地下工程模型試驗新方法、新技術及工程應用（簡體書）

《地下工程模型試驗新方法、新技術及工程應用》系統介紹了作者近些年在地下工程地質力學模型試驗相似材料、試驗裝置、加載系統、測試系統研製等方面提出的新方法、新技術以及這些新方法和新技術在大型地下工程模型試驗中的應用。內容主要包括新型鐵晶砂膠結岩土相似材料以及鹽岩地下儲氣庫介質流變相似材料的研製方法；尺寸可調、組裝靈活方便的組合式地質力學模型試驗台架裝置以及可實施三維梯度非均勻加載的結構模型試驗裝置的研製技術；具有數字化、可視化和智能化功能的高地應力真三維加載地質力學模型試驗系統的研製技術；能自動採集模型內部任意部位位移且具有高精度的模型位移數據自動採集系統的研製技術；模型內埋洞室的成腔裝置與成腔方法；高效快捷的模型分層壓實風乾製作與切槽埋設測試傳感器方法。本書還包括模型試驗的新方法和新技術在大型交通、水電、採礦和能源地下工程地質力學試驗中的具體應用以及相應計算與理論分析研究成果。《地下工程模型試驗新方法、新技術及工程應用》注重方法、技術與丁程實踐的緊密結合，提出的模型試驗新方法和新技術皆得以工程應用並有效指導工程實踐。本書可供從事土木、水電、交通、能源、採礦及國防等工程領域的科研和工程技術人員使用，也可作為高等院校相關專業研究生和本科生的教學參考書。

張強勇、李術才、李勇、 陳旭光所著的《地下工程模型試驗新方法新技術及工程應用(精)》組織我國巖石力學工程界的精英們參與本書的撰寫，來反映我國近期在巖石力學與工程領域研究取得的最新成果。本書內容涵蓋巖石力學與工程的理論研究、試驗方法、實驗技術、計算仿真、工程實踐等各個方面。

《岩石力學與工程研究著作叢書》序《岩石力學與工程研究著作叢書》編者的話前言第1章 緒論1.1 引言1.2 地質力學模型試驗的研究現狀1.3 本書主要研究內容第2章 地質力學模型試驗的相似條件2.1 基本概念2.2 模型試驗相似三定理2.3 地質力學模型試驗的相似條件2.3.1 相似模型的定義2.3.2 地質力學模型的特點2.3.3 模型試驗相似條件第3章 模型試驗新型相似材料的研製方法3.1 引言3.2 模型材料研製的基本原則3.3 鐵晶砂膠結新型岩土相似材料的研製方法3.3.1 材料選擇3.3.2 材料試件的製作方法3.3.3 材料物理力學參數試驗3.3.4 材料力學特性分析3.3.5 材料的技術特性3.4 儲氣庫介質流變相似材料的研製方法3.4.1 工程背景3.4.2 材料力學參數試驗3.4.3 材料力學變形特徵3.4.4 材料蠕變試驗及測試結果分析3.4.5 材料技術特性第4章 新型地質力學模型試驗裝置與加載和穩壓控制系統的研製技術4.1 引言4.2 組合式地質力學模型試驗台架裝置的研製技術4.2.1 裝置設計與構造4.2.2 裝置技術特性4.3 三維梯度非均勻加載結構模型試驗裝置的研製技術4.3.1 裝置設計與構造4.3.2 裝置工作原理4.3.3 裝置技術特性4.4 高地應力真三維加載模型試驗系統的研製技術4.4.1 系統構造4.4.2 系統技術特性4.5 模型數控液壓加載與穩壓控制系統的研製技術4.5.1 系統構造4.5.2 系統控制流程4.5.3 系統工作原理4.5.4 系統技術特性4.6 模型數控氣壓加載與穩壓控制系統的研製技術4.6.1 系統構造4.6.2 系統工作原理4.6.3 系統技術特性第5章 大體積地質模型製作新方法與模型位移測試新技術5.1 引言5.2 地質模型分層壓實風乾製作與切槽埋設測試傳感器方法5.2.1 材料分層壓實試驗裝置的研製5.2.2 模型製作方法5.2.3 模型製作方法的技術特點5.3 模型內埋洞室的成型方法5.3.1 內埋洞室的成腔裝置5.3.2 內埋洞室的成腔方法5.4 模型位移數據自動採集系統的研製技術5.4.1 系統工作原理5.4.2 系統各部分功能5.4.3 系統技術特性第6章 分岔隧洞圍岩穩定與支護三維地質力學模型試驗與分析研究第7章 深部巷道圍岩分區破裂與錨固三維地質力學模型試驗與分析研究第8章 地下廠房洞室群圍岩穩定與支護三維地質力學模型試驗與分析研究第9章 深部層狀鹽岩地下儲氣庫運營穩定三維地質力學模型試驗研究參考文獻

第1章 緒論
1.1 引言
19世紀是橋的世紀，20世紀是高層建筑的世紀，21世紀是人類開發利用地下空間的世紀，隨著我國國民經濟的快速發展，許多在建和即將新建的大型地下工程不斷走向深部。無論是礦產開采的地下巷道、還是水電開發的地下洞室以及交通建設的地下隧道等都逐漸向逾千米或數千米的深部方向發展。
在深部資源開采方面，近年來，隨著國家對資源需求的日益增加，資源開采強度不斷加大，淺部資源逐漸減少，礦山開采不斷向深部發展。根據目前資源開采狀況，我國煤礦開采深度以每年8～12m的速度增加，近年，已有一批煤礦進入深部開采，如淮南丁集煤礦、新汶孫村礦、沈陽采屯礦、開灤趙各莊礦、徐州張小樓礦、北票冠山礦、北京門頭溝礦等皆已開采延伸到了地下近1000m的深度。據不完全統計，國外開采超千米深的金屬礦山有80余座，其中最多為南非，南非絕大多數金礦的開采深度在1000m以下。另外，俄羅斯、加拿大、美國、澳大利亞的一些有色金屬礦山采深亦超過1000m。
在交通建設方面，目前世界上埋深最深的隧道是連接法、意的勃朗峰公路隧道，全長11.6km，最大埋深2480m；目前已建成的西康鐵路秦嶺隧道全長18.46km，最大埋深1600m；秦嶺終南山特長公路隧道穿越秦嶺山脈的終南山，隧道全長18.004km，最大埋深為1640m。
在水電資源開發方面，埋深最大的法國謝拉水電站引水隧洞最大埋深2619m；我國在建中的雅礱江錦屏二級水電站四條深埋引水隧洞平均長度16.67km，最大埋深達到了2525m；規劃中的南水北調西線工程有多條長50～130km的深部引水隧洞，最大埋深達1100m。
此外，核廢料的深層地質處理深度已達數百米乃至上千米；油氣能源儲存工程已深達一千多米；核心防護工程如北美防空司令部深達700m等。
隨著地下工程開挖深度的不斷增加，深部地下洞室圍巖的地質賦存環境將變得越來越復雜，在高地應力、高滲透壓、高地溫及開挖擾動條件下（簡稱“三高一擾動”），洞室圍巖將出現顯著的非線性變形破壞。如分區破裂現象就是深部巖體工程開挖時所發生的特有的破壞現象之一，該現象的表現特征就是在深部巖體中開挖洞室或者巷道時，在其兩側和工作面前的圍巖中會產生破裂區和未破裂區逐次交替的分區破裂現象，其中破裂區是裂縫相對密集的區域，非破裂區是裂縫相對稀疏的區域，破裂區形狀大致和巷道輪廓相似。
為保障深部地下工程的施工開挖與運營安全，亟須對深部地下洞室圍巖穩定與支護控制進行深入研究。由于地下工程自身巖體結構和地質賦存環境的復雜性，傳統的理論解析方法難以處理地下洞室這些復雜的非線性變形破壞問題。同時，鑒于數值分析方法在處理巖體破壞問題時自身具有的局限性，迄今為止，數值方法在模擬地下工程的強度破壞方面仍難以取得突破性的進展。反觀地質力學模型試驗，以其形象、直觀、真實的特性成為研究地下工程非線性變形與強度破壞的重要手段。因此，近幾十年來，地質力學模型試驗在水電、交通、能源和礦山工程等領域的地下工程中發揮了越來越重要的作用。地質力學模型試驗是根據一定的相似原理對特定工程地質問題進行縮尺研究的一種物理模擬方法。地質力學模型是真實物理實體的再現，在基本滿足相似原理的條件下，能夠比較真實地反映地質構造和工程結構的空間關系，能夠比較準確地模擬巖土施工過程和把握巖土介質的力學變形特性。地質力學模型試驗能較好地模擬復雜工程的施工過程以及荷載的作用方式及時間效應等，能夠比較真實地反映工程的受力全過程，從彈性到塑性，一直到破壞。尤其重要的是它可以比較全面真實地模擬復雜的地質構造，發現一些新的力學現象和規律，為建立新的理論和數學模型提供依據。因此，地質力學模型試驗不僅可以研究工程的正常受力狀態，還可以研究工程的極限荷載及破壞形態，并能對數值計算結果進行驗證和補充。正是由于地質力學模型試驗技術具有上述獨特的優越性，因此被國內外巖土工程界廣泛重視和應用。
1.2 地質力學模型試驗的研究現狀
早在1936年，格恩庫茲涅佐夫就提出了相似模擬方法。從20世紀初，西歐一些國家就開始進行結構模型試驗，并逐漸建立了相似理論，以Fumagalli為首的專家在意大利結構模型試驗所開創了工程地質力學模型試驗技術，試驗研究范圍從彈性到塑性直至最終破壞階段。隨后，葡萄牙、前蘇聯、法國、德國、英國和日本等國也開展了這方面的研究。1979年，在意大利Bergamo舉行的國際巖石力學大會上，Müller、Fumagalli和Barton等國際知名學者發表了各自在巖石物理模擬試驗方面的成果；Kulatilake等開展了節理巖體在單軸壓縮下的物理模型試驗研究；Khosrow開展了在爆破荷載作用下的節理巖體的物理模型試驗研究；Liu和Feng通過物理模型試驗對三峽大壩壩基的穩定性進行了評估；Li等對四川金沙江流域溪洛渡水電站地下洞室群進行了高仿真的三維地質力學模型試驗研究；Castro等對礦井的分塊崩塌開采進行了大型三維物理模型試驗研究；Jong和Meguid分別對復雜條件下的隧道開挖進行了物理模型試驗研究。
在國內，清華大學、武漢大學、四川大學、山東大學、河海大學、中國礦業大學、西南交通大學、長江科學院、總參工程兵科研三所等單位，先后對國內許多大型水電、交通、能源和采礦地下工程進行了地質力學模型試驗，并取得了大量研究成果。
在模型相似材料的研究方面，韓伯鯉等以鐵粉、重晶石粉、紅丹粉為骨料，以松香酒精溶液為膠結劑，氯丁膠為附加劑，研制出MIB和MSB地質力學模型相似材料；馬芳平等以磁鐵礦精礦粉、河砂、石膏或水泥、拌和用水及添加劑為原料，研制出NIOS地質力學模型材料，并成功應用于溪洛渡水電站地下洞群三維地質力學模型試驗中；張杰等采用低熔點固體石蠟作為膠結劑，研制了非親水性的固?液耦合相似材料；李樹忱等用砂和滑石粉作為骨料，石蠟作為膠結劑，研制了PSTO固流耦合相似材料；徐文勝等采用標準砂、水泥、石膏、減水劑和緩凝劑為原料，研制了巖爆相似材料；何顯松等采用重晶石粉、機油和可熔性高分子材料及多種添加劑，并配合溫控系統研制出了變溫相似材料；張強勇等通過大量材料配比和力學參數試驗研制出具有力學參數變化范圍廣、性能穩定、價格低廉且無毒無害的鐵晶砂膠結巖土相似材料以及鹽巖地下儲氣庫介質的流變相似材料。
在模型試驗系統的開發研究方面，李仲奎等研制了離散化多主應力面加載及監控系統，試驗系統由高壓氣囊、反推力板、限位千斤頂、垂直立柱、封閉式鋼結構環梁、支撐鋼架和空氣壓縮機組成，試驗架尺寸較大，實現了按主應力方向進行加載；陳霞齡等研制了平面應變模型試驗裝置，裝置由中部固定框架和前后兩個井格式約束鋼架組成，約束鋼架可以沿縱向平移，并能繞其水平中軸旋轉，當模型在處于水平位置的約束架上拼裝好之后，把約束架轉動豎立起來自動形成自重應力場；陳安敏等［43，44］研制了巖土工程多功能模擬試驗裝置，裝置由承載框架、加載單元、縱控梁、豎向支撐、旋轉機構、斜拉桿、減摩板等部分組成，可以進行平面地質力學模型試驗、抗剪強度試驗、抗彎強度試驗，通用性較強；朱維申等研制了帶滑動墻的自平衡三維加載模型試驗裝置，裝置主要由三維鋼結構臺架裝置和液壓加載控制系統組成，實現了模型的側向梯級非均勻加載；孫曉明等研制了真三軸軟巖非線性力學試驗系統，試驗系統由主機、液壓控制系統和數據采集系統三大部分組成，能進行三軸拉壓、拉剪等多種組合試驗和不同加卸荷過程的模擬，系統最大壓力為450kN，最大拉力為75kN，試件最大尺寸為150mm×150mm×150mm；姜耀東等研制新型真三軸巷道模型試驗臺，試驗臺采用6個液壓枕進行加載，能夠較好地實現真三軸巷道模型試驗，并且具有整體剛度好、柔性加載、受載均勻、伺服穩定的特點；蔣樹屏等研制了公路隧道結構與圍巖綜合試驗系統，系統基于“先加載、后挖洞”的原理，采用液壓千斤頂在模型試件外部加載以模擬上覆巖土層自重應力，用內置千斤頂模擬開挖體應力響應變化；張強勇等研制了尺寸可調、組裝靈活方便的組合式地質力學模型試驗臺架裝置以及可實施三維梯度非均勻加載的結構模型試驗裝置；采用數控技術研制了具有數字化、可視化和智能化的高地應力真三維加載地質力學模型試驗系統（包括數控液壓加載與穩壓控制系統、數控氣壓加載與穩壓控制系統）以及能自動采集模型內部任意部位位移且具有高精度的模型位移數據自動采集系統。
1.3 本書主要研究內容
本書主要是作者主持承擔完成的國家973課題（2009CB724607）、國家自然科學基金面上項目（40772173、41172268）、山東省自然科學基金項目（Y2007F52）、交通部西部交通建設科技項目的主要研究成果的體現。內容包括近些年在地下工程地質力學模型試驗研究領域取得的新方法、新技術以及這些新方法和新技術在實際地下工程模型試驗中的應用。在模型試驗材料開發方面，研制了力學參數變化范圍廣、性能穩定、價格低廉且無毒無害的鐵晶砂膠結新型巖土相似材料以及具有顯著流變特性的鹽巖地下儲氣庫介質流變相似材料；在模型試驗裝置開發方面，研制了尺寸可調、組裝靈活方便的組合式地質力學模型試驗臺架裝置以及可實施非均勻加載的三維梯度非均勻加載結構模型試驗裝置；在模型試驗加載系統開發方面，采用數控技術研制了具有數字化、可視化和智能化的高地應力真三維加載地質力學模型試驗系統（包括數控液壓加載與穩壓控制系統、數控氣壓加載與穩壓控制系統）；在模型試驗測試系統方面，研制了能自動采集模型內部任意部位位移且具有高精度的模型位移數據自動采集系統；在大體積地質模型的制作方面，研制了模型內埋洞室的成腔裝置，提出了高效快捷的模型分層壓實風干制作與切槽埋設測試傳感器的方法。上述地質力學模型試驗的新方法和新技術已獲得10余項國家發明專利，并在國內外學術期刊上公開發表。同時這些新方法和新技術也在國家大型水電、交通、采礦和能源地下工程的地質力學試驗中得到成功應用，模型試驗研究成果解決了工程設計和施工中的許多關鍵性技術問題，產生了顯著的經濟效益與社會效益。
第2章 地質力學模型試驗的相似條件
2.1 基本概念
1.相似現象
在幾何相似系統中，進行同一性質的物理過程，如果所有有關的物理量在其幾何對應點及相對應的瞬時都各自保持一定的比例關系，則將這樣的物理過程叫做相似現象。
相似現象遵循相同的物理定律，相互相似的現象用文字表示的物理方程式是相同的。
2.相似常數
相似常數也稱相似比尺、相似系數。在相似現象中，各對應點上同種物理量的比值叫做該物理量的相似常數。通常用帶下標的C表示，例如幾何長度相似常數記作CL，時間相似常數記作Ct。
在相似現象中，各相似常數之間受物理定律的約束，因此這些常數往往不能任意選取。
3.相似指標
由于相似現象是性質相同的物理過程，與現象有關的各物理量都遵循相同的物理定律，從它們共同遵循的物理方程式中得到相似常數的組合，這些組合的數值受到了物理定律的約束，這就限制了各個物理量相似常數的自由選取，這種相似常數的組合就叫做相似指標。由此可見，相似現象的各個相似常數之間存在著一定的關系。
4.相似模數
將相似指標中的同種物理量之比代入，便得同一體系中各物理量的無量綱組合，這種物理量的無量綱組合稱為相似模數，有時也稱為相似準則、相似判據、相似不變量。在具體問題中，各個相似模數均有它自己的物理意義。
2.2 模型試驗相似三定理
自然界中存在著許許多多的相似現象，稱為相似現象群，對相似現象所遵循的物理方程進行分析研究，得出了關于相似現象的三條普遍性結論，被稱為相似三定理。
1.相似第一定理
如果兩個現象相似，則它們的相似指標等于1，對應點上相似模數（相似判據、相似準則、相似不變量）數值相等。相似第一定理表明，彼此相似的現象其相似常數的組合，即相似指標的數值必須等于1。
當已知描述現象的物理方程時，一般可以通過將相似常數代入方程式的辦法求得相似指標。
2.相似第二定理
相似第二定理也稱作π定理，它的含義為：若物理系統的現象相似，則其相似模數方程（相似判據方程）就相同。換言之，對所有相似的現象來說，它們各自的相似模數之間的關系完全相同。
相似第二定理的作用在于，它表明任何物理方程均可轉換為無量綱量間的關系方程。無量綱模數方程包括相似模數、同種物理量之比和無量綱物理量自身。
3.相似第三定理
相似第三定理又稱為相似逆定理，它描述的是現象相似的充分必要條件，即發生在幾何相似系統中，物理過程用同一方程表達，包括單值量模數在內所有的相似模數在對應點上的數值相等。這說明，有些復雜現象，其物理過程要用微分方程來表達，盡管這些現象出現在幾何相似系統中，表達的微分方程也相同，但還不能保證這些現象是相似的，還要求包括單值量組成的相似模數數值在對應點必須相等，才能保證現象是相似的。
相似第三定理所說的單值量條件就是得以從許多現象中把某個具體現象區分出來的條件，它包括：
（1）幾何條件：凡參與物理過程的物體的幾何大小是應當給出的單值量條件。
（2）物理條件：凡參與物理過程的物質的性質是需要給出的單值量條件，例如材料的彈性模量、泊松比、容重、重力加速度等。