和渗透压力,模拟技术就十分复杂。ISMES在伊泰普大坝模型试验中曾经用充气砂袋来模拟层面的渗透压力,用砂与砂之间的滑动来模拟层面的f值,试验获得了成功。长江科学院曾用一种气压袋来模拟渗透水压,并在铜街子厂房坝段地质力学模型试验中得到应用。3.4　地应力的模拟

边坡或地下洞室开挖问题经常需要模拟地应力,地应力实际上是体积力,可以在离心机中直接模拟,但模型比较小。一般在离研究区域一定范围内采用面力模拟,面力作用位置应该不影响开挖部位的应力应变状态,面力可以采用气压、千斤顶等方法施加。

4　量测技术

实验力学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。由于地质力学模型材料变形模量比较低,只有在修正刚化影响的基础上才能计算应力,所以位移是主要测量内容。外部位移可以采用各种类型的位移传感器测量。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0.5mm厚的磷铜片制成,在梁上、下部共贴4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[8]。

5　应用领域及实例

表3是长江科学院近20年来用地质力学模型试验研究的主要工程实例,对于每一个工程问题往往进行了不同方案的比较,如铜街子工程先后做了10多个模型。地质力学模型试验可以用来解决许多工程实际问题,目前主要包括以下几个方面。5.1　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

表3　长江科学院进行的主要地质力学模型试验Table3　MaingeomechanicalmodeltestsconductedbyYRSRI问题分类

工　　程研究特点葛洲坝二江泄水闸沿坝基缓倾角抗滑稳

定

广东长潭空腹坝坝基岩体各向异性及强度破坏问题彭水大坝坝基及深层抗滑稳定问题

铜街子厂房坝段坝基深层抗滑稳定、加固措施及优化研究河北岗南水闸坝基深层抗滑稳定及坝基问题

加固措施三峡左岸厂房坝段

坝基深层抗滑稳定三峡溢流坝段坝基抗滑稳定问题观音阁工程岸坡坝整体稳定及强度破坏段

问题

大河口水电站空腹坝

坝基稳定及破坏稳定三峡升船机上闸首整体抗滑稳定问题江垭厂房坝段坝基稳定天生桥一级电站坝基破坏机理清江隔河岩重力拱坝

坝肩稳定及加固措施坝肩问题

构皮滩拱坝

整体稳定性方竹双曲拱坝坝肩整体稳定性江口拱坝

整体稳定性三峡永久船闸高边坡

边坡开挖及破坏机理边坡问题

隔河岩厂房高边坡边坡稳定,开挖对稳定的影响链子崖危岩体抗滑安全度太平绎水电站地下洞室

洞室开挖及围岩稳定地下厂房

瀑布沟地下洞群洞室开挖、喷锚支护及围岩稳定彭水地下厂房洞室开挖及围岩稳定溪洛渡地下厂房洞室开挖及围岩稳定江阴长江大桥

南塔塔基稳定问题其　　它

东西关船闸闸首围岩及衬砌墙稳定性嘉陵江马回船闸衬

围岩及衬砌墙稳定性

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。

5.2　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。5.3　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。

5.4　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。5.5　大地地壳运动机理研究

从宏观上,地质力学模型也可以用在大地构造运动、板块漂移及泥石流运动等机理研究中,中科院地质所和岩土所也做过大量这方面的研究。

6　发展方向

20多年来,我国地质力学模型试验从无到有,

已经取得了重大的发展,在研究复杂地基上重力坝

的抗滑稳定、拱坝坝肩稳定及地下结构围岩稳定等方面都取得了很大成绩。随着计算机和数值技术的发展,线弹性问题和一些简单的二维非线性问题已可以采用有限元等数值方法解决。但对于复杂的材料、几何和接触非线性问题,边界条件复杂的三维工程地质问题,固流体耦合问题不仅没有理论解,而且数值分析方面也很不成熟,同时,计算的结果也应通过试验来进行检验。当然,地质力学模型试验本身还须向更广和更深的方向发展,”更广”是指还有很多领域如边坡稳定、石油勘探、矿藏开发、地下工程等,都可以用地质力学模型试验来进行研究“;更深”是指要研究更新的模型材料,新的技术和加载方法,甚至全新的实验理论。主要有以下几方面:

(1)在模型相似理论上,有必要向新的力学领域发展,如断裂、流变、几何大变形、固流体耦合和热传

导等方面的相似关系等有待进一步研究。

(2)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。模型材料还要求价廉、无毒和容易成型。

(3)在加载方面,目前主要是通过超载得到结构的安全度,与实际安全度有差距。在离心机或在强磁场中同时对所有荷载进行超载可以得到某些结构(如大坝)的强度储备安全度。采用改变坡角或采用特殊感温夹层材料,可以研究边坡的强度储备安全度。

(4)在测量技术方面,要引进或研制更小、更便于安装的内部传感器。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。(5)在应用领域,要向固流耦合、静动耦合、堆石体、地下环境、大地构造机理等方面发展,如泥石流、崩岸机理、污水渗透机理、土石滑坡等。

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(编辑:周晓雁)

Developmentofgeomechanicmodelexperimenttechniques

SHENTai

(YangtzeRiverScientificResearchInstitute,Wuhan430010,China)

Abstract:Inthispaper,accordingtoover20yearsexperienceongeomechanicmodelexperimentsofYangtzeRiverScientificReasearchInstitute(YRSRI)anddevelopmentalstatusofthismodelathomeandabroad,thecharacteristicsanddevelopmentaltendencyofgeomechanicmodeltesttechniquesareintroducedfromsomeaspectssuchasthecriteriaofsimilarity,modelmaterialselection,keysimulationtechniquesandapplicationstodifferentgeologicalproblems.Itisconsideredthatgeomechanicmodeltesttechniquesshouldmakeprogressesindepth,namly,simulationandmeasurementtechnique,andinwidescope.Itstillhasbroadapplicationprospectsindiscoveringnewmechanicsmechanism,verifyingmathematicsmodelandsoon.

Keywords:geomechanicmodel;simulationrelation;experimenttechnique;geologicstructure;stabilitysafety

degree

(上接第31页)

Engineering,JSCE,1992,36:61-66.

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Large2eddysimulationof32Dflowmotion

aroundsubmergedspur2dikes

ZHOUYi2lin

(YangtzeRiverScientificResearchInstitute,Wuhan430010,China)

Abstract:Basedonthelarge2eddynumericalsimulationmethod,theflowpropertiesaroundthreekindsofspur2dikes,i.e.,60°groyne,90°groyneand120°groyne(theinclinedanglerepresentingananglebetweenthegroynewithriverbank),arestudied.Thebasicequationsfornumericalsimulationarethelarge2eddysimulationequations.ThemostwidelyusedSmagorinskymodelisadoptedtorepresenttheeddyviscositycoefficientinthesubgrid2scalestresses.Andthenanumericalmethodisgiven.Thecomputedresultsaredetailedlyverifiedbytheexperimentaldata.Finally,thevelocilydistributionsaroundthethreekindsofspur2dikesaregivenandcompared.

Keywords:submergedspur2dike;32Dflow;large2eddy

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本文编号：214000