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成為現代巖土工程建設中最重要內容，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學模式的建立提供新依據。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，根據幾何相似常數壓縮制成的模型。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；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生哪些破壞，為改良生產工藝提供參考；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。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展要求，針對這一現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，通常將閉環回路控制系統應用其中，將試驗參數也應用到閉環回路系統中，可以準確、持續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兩個油缸，在同一面上也要施加相同壓力，防止出現受力不均情況。如果發生受力不均，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。

在實現電液伺服控制中模型試驗機硬件主要有工業控制計算機、載荷傳感器、位移傳感器以及電液伺服閥等[3]。對于工業控制計算機來說，它主要是采集、分析與整理數據，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值，經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，在數值模型計算收斂以后，抽取模型內部進行礦體開挖，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了變形與陷落情況，在最初的開挖階段，會發現地表下沉幅度很小，隨后則發現地表在逐漸增加，相對于前兩步，巖體也會出現一定下沉位移，一直到第七次時，會發現地表變化較大，同時，沉降盆地也形成了規模。

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現采空區頂板將出現逐漸增大的下沉位移量。在開挖的第七階段，采空區頂板位移數量將出現較大增幅，且多數位移矢量都直指采空區，地表也會出現較大下沉位移矢量，同時也可以發現沉陷盆地也開始慢慢形成。待到第九步開挖完成以后，發現采空區頂板位移矢量將發生較大增幅，位移矢量也將指向采空區，通常出現位移下沉情況，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頂板破壞區數值可以得知，由于礦體開挖的深入，采空區頂板的破壞區將與地表相接近，一直到第七步開挖時，采空區上部兩側會出現地表與剪切破壞區相垂直的情況，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，不僅能夠完成數學與力學難以實現的工作，還可以應對各種復雜問題，確保巖土工程順利進行。可見，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.