地質(zhì)力學(xué)模型試驗技術(shù)研究及工程應(yīng)用

董建華，張 林，陳建葉，陳 媛，胡成秋

地質(zhì)力學(xué)模型試驗技術(shù)研究及工程應(yīng)用

董建華a，b，張 林a，b，陳建葉a，b，陳 媛a，b，胡成秋a，b

（四川大學(xué)a.水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點試驗室；b.水利水電學(xué)院，成都 610065）

針對在地質(zhì)力學(xué)模型試驗研究過程中存在的巖體材料相似模擬以及結(jié)構(gòu)面相對位移測試問題，首先開展了不同性能巖體變形特性的相似模擬研究，試驗結(jié)果確定了配制巖體模型材料的成分及其制備方法，得到了水泥、石蠟和機油是影響高、中、低性能巖體模型材料變形特性的控制性因素，提出了不同變模巖體材料采用不同尺寸的模型小塊體進(jìn)行精細(xì)化模擬。同時，采用應(yīng)變測試技術(shù)，研制了用于獲取結(jié)構(gòu)面相對位移的測試儀器，測試時，用應(yīng)變儀記錄不同加載條件下相應(yīng)測點的應(yīng)變變化過程，再由埋設(shè)之前標(biāo)定得到了位移和應(yīng)變系數(shù)，即可得出位移變化過程。上述研究成果在小灣拱壩模型試驗中的應(yīng)用表明，所制備的模型材料以及結(jié)構(gòu)面相對位移測試技術(shù)是滿足模型試驗要求的。

地質(zhì)力學(xué)模型試驗；巖體相似材料；結(jié)構(gòu)面相對位移；應(yīng)變技術(shù)

1 研究背景

我國近期在建或擬建的高拱壩工程，大多位于西部地區(qū)河流上，其主要特點是山高谷深、地質(zhì)條件復(fù)雜、水庫庫容和工程規(guī)模大、地震烈度高。上述特點導(dǎo)致壩肩穩(wěn)定問題十分突出，是直接影響工程安全的重要因素，因此需要深入開展復(fù)雜巖基上高拱壩壩肩穩(wěn)定問題研究，地質(zhì)力學(xué)模型試驗是解決上述問題的一種重要方法［1－3］。

目前地質(zhì)力學(xué)模型試驗有許多關(guān)鍵技術(shù)問題至今未得到完全滿意的解決，如在模型材料相似模擬方面，高拱壩工程壩肩巖體往往存在著種類多、變形模量變化幅度大、不均勻性嚴(yán)重等特點。如某工程拱壩兩壩肩中的Ⅰ類到Ⅳ類巖體的變形模量由25 GPa變化到5 GPa；又如某工程拱壩壩肩中Ⅱ，Ⅲ1，Ⅲ2，Ⅳ1，Ⅳ2類巖體的變形模量從30 GPa到2 GPa不等，這種巖體的不均勻性特點導(dǎo)致在受力條件下變形分布不一致，對壩肩及壩基穩(wěn)定性帶來一定影響。在模型試驗中，這些巖體的不均勻性給巖體材料的相似模擬帶來了較大的困難，因此為解決巖體材料相似模擬問題，許多研究機構(gòu)對此做了大量的研究工作，并取得了一定的研究成效［4－5］，如：以環(huán)氧樹脂為膠凝劑的重晶石粉和石灰石的混合料，雖然此類材料可以獲得較高的強度和變形模量，但在配制過程中需要高溫固化，在固化過程中散發(fā)的有毒氣體會危害人體健康，且環(huán)氧樹脂價格較高［6］；武漢水利電力大學(xué)（現(xiàn)為武漢大學(xué)水利水電學(xué)院）韓伯鯉研制的MIB材料，以松香酒精溶液為膠結(jié)劑，加膜鐵粉和加膜石英砂為粗骨料，重晶石粉為細(xì)骨料，此類材料存在的問題主要是給鐵粉加膜所用的氯丁膠粘劑中含有甲苯，會對人體產(chǎn)生毒害作用，另外，鐵粉外膜一旦脫落容易生銹，影響材料性質(zhì)的穩(wěn)定性，容易導(dǎo)致試驗失?。?］。

巖體中的各類軟弱結(jié)構(gòu)面，如斷層、蝕變帶、層間錯動帶等與高拱壩壩肩整體穩(wěn)定密切相關(guān)，因此，在地質(zhì)力學(xué)模型試驗研究過程中，掌握結(jié)構(gòu)面在不同加載條件下的相對位移變化趨勢對于判斷壩肩失穩(wěn)狀態(tài)及分析整體穩(wěn)定安全度有著重要的參考依據(jù)。目前對壩體及壩肩的試驗數(shù)據(jù)測試主要包括表面位移和應(yīng)變，而對于結(jié)構(gòu)面的相對位移卻難以獲取。而目前使用的現(xiàn)場監(jiān)測儀器，主要用來測試巖石及混凝土的應(yīng)力及變形大小，此類儀器往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，所用材料具有較高的強度和彈性模量，因此無法直接使用在模型試驗上。

針對上述問題，本文首先開展了不同性能巖體的相似模擬研究，確定了配制巖體相似材料的原材料成分和制備方法，得到了在不同配比條件下，相似材料的物理力學(xué)性能與各組成摻量之間的相互關(guān)系。另外，針對模型試驗中存在著的內(nèi)部相對位移測試技術(shù)問題，采用應(yīng)變測試技術(shù)，研制了獲取結(jié)構(gòu)面相對位移的測試儀器，使用時將其預(yù)埋在結(jié)構(gòu)面內(nèi)，通過引出線與應(yīng)變測試儀相連接，試驗過程中通過應(yīng)變儀采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，并利用埋設(shè)之前標(biāo)定得到的位移與應(yīng)變關(guān)系即可換算出相應(yīng)的相對位移值。上述研究成果已在多個模型試驗中得到成功運用。

2 巖體材料相似模擬研究

為便于開展巖體材料的相似模擬研究，根據(jù)巖體變形模量E的大小，將巖體劃分為高、中、低3類：高性能巖體適用于變模在15 GPa以上的Ⅰ，Ⅱ類巖體；中等性能巖體適用于變模在6～15 GPa的Ⅲ類巖體；低性能巖體適用于變模在6GPa以下的Ⅳ，Ⅴ類巖體、卸荷巖體、柱狀節(jié)理等。

用于模擬巖體的地質(zhì)力學(xué)模型相似材料需具有高重度、低強度、低彈模的性質(zhì)，為了達(dá)到上述目標(biāo)，作者進(jìn)行了多種原料成分、多種配比的模型材料試驗。試驗結(jié)果確定了相似材料由重晶石粉、水泥、水、石蠟和液壓機油等材料組成，其中重晶石粉物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，成本較低，是一種較理想的模型材料主要成分。

在材料試驗研究過程中，配制巖體相似材料的各種原材料按不同配比制成混合料，并壓制成小塊體。材料配比中將重晶石粉的質(zhì)量單位定為100，其它成分的含量以與重晶石粉的質(zhì)量比而定（以百分比計）。試驗中所用的試件在模具中夯壓成型，成型后在室內(nèi)自然干燥后進(jìn)行力學(xué)性能試驗。

2.1 高性能巖體相似模擬

為獲得高性能巖體相似材料，在不改變其它成分配比的條件下，通過改變水泥摻量進(jìn)行了力學(xué)特性試驗研究，研究成果如圖1所示。結(jié)果表明變形模量和抗壓強度隨水泥含量增加而逐漸增加，基本成正比關(guān)系。當(dāng)水泥含量從0.5%增加到7%時，變形模量范圍從35.2 MPa增加到85.8 MPa。試驗結(jié)果表明水泥對于改善模型材料的力學(xué)性能較為敏感，當(dāng)需要配制強度較高、變形模量較大的巖體相似材料時，可采用提高水泥含量來實現(xiàn)。

2.2 中等性能巖體相似模擬

圖1 模型材料性能與水泥含量關(guān)系Fig.1 Relationship between the properties of modelmaterial and the cement content

對于中等性能的巖體材料的相似模擬，研究結(jié)果表明，在原材料配比中將不再摻入水泥和水，而是僅由重晶石粉、石蠟和機油組成，通過調(diào)節(jié)石蠟含量來實現(xiàn)。本試驗中采用的半精煉固體石蠟本身具有較強的黏附性和柔韌性，材料性能比較穩(wěn)定，作為中等性能巖體材料的黏結(jié)劑比較理想。但是由于石蠟在常溫下是固體形態(tài)，無法與模型材料充分融合，因此為增加石蠟在模型材料配比中的均勻性，在摻入其它成分之前，需將固體石蠟與重晶石粉混合后在一定溫度下溶解。試驗結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明變形模量隨石蠟含量增加而相應(yīng)增加，基本成正比關(guān)系，當(dāng)質(zhì)量比從0.5%增加到7%時，相對應(yīng)的模型材料變形模量范圍從22.5 MPa增加到35.6 MPa。

圖2 模型材料的變形模量與石蠟含量關(guān)系Fig.2 Relationship between deformation modulus ofmodelmaterial and paraffin content

2.3 低性能巖體相似模擬

對于低性能巖體，如Ⅳ，Ⅴ類巖體的相似模擬，通過調(diào)節(jié)水泥和石蠟含量已無法滿足低變模的要求。試驗結(jié)果表明提高機油的摻量對于降低變形模量具有明顯的效果，試驗結(jié)果如圖3所示。由圖可見，變形模量隨機油含量增加而降低，基本成反比關(guān)系。當(dāng)機油含量從3.5%增加到6.5%時，相對應(yīng)的變形模量范圍在22.5 MPa到14.3 MPa之間，可以滿足低性能巖體的相似模擬要求。

因此根據(jù)試驗結(jié)果可以比較方便地找到適合試驗要求的材料配比，從而減少重新進(jìn)行配比試驗的工作量，加快試驗進(jìn)度。該模型材料具有變形模量變化范圍大、性能穩(wěn)定、成本較低、物理力學(xué)參數(shù)易于調(diào)節(jié)和沒有毒副作用等特點，是一種比較理想的模擬巖體的相似材料。

圖3 模型材料的變形模量與機油含量關(guān)系Fig.3 Relationship between deformation modulus of modelmaterial and engine oil content

對于不同性能巖體進(jìn)行模擬時，所對應(yīng)的塊體形狀及體積也有所不同，如強度較高、完整性較好的高性能巖體材料的模擬可采用面積為10 cm×10 cm、厚度為7～10 cm的模型塊體進(jìn)行模擬；中等性能巖體材料的模擬通常采用面積為10 cm×10 cm、厚度為5～7 cm的模型塊體進(jìn)行模擬；Ⅳ類、Ⅴ類巖體、深部裂隙、卸荷巖體、柱狀節(jié)理等低性能巖體較常采用面積為5 cm×5 cm，厚度為1～5 cm的小塊體進(jìn)行精細(xì)模擬。

3 結(jié)構(gòu)面相對位移測試技術(shù)

由于地質(zhì)力學(xué)模型中所模擬的各類結(jié)構(gòu)面均分布在巖體內(nèi)部，這為直接測試結(jié)構(gòu)面的相對位移值帶來了較大困難，因此作者考慮利用應(yīng)變測試技術(shù)，自行研制一種能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)面在不同加載條件下的相對位移測試的試驗裝置。該試驗裝置在埋設(shè)時，能夠?qū)⒐潭ㄔ跍y試儀內(nèi)的應(yīng)變片預(yù)先產(chǎn)生一定變形，用應(yīng)變儀記錄此時的初始應(yīng)變值，在加載條件下，隨著結(jié)構(gòu)面在不同方向上的相對錯動，應(yīng)變片會隨之發(fā)生變形響應(yīng)，此時可以得到應(yīng)變變化全過程，再利用埋設(shè)之前標(biāo)定得到的位移與應(yīng)變對應(yīng)關(guān)系即可換算得到相對位移值。遵循以上研究思路，研制出了適用于地質(zhì)力學(xué)模型試驗中獲取結(jié)構(gòu)面相對位移的測試儀器，結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)面相對位移測試儀結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure ofmeasurement instrument for the relative disp lacement of structural planes

該測試儀器由底盒、彈簧片、電阻應(yīng)變片、滑動蓋等構(gòu)成，電阻應(yīng)變片為2片，分別固定于彈簧片中段的上下2面。該研究成果已獲得發(fā)明專利［8］（專利號：200910058238）。

此測試儀器在埋設(shè)結(jié)構(gòu)面內(nèi)之前需先進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定過程為：開始標(biāo)定時，使應(yīng)變片產(chǎn)生一初始應(yīng)變，此時記錄初始位移和應(yīng)變，之后將滑動蓋朝運動方向運動一段距離后，用位移數(shù)顯儀測定位移大小，用應(yīng)變儀記錄應(yīng)變值，然后依次推動滑動蓋，記錄位移和應(yīng)變大小，最后得到位移和應(yīng)變的關(guān)系曲線，根據(jù)該曲線即可獲得此儀器的標(biāo)定系數(shù)（即該曲線的斜率）。圖5所示為不同編號的位移計標(biāo)定曲線，斜率為標(biāo)定系數(shù)。

圖5 不同編號的測試儀標(biāo)定曲線Fig.5 Calibration curves of different testing instruments

將每個已注明編號的內(nèi)部位移感應(yīng)儀的系數(shù)標(biāo)定之后，即可將其埋設(shè)在設(shè)計的斷層、破碎帶及軟弱夾層等結(jié)構(gòu)面測點部位。在試驗過程中，推動塊隨著巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面的錯動而發(fā)生移動，與其滑動連接的彈簧片隨即發(fā)生回復(fù)變形，致使固定其上的電阻應(yīng)變片發(fā)生變形，使用應(yīng)變儀主機記錄應(yīng)變變化全過程，再由標(biāo)定系數(shù)即可換算得到結(jié)構(gòu)面相對位移變化趨勢。本研究成果為研究并掌握巖體斷層、破碎帶及軟弱夾層等不連續(xù)結(jié)構(gòu)面隨超載倍數(shù)的變化而發(fā)生的相對位移變化過程提供幫助，進(jìn)而為評價相應(yīng)工程的整體穩(wěn)定安全度提供依據(jù)。

4 小灣拱壩結(jié)構(gòu)模型試驗

小灣拱壩工程地質(zhì)構(gòu)造中的天然巖體具有種類多、性能差異大、不均勻性嚴(yán)重等特點，因此為便于相似模擬，將天然巖體根據(jù)風(fēng)化程度、性狀、蝕變、卸荷作用程度和試驗成果等因素分為Ⅰ—Ⅳ類，不同類型巖體的基本參數(shù)如表1所示，模型材料參數(shù)值通過相似關(guān)系換算得到。為便于對不同類別巖體分別進(jìn)行相似模擬，作者將變形模量和抗剪斷強度等性能較高的Ⅰ類和Ⅱ類巖體定義為高性能巖體，將Ⅲ類和Ⅳ類巖體分別定義為中、低性能巖體。

表1 不同類型巖體力學(xué)參數(shù)表Table 1 M echanical behavior parameters of different types of rock body

根據(jù)巖體材料相似模擬研究成果，對于高性能巖體中的Ⅰ類和Ⅱ類巖體的相似模擬，通過控制水泥摻量來實現(xiàn)，試驗結(jié)果得到Ⅰ類和Ⅱ類巖體模型材料中的水泥摻量分別為3.5%和6%；對于中性能巖體中的Ⅲ類巖體的相似模擬，在不摻加水泥和水的條件下，通過調(diào)節(jié)石蠟含量來實現(xiàn)，本次試驗中，Ⅲ類巖體中的石蠟含量為5%左右；對于低性能巖體中的Ⅳ類巖體，通過調(diào)節(jié)機油含量來實現(xiàn)，根據(jù)試驗結(jié)果，機油含量為5.5%左右。物理力學(xué)試驗結(jié)果表明，所采用的各個配比的模型材料，較好地達(dá)到了與原型巖體材料在基本力學(xué)指標(biāo)上相似的要求。圖6所示為不同類別巖體模型材料砌塊，供模型砌筑時使用。

圖6 不同類別巖體模型材料塊體Fig.6 Modelmaterial blocks of different types of rock body

在模型試驗過程中，為獲取結(jié)構(gòu)面在不同荷載條件下的相對位移變化趨勢，根據(jù)壩址區(qū)斷層和蝕變帶特點，每個測點沿斷層、蝕變帶等結(jié)構(gòu)面的走向布置位移計。在模型制作過程中，當(dāng)砌筑到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)面測點時，此時將位移測試儀進(jìn)行埋入，如圖7所示為結(jié)構(gòu)面內(nèi)測試儀與應(yīng)變儀連接示意圖，埋入時，將滑動塊推動一段距離以給予粘貼在銅片上的應(yīng)變片一定的變形，然后將應(yīng)變片通過引出線與外界的應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀相連接，應(yīng)變值的采集通過UCAM－70A型多點萬能數(shù)字測試裝置來完成。測試時，首先記錄下每個測試儀對應(yīng)測點的初始應(yīng)變，在加載條件下，即可獲得不同荷載時的應(yīng)變值，再由位移和應(yīng)變關(guān)系系數(shù)即可換算出對應(yīng)測點的相對位移值。

圖7 相對位移測試儀與應(yīng)變儀連接示意圖Fig.7 Schematic of the connection of testing instrument and strain apparatus

本試驗采用超載和強度儲備相結(jié)合的綜合法進(jìn)行試驗。模型試驗最終成果揭示了拱壩壩體和壩基失穩(wěn)前后裂縫發(fā)展的全過程及其破壞機制，得到了小灣拱壩壩肩及建基面的破壞形態(tài)和特征，確定了工程綜合穩(wěn)定安全系數(shù)。

5 結(jié) 語

本文針對地質(zhì)力學(xué)模型試驗中存在的巖體材料相似模擬以及結(jié)構(gòu)面相對位移測試問題開展研究。研究成果得到了制備模型材料的組成成分及其制備方法，試驗結(jié)果表明水泥、石蠟和機油是控制高、中、低性能巖體模型材料變形特性的主要因素。另外，針對結(jié)構(gòu)面相對位移測試問題，采用應(yīng)變測試技術(shù)，研制了用于測量地質(zhì)力學(xué)模型軟弱結(jié)構(gòu)面相對位移的應(yīng)變式內(nèi)部位移測試儀。使用時，將每個已注明編號的內(nèi)部位移感應(yīng)儀的系數(shù)標(biāo)定之后，即可埋設(shè)在根據(jù)地質(zhì)資料做成的地質(zhì)力學(xué)模型內(nèi)設(shè)計的巖體斷層、破碎帶及軟弱夾層等結(jié)構(gòu)面部位，在不同加載條件下，用應(yīng)變儀主機記錄應(yīng)變變化過程，再由標(biāo)定系數(shù)即可得出位移變化過程。本研究成果為研究并掌握巖體斷層、破碎帶及軟弱夾層等不連續(xù)結(jié)構(gòu)面隨超載倍數(shù)的變化而發(fā)生的內(nèi)部位移變化過程提供幫助，進(jìn)而為評價相應(yīng)工程的整體穩(wěn)定安全度提供依據(jù)。該測試儀器在模型試驗中的成功運用，表明該儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，制作和使用方便，測試準(zhǔn)確，可在今后的模型試驗中推廣使用。

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［8］ 張 林，胡成秋，董建華.用于測量地質(zhì)力學(xué)模型內(nèi)部位移的應(yīng)變式內(nèi)部位移測試儀：中國，200910058238［P］.2009－07－08.（ZHANG Lin，HU Cheng-qiu，DONG Jian-hua.Displacement Gauge for the Internal Displacement of Geo-mechanical Model：China，200910058238［P］.2009－07－08.（in Chinese） ）

（編輯：姜小蘭）

Techniques of Geomechanical M odel Test and Engineering App lication

DONG Jian-hua1，2，ZHANG Lin1，2，CHEN Jian-ye1，2，CHEN Yuan1，2，HU Cheng-qiu1，2
（1.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2.School ofWater Resources and Hydropower，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

The objective of the present study is to tackle problems in the simulation of rock body material and the measurement of relative displacement of structural planes in geomechanical model test.Firstly，the deformation characteristics of different rock bodymaterialswas simulated，and the composition and preparation method of rock body modelmaterialwere determined.Itwas found that the cement，paraffin and engine oilweremain factors controlling the deformation characteristics ofmodelmaterials of high，medium and low performances.Refined simulation using small blocks of different sizeswas proposed for the rockmaterialswith various deformationmoduli.Moreover，strain test technique was employed to develop ameasurement instrument for the relative displacementof structural planes.In the test，the strain changes ofmeasurement points under different loading conditionswere recorded by strain gauges，and the displacement process was obtained according to the calibrating coefficients of displacement and strain obtained before the embedment.The research findings were applied to Xiaowan arch dam model test and the results indicates that both themodelmaterial prepared in this study and themeasurement technique for relative displacement of structural planemeet the requirements ofmodel test.

geomechanicalmodel test；similar material of rock body；relative displacement of structural plane；

O319.56

A

1001－5485（2012）12－0078－05

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.12.016 2012，29（12）：78－82

2012－01－04；

2012－02－22

國家自然科學(xué)基金資助項目（50879050；51109152）；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973）項目（2010CB226802）；博士學(xué)科點專項科研基金（20100181110077）

董建華（1978－），男，山東省菏澤市人，講師，主要從事水工結(jié)構(gòu)模型試驗方面的教學(xué)與研究工作，（電話）13699486737（電子信箱）djh771002＠163.com。

陳建葉（1978－），女，浙江省諸暨市人，講師，主要從事水工結(jié)構(gòu)模型試驗方面的教學(xué)與研究工作，（電話）13882151341（電子信箱）jianyechen＠163.com。

strain technique