模型试验

实体试验

模型实验指的是实体试验，通过在比例缩小或等比模型上进行相应的试验，获取相关数据及检查设计缺陷。在采用适当比例和相似材料制成的与原型相似的试验结构寸（或构件）上施加比例荷载，使模型受力后再演原型结构实际工作的结构试验。试验对象为仿照原型（实际结构）并按照一定比例尺复制而成的试验代表物，它具有实际结构的全部或部分特征。模型尺寸一般要比原型结构小。按照模型相似理论，由模型的试验结果可推算实际结构的工作。严格要求的模拟条件必须是几何相似、物理相似和材料相似。模型按相似条件可分为相似模型和缩尺模型，按试验目的可分为弹性模型和强度模型。

概念分类

（1）用与原型相似的模型进行试验研究，并将研究结果应用于原型的一种重要的试验研究方法。广泛应用于各学科领域。其关键是要根据相似理论进行模型设计。主要的优点是：可以控制主要试验参数而不受环境条件的限制与影响；便于改变试验参数进行对比试验；经济性好。主要的不足是：相似指标难以完全满足，常常只能考虑某些主要因素而忽略其次要因素。

（2）利用模型流动模拟原型流动的试验研究。它的任务包括：根据试验要求和试验条件合理选定几何比尺设计模型尺寸；正确运用相似准则确定原型与模型流各物理量的比尺；将模型流动观测得到的结果换算为原型流动的情况。相似模型的类型主要分为：完全相似模、近似相似模型、正态模型和变态模型，在实际工程应用中一般是采用正态相似模型。流体力学的模型中的流体通常是采用水或空气，即同种流体模拟或水气模拟，在平面势流的模拟试验中也常采用水电模拟。

制作设计

为研究深部巷道围岩破裂机理，在“深部巷道围岩破裂机理与支护技术模拟试验装置”进行了模型试验，系统研究了深部巷道围岩在最大初始开洞荷载与洞室轴线平行作用下直墙拱顶试验的破坏形态和机理。

模型试验在总参工程兵科研三所和淮南矿业集团有限责任公司煤矿瓦斯治理国家工程研究中心联合研制的“深部巷道围岩破裂机理与支护技术模拟试验装置”上进行。试验模型体尺寸为长x宽x厚= 1000mmx1000mmx400mm。

模型试验相似问题主要考虑了几何相似条件和应力相似条件，根据试验装置的内部结构尺寸，选取几何相似系数为1：15，应力相似系数为1：20。试验采用地下工程常用的直墙拱顶形结构形式进行试验，原型洞室侧墙高度为1500mm，拱高为1500mm；对应的模型洞室侧墙高度为100mm，拱高100mm。原型洞室和模型洞室的尺寸如图2所示。

选取水泥：砂：水=1：14：1.4（质量比）的低标号水泥砂浆作为岩体模拟材料，采用分层夯实法成型。模型材料的抗压强度为2.28 MPa。原岩、要求选用的模拟材料及选定的模拟材料的具体力学参数见表1。

地下洞室的安全稳定性的研究方法较多，如邓声君等对地下洞室稳定分析方法进行了总结，并指出，在进行物理模型试验，设计相似模型时，抓住关键的几项相似性，也就达到了解决实际问题的需求，本次试验主要对抗压强度、泊松比和弹性模量及内摩擦角等力学参数进行了相似模拟。此外，原型岩体的力学参数应该具有上、下限值，本文仅取其中间值进行了模拟，模拟值的原型值应该在其上、下限范围内。

模型体分上、下两片，采用人工夯筑成型。待在下片模型体上表面豁结完成应变片和断裂丝后，将上、下两片模型体豁结在一起，形成一个整体，然后将模型体吊装进试验装置内，即可进行试验。

试验时，模型体的上、下大面（包含长、宽为1000mm的面）水平放置，这样洞室横截面呈水平状，洞室轴线方向在竖直方向，平行于洞室轴线的竖向荷载最大，2个水平方向荷载分别垂直于洞室拱顶和侧墙。在加载过程中，始终保持模型体两个水平方向的荷载按照与洞轴线平行荷载成1/3的比例，施加至要求荷载，如图3所示，其中，PY为拱顶方向压力；Ph为侧墙方向压力；Pz为垂直方向压力；Rc为模型材料单轴抗压强度。先施加开洞荷载（即开挖洞室时模型体边界荷载），共分8次均匀施加。形成洞室的原始地应力场。其轴向应力为Pz=4.95MPa =2.17Re。对应于原型洞室，其轴向应力达到99MPa，拱顶和侧墙方向应力为33MPa。如果该原型应力场单纯由岩体自重产生，则洞室上方岩体的厚度可达2292m。

施加至要求荷载后开挖洞室，分4次全断面开挖，每次开挖深度为10cm。在开挖过程中，始终保证边界荷载等于施加的第8级荷载。洞室开挖完毕后，进行超载破坏试验，直至最大试验荷载施加至Pz=9. 48MPa=4.16Re，洞室破坏。模型施加开洞荷载和超载的具体荷载步见表2。试验结束后，在距中间面5cm的截面将模型体锯开，观察洞室周围的破坏情况。模型洞室的宏观破坏形态及洞室典型部位裂缝范围如图5、6所示。

模型试验

地质力学模型试验是岩石力学研究领域的重要手段，尤其是在理论尚不完备、非连续数值模拟技术尚未成熟的现阶段，地质力学模型试验在深部岩体力学研究中占据重要地位。

地质力学模型试验最早由格恩库兹涅佐夫于1936年提出，是仿照真实结构并按照一定比例关系复制而成的试验代表物，它具有原型结构的全部或部分特征。地质力学模型试验根据相似理论，用适当的比例尺和相似材料制成与原型相似的试验对象，再现原型结构的实际工作状态，最后按照相似判据整理试验结果，推算原型结构的实际状态。地质力学模型试验的科学性取决于模型与原型具有相同物理性质的变化过程，要满足物理现象的单值相似条件，还要求对应的相似判据相等。

地质力学模型试验能形象、直观地模拟工程结构的受力、变形及破坏的全过程，可以比较全面、真实地模拟复杂的地质构造，揭示可控影响因素对人们关心的工程灾变孕育演化过程的影响，为建立新的理论和数学模型提供依据，从而为避免和防控工程灾害提供技术支持。

从20世纪70年代开始，清华大学、山东大学、中国矿业大学、长江科学院等高校和院所，结合水利、采矿、交通、国防等工程中的岩石力学问题，开展了大量的模型试验研究，取得了系列创新成果，为岩石力学的发展做出了重要贡献。如，清华大学李仲奎等研制了离散化多主应力面加载和控制系统，成功地解决了复杂三维初始地应力场的模拟问题，提出基于击实功复合作用系数以及密度随填筑深度非线性逆向控制的模型制作方法，提高了模型材料力学性质的稳定性；山东大学张强勇等在试验台架研制、相似材料制备、试验数据采集等方面开展了大量的工作，也取得了丰硕的成果。

地质力学模型试验在大模型制作、控制加载、监测量测、相似材料制备等方面得到了全面发展，逐步实现了模型由平面到立体、应力状态由平面到真三轴、加载边界由刚性到柔性、监测量测由概略到精细、材料性质相似由粗放到严格的转变。但是，在部分深部特有问题模拟上，如深部岩体的含能状态、初始状态、边界条件以及与时间相关的变形破坏过程等，仍存在一些值得商榷之处。

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