地质力学模型试验新技术研究进展及工程应用

第28卷增1岩石力学与工程学报Vol.28Supp.12009年5月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringMay，2009收稿日期：2007–12–27；修回日期：2008–02–27基金项目：国家高技术研究发展计划“863”计划重点项目(2007AA11Z131)；中国博士后科学基金项目(20080431200)；山东省博士后创新项目(200803041)作者简介：王汉鹏(1978–)，男，博士，2001年毕业于山东科技大学采矿工程专业，现任讲师，主要从事岩石力学试验与数值模拟方面的教学与研究工作。E-mail：[e-mail]地质力学模型试验新技术研究进展及工程应用王汉鹏1，李术才1，郑学芬2，朱维申1(1.山东大学岩土与结构工程研究中心，山东济南250061；2.山东城市建设职业学院，山东济南250014)摘要：介绍地质力学模型试验的研究进展，包括新型相似材料、组合式模型试验装置及应变、位移量测新技术。新型相似材料能更好地模拟工程岩体，且价格低、易干燥、可重复利用。研制的新型组合式模型试验台可自由组装、刚度大、整体稳定性好，液压加载系统可实现自动伺服控制和梯度加载。应变测试采用先进的高速静态应变采集分析系统和光纤测试技术，模型内部位移采用研制的光栅式微型多点位移计测量，隧洞表面位移采用内卡规、摄影测量和CCD激光位移传感器测量。上述测量手段具有自动化、高精度、受干扰小的特点，可得到更精确的试验结果。昀后，以工程为例说明地质力学模型试验在分岔隧道研究中的应用。关键词：地质力学；模型试验技术；研究进展；工程应用中图分类号：P55文献标识码：A文章编号：1000–6915(2009)增1–2765–07RESEARCHPROGRESSOFGEOMECHANICALMODELTESTWITHNEWTECHNOLOGYANDITSENGINEERINGAPPLICATIONWANGHanpeng1，LIShucai1，ZHENGXuefen2，ZHUWeishen1(1.ResearchCenterofGeotechnicalandStructureEngineering，ShandongUniversity，Jinan，Shandong250061，China；2.ShandongUrbanConstructionVocationalCollege，Jinan，Shandong250014，China)Abstract：Theresearchprogressofgeomechanicalmodeltestareintroduced，includingnewmodelmaterial，combinationtestapparatusandnewmeasurementtechnologiesofstrainanddisplacementandsoon.Newmodelmaterialcansimulateengineeringrockmassbetterandhascharactersoflowcost，easilydryingandrecycling.他Thedevelopedcombinationtestapparatuscanassemblefreelyandhashighstiffnessandgoodintegralstability.Hydraulicpressureloadingsystemcanimplementautomaticservo-controlledandladder-shapedloading.Straincanbemeasuredbyadvancedhigh-speedstaticstraincollectionanalysissystemandfibermeasurementtechnology.ModelinteriordisplacementcanbemeasuredbythedevelopedfiberBragggratingmini-typemulti-pointextensometer.Thesurfacedisplacementoftunnelcanbemeasuredbycalipers，photographmeasureandCCDlaserdisplacementsensor.Thesemeasuringmethodsmentionedabovehavecharactersofautomatization，highprecisionandlessdisturbance，whichcangetmoreaccuratetestresults.Finally，anexampleisprovidedtoilluminatetheapplicationofgeomechanicalmodeltestinforkedtunnelresearch.Keywords：geomechanics；modeltesttechnology；researchprogress；engineeringapplication1引言21世纪是中国工程建设快速发展的世纪，随着国民经济的持续发展和西部大开发战略的实施，水利、水电、能源、交通等大型工程的开发已成为我国经济建设的重点。大型水利水电工程、能源工程、交通工程以及国防工程已经纳入国家总的发展规•2766•岩石力学与工程学报2009年划。这些大型工程建设项目涉及许多有关岩体强度破坏、变形失稳以及加固处理的问题。对这些复杂的问题，一方面要借助理论分析、计算机数字模拟方法去研究；另一方面，更多地要借助地质力学模型试验手段来解决[1]。大量的工程实践证明，地质力学模型试验方法是研究大型岩土工程问题，特别是地下工程问题的一种行之有效的方法[2，3]。在基本满足相似原理的条件下，更能真实地反映地质构造和工程结构的空间关系，更准确地模拟施工过程和影响。试验结果能给人以更直观的感觉，使人更容易从全局上把握岩体工程整体力学特征、变形趋势和稳定性特点，从而做出相应的判断[4]。清华大学的李钟奎、总参工程兵科研三所的顾金才、陈安敏、长江水利委员会的沈泰以及水利部西部水利科学研究所的杜应吉等研究了地质力学模型试验的新技术，包括相似材料、试验装置、开挖模拟和测试技术，取得了富有意义的成果，但地质力学模型试验是一个系统工程，只有试验完全符合相似理论，高精度测试试验结果才昀可信。本文借鉴前人研究的经验，分别研制了相似材料、组合式模型试验装置，采用光栅测应变，研制了光栅微型多点位移计测量模型内部位移，并采用CCD激光位移传感器等先进仪器测量表面位移，昀后介绍了新技术在分岔隧道工程中应用。2新型相似材料根据相似理论，模型的几何尺寸、边界条件、荷载及相似材料的容重、强度及变形特性等方面必须与原型相似[5]。目前国内外昀常用的是采用石膏、重晶石粉、石英砂等材料配合而成的，具有代表性的是韩伯鲤等[6]研制的MSB材料和马芳平等[7]研制的NIOS相似材料，这2种材料都具有较好的性能，但都具有不足的地方。在总结前人研究的基础上，通过大量的配比试验研究出新型相似材料铁晶砂胶结料(IBSCM)，该材料具有如下优点[8]：(1)容重高、抗压强度和弹性模量低；(2)性能稳定，不生锈，有很高的绝缘性；(3)容易得到，并且价格便宜；(4)力学参数易于调节，如通过调节松香酒精胶结剂浓度可以很容易地调整材料的弹性模量、抗压强度；(5)酒精易于挥发，干燥时间短，可缩短试验周期；(6)没有任何毒副作用，不会对人体造成伤害；(7)压制成型的砌块易于切割，能满足模型拼装砌筑的工艺要求；(8)由于采用松香酒精溶液作为胶结剂，砌块表面用酒精润湿后，即具有自黏能力，故砌块接缝可用本身材料黏接，故砌缝的存在不影响模型的整体性能；(9)由于各种材料拌和后未产生化学反应，因此试验后的材料可重复使用，提高了材料的利用率和使用寿命。3组合式模型试验装置3.1组合式试验台陈安敏等[9，10]研制了模型试验台，其试验台尺寸固定，不能根据模型试验范围进行有效调整，且侧向刚度较小，易造成试验边界条件的改变。张强勇等[11]研制的组合式三维模型试验装置，采用分体式设计，其主要由底盘、箱体、加载系统组成(见图1)。其中，钢台架体由盒式铸钢构件通过高强度螺栓连接组合而成，而盒式铸钢构件采用25Mn材料在铸造钢厂一次制模整体铸造而成。根据盒式铸钢构件尺寸的不同分别由厚度250mm，长度不等的盒式铸钢箱体组成，采用M25高强螺栓连接。盒式铸钢构件壁厚25mm，在构件连接侧开有φ30mm的螺栓连接孔，在构件紧贴模型的侧面正中开有φ30mm的引线孔和材料透气孔。钢台架底盘由8块长250cm、宽50cm、厚8cm，其上带有螺栓槽的型钢钢板并列拼接而成。另外，在隧洞部位，采用具有隧洞尺寸形状的箱体拼装，并且采用钢化玻璃覆盖，这种设计即保证了模型的侧向刚度，又1—底盘；2—盒式台架；3—引线透气孔；4—连接螺栓；5—高强拉杆；6—刚肋；7—隧洞模型；8—钢化玻璃图1新型模型试验装置Fig.1Newmodeltestapparatus第28卷增1王汉鹏，等.地质力学模型试验新技术研究进展及工程应用•2767•可在试验过程中可以观察到隧洞的破坏部位和形状。该模型试验台具有刚度大、整体稳定性好、组装灵活方便、尺寸可任意调整的特点，箱体可根据不同的试验要求组合成不同的形状和尺寸。液压加载系统的油管和测试导线易于引出，材料容易干燥。3.2液压加载系统液压控制系统由油箱、液压泵、电机、压力传感器、单向阀、换向阀、减压阀和液压千斤顶等组成。电控系统包括电机启动、动作控制和智能数显压力表，可实现手动控制和自动控制，能实现根据压力发讯控制自动补压。为实现荷载的梯度加载，设计可采用两种加载方案：调节液压千斤顶的压力和调节千斤顶的间距。千斤顶作用于模型侧面产生的地应力可由下式计算得出：1m2PAAσ=(1)式中：P为液压加载设备输出的压力(MPa)，1A为千斤顶活塞的面积(m3)，2A为每一个千斤顶的作用面积(m3)。因此，可通过调节千斤顶的压力和间距得到呈阶梯状分布的应力(见图2)。图2加载装置系统Fig.2Loadingsystem4量测系统模型试验一般测量的数据为应变和位移。模型变形测量方法大体可归纳为3类：机械法、电测法和光测法[12]。计算机技术和自动化技术的应用保证了试验结果测量的自动化和可靠性。4.1应变测量系统(1)电阻应变测量昀传统的测量模型内部应力应变的方法是采用电阻应变片，应用高速静态应变采集分析系统采集数据。高速静态应变采集分析系统由XL2101高速静态应变仪、计算机及分析处理软件组成，一台应变仪可以测量60个点，且具有精度高、性能稳定、抗干扰能力强、零点漂移小(±3µε/(4h)；±1µε/℃)、自动扫描平衡、扫描测试速度快(1200点/s)等优点。试验中可采用箔式纸基型电阻应变片花，其型号为：BX120–5AA(栅长为5mm，柵宽为3mm，电阻为120Ω)，其具有灵敏度高、横向应变小和适应性强等优点。试验时采用相似材料按照模型配比制作3cm×3cm×3cm的立方体块，用氯丁胶将应变花黏贴在表面，将导线和应变片的引线分别焊接上，做好标识以便试验时预埋，图3为制作好的电阻应变块。图3电阻应变块Fig.3Resistancestrainbrick(2)光栅光纤应变测试系统光栅光纤传感器由于其体积小，灵敏度高，耐腐蚀，抗电磁干扰，分布或者准分布式测量，可实现远距离的监测与传输等优点，在短短的十几年的时间内得到了广泛的应用[13]，其量测系统见图4。图4光栅光纤应变传感器量测系统Fig.4MeasuringsystemoffiberBragggratingstrainsensor•2768•岩石力学与工程学报2009年为了利用光纤光栅测试模型内部关键点的应力和应变，与山东大学光纤传感技术工程研究中心合作，特别设计制作了黏贴于相似材料块上的光纤光栅应变传感器。为了修正温度变化对测量的影响，在测量中引入