[科普中国]-工程地质力学模拟

根据室内模型的受力变形过程﹐推演工程岩体变形﹑破坏的物理机制和动力过程﹐以判定岩体稳定性的试验方法。为达到模拟的目的﹐模型应与原型岩体具有一定的相似性﹐边界条件及受力状态也应与实际情况有可对比性。

简介工程地质力学模拟的要点是在模型中充分反映工程岩体结构﹐在试验中注意考察岩体结构的应力状态﹑变形和破坏过程。

基本原理及法则工程地质力学模型试验属于相似模拟试验范畴，就应以相似理论作为试验的理论基础。相似理论有三条基本定理。即：

第一定理：相似现象的基本性质是两现象相似的必要条件；

第二定理：相似判据是从每一个相似判据的具体形成中获得依据；

第三定理：单值条件相似，单值量判据相等，是相似的必要和充分条件。

如上所述，工程地质力学模拟试验要完全遵循相似理论的基本原理是相当困难的，在某些情况下并不一定苟求满足全部的相似条件，而只需满足其主要方面．以适应机制研究的需要。通过实践，建立了满足工程地质力学模拟试验的基本法则：

1．在一定(或基本)相似条件下，侧重机制的试验研究；

2．所谓一定的相似条件，主要指岩体的容重、弹性性能、强度以及结构面的C、φ。因此，相似材料的研究十分重要。

3．尽可能建立较大的实验模型，确立较大的可以实现的相似比。在总的相似比前提下，制定方案，确定材料，有时，亦可根据工程规模和已有的模型架尺寸，确定相应的相似比；

4．要根据工程地质模型的要求，确定模拟的重点因素。岩组、基本结构包括断层以及环境因素(如地下水、地应力)应是模拟的基本重点要素；它们模型应遵循符合客观实际的原则。如要简化的，则必须合理；

5．为了掌握模型重要部位的应力和位移，必须按工程和关键部位确立测点：

6．按工程性质，如边坡工程是逐次开挖形成的，那么模拟试验时，应采用分步开挖的模拟釆掘方法；

7．关于边界条件的定位。以坡高与境界外宽度之比为3：1为宜；

8．一旦开始试验，就一气哈成。关注全过程，重视各因素的具体表现。从中尽可能获得相关信息，以利于分析与认识。

总之，工程地质力学模拟试验力求达到求实、求真与掌握全过程。1

模拟方法工程地质力学模拟常用的有光弹法和相似模拟法。

光弹法利用某些透明材料(如环氧树脂等)在受力变形时产生光学各向异性的特点﹐根据偏振方向不同的光线的光程差确定主应力差值﹔利用同色条纹图像﹐可得到模型中的应力状态和分布。光弹法在地质力学模拟中的进展是模拟裂隙的应力状态及岩体的不连续应力分布。光弹法多用于研究软硬双层或多层岩体结构中﹐软层的塑性流动对硬层块体稳定的影响。

相似模拟法是以相似材料或相似结构进行岩体的工程地质力学模拟方法。按试验目的﹐分为机制模拟和设计模拟。工程地质力学模拟偏重于机制模拟﹐在模拟过程中保持主要参数的相似﹐而不追求全部参数的相似﹐侧重研究岩体失稳的主要因素以及变形﹑破坏机制和方式。

相似模拟试验方法主要是应用一定配比的人工材料﹐按相似律及几何相似原理﹐制成一定比例尺的模型﹐然後对模型施以模拟实际情况的附加荷载或对模型进行开挖﹐观察模型的应力﹑应变﹑位移和破坏﹐据此推定现场岩体的应力﹑变形和破坏情况。在隧洞及地下工程岩体模拟中﹐常采用双向或三向荷载装置﹐以模拟洞室的平面应力和平面应变状态。在边坡岩体模拟中常采用立式模型架﹐主要采用重材料﹐如重晶石粉﹑钢砂等制作模型﹐模拟自重力的动力过程。有时采用底面摩擦法﹐有效地模拟体积力﹐进行边坡和洞室的模拟﹐观察变形发展阶段的状况。

工程地质力学模拟的发展趋势是与计算分析﹑原位观测相结合﹐更显示它特有的直观性。

本词条内容贡献者为:

杨刚 - 教授 - 西南大学