模型試驗

（1）用與原型相似的模型進行試驗研究，並將研究結果應用於原型的一種重要的試驗研究方法。廣泛應用於各學科領域。其關鍵是要根據相似理論進行模型設計。主要的優點是：可以控制主要試驗參數而不受環境條件的限制與影響；便於改變試驗參數進行對比試驗；經濟性好。主要的不足是：相似指標難以完全滿足，常常只能考慮某些主要因素而忽略其次要因素。

（2）利用模型流動模擬原型流動的試驗研究。它的任務包括：根據試驗要求和試驗條件合理選定幾何比尺設計模型尺寸；正確運用相似準則確定原型與模型流各物理量的比尺；將模型流動觀測得到的結果換算為原型流動的情況。相似模型的類型主要分為：完全相似模、近似相似模型、正態模型和變態模型，在實際工程應用中一般是採用正態相似模型。流體力學的模型中的流體通常是採用水或空氣，即同種流體模擬或水氣模擬，在平面勢流的模擬試驗中也常採用水電模擬。

為研究深部巷道圍巖破裂機理，在“深部巷道圍巖破裂機理與支護技術模擬試驗裝置”進行了模型試驗，系統研究了深部巷道圍巖在最大初始開洞荷載與洞室軸線平行作用下直牆拱頂試驗的破壞形態和機理。

模型試驗在總參工程兵科研三所和淮南礦業集團有限責任公司煤礦瓦斯治理國家工程研究中心聯合研製的“深部巷道圍巖破裂機理與支護技術模擬試驗裝置”上進行。試驗模型體尺寸為長x寬x厚= 1000mmx1000mmx400mm。

模型試驗相似問題主要考慮了幾何相似條件和應力相似條件，根據試驗裝置的內部結構尺寸，選取幾何相似係數為1：15，應力相似係數為1：20。試驗採用地下工程常用的直牆拱頂形結構形式進行試驗，原型洞室側牆高度為1500mm，拱高為1500mm；對應的模型洞室側牆高度為100mm，拱高100mm。原型洞室和模型洞室的尺寸如圖2所示。

選取水泥：砂：水=1：14：1.4（質量比）的低標號水泥砂漿作為巖體模擬材料，採用分層夯實法成型。模型材料的抗壓強度為2.28 MPa。原巖、要求選用的模擬材料及選定的模擬材料的具體力學參數見表1。

地下洞室的安全穩定性的研究方法較多，如鄧聲君等對地下洞室穩定分析方法進行了總結，並指出，在進行物理模型試驗，設計相似模型時，抓住關鍵的幾項相似性，也就達到了解決實際問題的需求，本次試驗主要對抗壓強度、泊松比和彈性模量及內摩擦角等力學參數進行了相似模擬。此外，原型巖體的力學參數應該具有上、下限值，本文僅取其中間值進行了模擬，模擬值的原型值應該在其上、下限範圍內。 ^[1] 

模型體分上、下兩片，採用人工夯築成型。待在下片模型體上表面豁結完成應變片和斷裂絲後，將上、下兩片模型體豁結在一起，形成一個整體，然後將模型體吊裝進試驗裝置內，即可進行試驗。

試驗時，模型體的上、下大面（包含長、寬為1000mm的面）水平放置，這樣洞室橫截面呈水平狀，洞室軸線方向在豎直方向，平行於洞室軸線的豎向荷載最大，2個水平方向荷載分別垂直於洞室拱頂和側牆。在加載過程中，始終保持模型體兩個水平方向的荷載按照與洞軸線平行荷載成1/3的比例，施加至要求荷載，如圖3所示，其中，P_Y為拱頂方向壓力；P_h為側牆方向壓力；P_z為垂直方向壓力；R_c為模型材料單軸抗壓強度。先施加開洞荷載（即開挖洞室時模型體邊界荷載），共分8次均勻施加。形成洞室的原始地應力場。其軸嚮應力為P_z=4.95MPa =2.17Re。對應於原型洞室，其軸嚮應力達到99MPa，拱頂和側牆方向應力為33MPa。如果該原型應力場單純由巖體自重產生，則洞室上方巖體的厚度可達2292m。

施加至要求荷載後開挖洞室，分4次全斷面開挖，每次開挖深度為10cm。在開挖過程中，始終保證邊界荷載等於施加的第8級荷載。洞室開挖完畢後，進行超載破壞試驗，直至最大試驗荷載施加至P_z=9. 48MPa=4.16Re，洞室破壞。模型施加開洞荷載和超載的具體荷載步見表2。試驗結束後，在距中間面5cm的截面將模型體鋸開，觀察洞室周圍的破壞情況。模型洞室的宏觀破壞形態及洞室典型部位裂縫範圍如圖5、6所示。 ^[2] 

地質力學模型試驗是岩石力學研究領域的重要手段，尤其是在理論尚不完備、非連續數值模擬技術尚未成熟的現階段，地質力學模型試驗在深部巖體力學研究中佔據重要地位。

地質力學模型試驗最早由格恩庫茲涅佐夫於1936年提出，是仿照真實結構並按照一定比例關係複製而成的試驗代表物，它具有原型結構的全部或部分特徵。地質力學模型試驗根據相似理論，用適當的比例尺和相似材料製成與原型相似的試驗對象，再現原型結構的實際工作狀態，最後按照相似判據整理試驗結果，推算原型結構的實際狀態。地質力學模型試驗的科學性取決於模型與原型具有相同物理性質的變化過程，要滿足物理現象的單值相似條件，還要求對應的相似判據相等。

地質力學模型試驗能形象、直觀地模擬工程結構的受力、變形及破壞的全過程，可以比較全面、真實地模擬複雜的地質構造，揭示可控影響因素對人們關心的工程災變孕育演化過程的影響，為建立新的理論和數學模型提供依據，從而為避免和防控工程災害提供技術支持。

從20世紀70年代開始，清華大學、山東大學、中國礦業大學、長江科學院等高校和院所，結合水利、採礦、交通、國防等工程中的岩石力學問題，開展了大量的模型試驗研究，取得了系列創新成果，為岩石力學的發展做出了重要貢獻。如，清華大學李仲奎 ^[3]  等研製了離散化多主應力面加載和控制系統，成功地解決了複雜三維初始地應力場的模擬問題，提出基於擊實功複合作用係數以及密度隨填築深度非線性逆向控制的模型製作方法，提高了模型材料力學性質的穩定性；山東大學張強勇等在試驗枱架研製、相似材料製備、試驗數據採集等方面開展了大量的工作，也取得了豐碩的成果。

地質力學模型試驗在大模型製作、控制加載、監測量測、相似材料製備等方面得到了全面發展，逐步實現了模型由平面到立體、應力狀態由平面到真三軸、加載邊界由剛性到柔性、監測量測由概略到精細、材料性質相似由粗放到嚴格的轉變。但是，在部分深部特有問題模擬上，如深部巖體的含能狀態、初始狀態、邊界條件以及與時間相關的變形破壞過程等，仍存在一些值得商榷之處。 ^[4]