物理模型試驗技術研究及其在巖土工程中的應用

聶鵬 崔迪

（江西有色地質勘查五隊 江西九江 332000）

前言

物理模型試驗技術已經(jīng)成為現(xiàn)代巖土工程建設中最重要內(nèi)容，它可以全面真實的模擬較為復雜的地下工程結構，并從中找到數(shù)學與力學方法尚不能解決的問題，也正是這樣使其能夠為新理論與數(shù)學模式的建立提供新依據(jù)。在地下工程不斷增多的今天，相應的問題也多了很多，需要研究的內(nèi)容也增加，這樣也就提升了地下工程的設計要求，因此，有必要深入研究物理模式試驗技術在巖土工程中的應用。

1 物理模型概述

所謂的物理模式實際上主要指利用與原型力學特性相近的材料，根據(jù)幾何相似常數(shù)壓縮制成的模型。在這些模型中開挖如采場、巷道各種各樣的工程，以便觀察、研究工程圍巖中的變形和破壞情況；測量模擬支架一般指獲得圍巖作用在支架上的壓力，可以為各種類型新支架提供可靠依據(jù)；將多種方法應用到模型采礦層中，通過對比等方式了解這些方法將對圍巖產(chǎn)生哪些破壞，為改良生產(chǎn)工藝提供參考；在模型巖基中構建大壩，并人為的將作用力添加在模型上，待到模型被破壞為止，以此來取得壩基抗滑安全系數(shù)。在物理模式中有兩種模型，分別為定量模型與定性模型。

2 物理模型試驗技術在巖土工程中的應用

2.1 研制物理模型試驗機必要性

近年來，我國新建巖土工程所占規(guī)模逐漸增多，由此而來的工程問題變得復雜，需要被研究的內(nèi)容也比之前多了很多，這樣在一定程度上就提升了巖土工程設計標準，提高了計算精度要求[1]。但就目前情況而言，現(xiàn)有模型試驗設備無論是在控制上，還是在加載方式等各個方面都難以滿足巖土工程發(fā)展要求，針對這一現(xiàn)實應立即研制出新型物理模型試驗機，保證所研制的試驗機具有自動化性質與電液伺服控制，并可以真實反映出巖土工程真實受力情況，以此全面解決數(shù)學與力學分析所不能解決的問題，完成對重大巖土工程地質結構進行深入探究等。我國很多專家學者也為此做出了很多努力，研制出了大型真三軸物理模式試驗機。

2.2 物理模型試驗機的研制

在研制物理模型試驗機前，要了解其主要構成部分，如主機、試件室以及試驗輔助裝置等，并將電液伺服控制應用其中[2]。對于電液伺服控制來說，通常將閉環(huán)回路控制系統(tǒng)應用其中，將試驗參數(shù)也應用到閉環(huán)回路系統(tǒng)中，可以準確、持續(xù)以及自動的進行試驗變量控制等活動。高壓油應從油壓源中流出，然后再經(jīng)過過濾器流入到伺服閥中，同時伺服閥可以將所需油量輸入到油壓千斤頂中，進而向試件施壓。在設計主機系統(tǒng)時，應保證可以將試驗要求壓力全部施加在試件所有受力面上，并確保三個方向加載具有獨立性，相互之間不出現(xiàn)干擾情況。在高壓油流入到油缸以后，要做活塞運動，與連接板、傳力板等共同運動，將試件壓緊，在試件上也要留有一定荷載。由于試件尺寸偏大，在試驗階段受力面積也很大，為使每個受力面所承受的壓力相同，應在各個加載面中并聯(lián)兩個油缸，在同一面上也要施加相同壓力，防止出現(xiàn)受力不均情況。如果發(fā)生受力不均，可以在活塞和試件之間加設連接板或傳力板，并將球鉸應用到活塞和連接板之間，同時將連接板應用到平衡軸上，以此確保傳力板能夠緊貼在試件所有表面上，用于消除加載時所有構件所出現(xiàn)的附加變形與附加荷載。由于設備施加荷載增加，為避免出現(xiàn)受力分布不均情況，一定要將相對厚重、接受過正火回火處理的連接板和傳力板，以便保證荷載能夠均勻分布在加載平面中，并在兩者之間加入聚四氟乙烯薄膜，以此轉變試件表面受力情況。此外，為實現(xiàn)自動化控制，確保加載千斤頂活塞能夠連接在一起，可以將位移與壓力傳感器應用其中。

在實現(xiàn)電液伺服控制中模型試驗機硬件主要有工業(yè)控制計算機、載荷傳感器、位移傳感器以及電液伺服閥等[3]。對于工業(yè)控制計算機來說，它主要是采集、分析與整理數(shù)據(jù)，并控制整個試驗機，而載荷傳感器則是載荷控制與反饋，位移傳感器則是進行變形控制和反饋。最重要的部分則是電液伺服閥，在這一過程中，如果伺服閥被打開以后，高壓油就會進入到千斤頂油缸中，但至于油會進入到油缸的哪一處將受到控制信號幅度與極性的影響。在伺服閥中有兩個孔，一個中是高壓油入口，另一個孔是低壓油返回口。如果出現(xiàn)控制信號歸零情況，伺服閥就會閉合，只有在輸入油滿足閥輸油率時，伺服閥才能完全開放。在試驗中，如果所輸入的程序信號和反饋信號中不存在誤差，就意味著所設定的程序條件與試驗條件相符，伺服閥不變化的情況下，油缸中的油量也不會發(fā)生變化。

2.3 物理模型試驗技術在巖土工程中的應用

為進一步了解物理模型試驗所帶來的效果，通過離散單元法分析地下采礦數(shù)值，經(jīng)過多次對此實驗得知，離散單元法是一種相對簡單的驗證砌筑物理模型實驗的方法。在巖土工程實踐中，將即將開挖的礦體作為研究對象，保證水平距離為1000m、垂直距離為500m，并將模擬范圍分為三角形單元。對于模型兩端進行水平約束，在底部的水平進行垂直約束，在數(shù)值模型計算收斂以后，抽取模型內(nèi)部進行礦體開挖，水平距離保持在297m左右，垂直距離為165m進行變形與破壞對比分析。利用UDEC計算了解到地表和附近巖土出現(xiàn)了變形與陷落情況，在最初的開挖階段，會發(fā)現(xiàn)地表下沉幅度很小，隨后則發(fā)現(xiàn)地表在逐漸增加，相對于前兩步，巖體也會出現(xiàn)一定下沉位移，一直到第七次時，會發(fā)現(xiàn)地表變化較大，同時，沉降盆地也形成了規(guī)模。

通過各階段的開挖工作可以了解到，伴隨著礦體開挖，頂板也會發(fā)生較大位移，且范圍也將越來越大。在開挖的第二階段，可以看出采空區(qū)上端巖體位移矢量會逐漸縮小，但隨著礦體進一步開挖也會發(fā)現(xiàn)采空區(qū)頂板將出現(xiàn)逐漸增大的下沉位移量。在開挖的第七階段，采空區(qū)頂板位移數(shù)量將出現(xiàn)較大增幅，且多數(shù)位移矢量都直指采空區(qū)，地表也會出現(xiàn)較大下沉位移矢量，同時也可以發(fā)現(xiàn)沉陷盆地也開始慢慢形成。待到第九步開挖完成以后，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)頂板位移矢量將發(fā)生較大增幅，位移矢量也將指向采空區(qū)，通常出現(xiàn)位移下沉情況，由于與礦體相接近，下沉位移也會越大。

通過分析開挖采空區(qū)頂板破壞區(qū)數(shù)值可以得知，由于礦體開挖的深入，采空區(qū)頂板的破壞區(qū)將與地表相接近，一直到第七步開挖時，采空區(qū)上部兩側會出現(xiàn)地表與剪切破壞區(qū)相垂直的情況，同時也就意味著開挖后沉降盆地也在逐漸形成，產(chǎn)生這種結果也在說明模型試驗結果較為正確。要完成下一步開挖工作就需要將預留礦柱去掉，減少對上部巖體的保護。

3 結論

通過以上研究了解到，物理模型試驗技術是現(xiàn)階段最有效的一種方法，在巖土工程中應用具有很好效果，不僅能夠完成數(shù)學與力學難以實現(xiàn)的工作，還可以應對各種復雜問題，確保巖土工程順利進行?？梢?，物理模型試驗技術應在巖土工程中得以廣泛應用。

[1]馮振，殷躍平.我國土工離心模型試驗技術發(fā)展綜述[J].工程地質學報，2011，03：323～331.

[2]陳永輝，齊昌廣，王新泉，陳龍.透明土及其在巖土工程模型試驗中的應用研究進展[J].水利水電科技進展，2011，06：69～73.

[3]張莎莎.基于離心模型試驗的飽和土固結理論研究[D].長安大學，2011.