[科普中國]-模型試驗

定義

模型實驗指的是實體試驗，通過在比例縮小或等比模型上進(jìn)行相應(yīng)的試驗，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)及檢查設(shè)計缺陷。在采用適當(dāng)比例和相似材料制成的與原型相似的試驗結(jié)構(gòu)寸（或構(gòu)件）上施加比例荷載，使模型受力后再演原型結(jié)構(gòu)實際工作的結(jié)構(gòu)試驗。試驗對象為仿照原型（實際結(jié)構(gòu)）并按照一定比例尺復(fù)制而成的試驗代表物，它具有實際結(jié)構(gòu)的全部或部分特征。模型尺寸一般要比原型結(jié)構(gòu)小。按照模型相似理論，由模型的試驗結(jié)果可推算實際結(jié)構(gòu)的工作。嚴(yán)格要求的模擬條件必須是幾何相似、物理相似和材料相似。模型按相似條件可分為相似模型和縮尺模型，按試驗?zāi)康目煞譃閺椥阅Ｐ秃蛷?qiáng)度模型。

分類（1）用與原型相似的模型進(jìn)行試驗研究，并將研究結(jié)果應(yīng)用于原型的一種重要的試驗研究方法。廣泛應(yīng)用于各學(xué)科領(lǐng)域。其關(guān)鍵是要根據(jù)相似理論進(jìn)行模型設(shè)計。主要的優(yōu)點是：可以控制主要試驗參數(shù)而不受環(huán)境條件的限制與影響；便于改變試驗參數(shù)進(jìn)行對比試驗；經(jīng)濟(jì)性好。主要的不足是：相似指標(biāo)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(wù)包括：根據(jù)試驗要求和試驗條件合理選定幾何比尺設(shè)計模型尺寸；正確運(yùn)用相似準(zhǔn)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(jié)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(tài)模型和變態(tài)模型，在實際工程應(yīng)用中一般是采用正態(tài)相似模型。流體力學(xué)的模型中的流體通常是采用水或空氣，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采用水電模擬。

試驗?zāi)Ｐ椭谱髋c設(shè)計為研究深部巷道圍巖破裂機(jī)理，在“深部巷道圍巖破裂機(jī)理與支護(hù)技術(shù)模擬試驗裝置”進(jìn)行了模型試驗，系統(tǒng)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墻拱頂試驗的破壞形態(tài)和機(jī)理。

模型試驗在總參工程兵科研三所和淮南礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司煤礦瓦斯治理國家工程研究中心聯(lián)合研制的“深部巷道圍巖破裂機(jī)理與支護(hù)技術(shù)模擬試驗裝置”上進(jìn)行，試驗裝置如圖1所示。試驗?zāi)Ｐ腕w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(yīng)力相似條件，根據(jù)試驗裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸，選取幾何相似系數(shù)為1：15，應(yīng)力相似系數(shù)為1：20。試驗采用地下工程常用的直墻拱頂形結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行試驗，原型洞室側(cè)墻高度為1500mm，拱高為1500mm；對應(yīng)的模型洞室側(cè)墻高度為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(zhì)量比）的低標(biāo)號水泥砂漿作為巖體模擬材料，采用分層夯實法成型。模型材料的抗壓強(qiáng)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(xué)參數(shù)見表1。

目前地下洞室的安全穩(wěn)定性的研究方法較多，如鄧聲君等對目前地下洞室穩(wěn)定分析方法進(jìn)行了總結(jié)，并指出，在進(jìn)行物理模型試驗，設(shè)計相似模型時，抓住關(guān)鍵的幾項相似性，也就達(dá)到了解決實際問題的需求，本次試驗主要對抗壓強(qiáng)度、泊松比和彈性模量及內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了相似模擬。此外，原型巖體的力學(xué)參數(shù)應(yīng)該具有上、下限值，本文僅取其中間值進(jìn)行了模擬，模擬值的原型值應(yīng)該在其上、下限范圍內(nèi)。1

模型體分上、下兩片，采用人工夯筑成型。待在下片模型體上表面豁結(jié)完成應(yīng)變片和斷裂絲后，將上、下兩片模型體豁結(jié)在一起，形成一個整體，然后將模型體吊裝進(jìn)試驗裝置內(nèi)，即可進(jìn)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，平行于洞室軸線的豎向荷載最大，2個水平方向荷載分別垂直于洞室拱頂和側(cè)墻。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，PY為拱頂方向壓力；Ph為側(cè)墻方向壓力；Pz為垂直方向壓力；Rc為模型材料單軸抗壓強(qiáng)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(yīng)力場。其軸向應(yīng)力為Pz=4.95MPa =2.17Re。對應(yīng)于原型洞室，其軸向應(yīng)力達(dá)到99MPa，拱頂和側(cè)墻方向應(yīng)力為33MPa。如果該原型應(yīng)力場單純由巖體自重產(chǎn)生，則洞室上方巖體的厚度可達(dá)2292m。

施加至要求荷載后開挖洞室，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于施加的第8級荷載。洞室開挖完畢后，進(jìn)行超載破壞試驗，直至最大試驗荷載施加至Pz=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(jié)束后，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(tài)及洞室典型部位裂縫范圍如圖4、5所示。2

地質(zhì)力學(xué)模型試驗地質(zhì)力學(xué)模型試驗是巖石力學(xué)研究領(lǐng)域的重要手段，尤其是在理論尚不完備、非連續(xù)數(shù)值模擬技術(shù)尚未成熟的現(xiàn)階段，地質(zhì)力學(xué)模型試驗在深部巖體力學(xué)研究中占據(jù)重要地位。

地質(zhì)力學(xué)模型試驗最早由格恩庫茲涅佐夫于1936年提出，是仿照真實結(jié)構(gòu)并按照一定比例關(guān)系復(fù)制而成的試驗代表物，它具有原型結(jié)構(gòu)的全部或部分特征。地質(zhì)力學(xué)模型試驗根據(jù)相似理論，用適當(dāng)?shù)谋壤吆拖嗨撇牧现瞥膳c原型相似的試驗對象，再現(xiàn)原型結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài)，最后按照相似判據(jù)整理試驗結(jié)果，推算原型結(jié)構(gòu)的實際狀態(tài)。地質(zhì)力學(xué)模型試驗的科學(xué)性取決于模型與原型具有相同物理性質(zhì)的變化過程，要滿足物理現(xiàn)象的單值相似條件，還要求對應(yīng)的相似判據(jù)相等。

地質(zhì)力學(xué)模型試驗?zāi)苄蜗蟆⒅庇^地模擬工程結(jié)構(gòu)的受力、變形及破壞的全過程，可以比較全面、真實地模擬復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，揭示可控影響因素對人們關(guān)心的工程災(zāi)變孕育演化過程的影響，為建立新的理論和數(shù)學(xué)模型提供依據(jù)，從而為避免和防控工程災(zāi)害提供技術(shù)支持。

從20世紀(jì)70年代開始，清華大學(xué)、山東大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)、長江科學(xué)院等高校和院所，結(jié)合水利、采礦、交通、國防等工程中的巖石力學(xué)問題，開展了大量的模型試驗研究，取得了系列創(chuàng)新成果，為巖石力學(xué)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。如，清華大學(xué)李仲奎3等研制了離散化多主應(yīng)力面加載和控制系統(tǒng)，成功地解決了復(fù)雜三維初始地應(yīng)力場的模擬問題，提出基于擊實功復(fù)合作用系數(shù)以及密度隨填筑深度非線性逆向控制的模型制作方法，提高了模型材料力學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定性；山東大學(xué)張強(qiáng)勇等在試驗臺架研制、相似材料制備、試驗數(shù)據(jù)采集等方面開展了大量的工作，也取得了豐碩的成果。

目前的地質(zhì)力學(xué)模型試驗在大模型制作、控制加載、監(jiān)測量測、相似材料制備等方面得到了全面發(fā)展，逐步實現(xiàn)了模型由平面到立體、應(yīng)力狀態(tài)由平面到真三軸、加載邊界由剛性到柔性、監(jiān)測量測由概略到精細(xì)、材料性質(zhì)相似由粗放到嚴(yán)格的轉(zhuǎn)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(tài)、初始狀態(tài)、邊界條件以及與時間相關(guān)的變形破壞過程等，仍存在一些值得商榷之處。4