[科普中国]-水工结构地质力学模型试验

水工结构地质力学模型试验(Hydraulic structure geological mechanics model test)是指通过以相似原理制作的模型和所施加的荷载来模拟水工结构物和地基岩体的地质构造、物理力学特性及其在受荷载情况下产生结构破坏的试验。

简介水工结构地质力学模型试验(Hydraulic structure geological mechanics model test)是指通过以相似原理制作的模型和所施加的荷载来模拟水工结构物和地基岩体的地质构造、物理力学特性及其在受荷载情况下产生结构破坏的试验。这种试验的模型通常是采用高容重、低变形模量、低强度的材料制成。用模型材料的容量来模拟原型材料的白重。水工结构地质力学模型试验主要用于研究结构及基础在超过弹性极限以后的黏塑性范围直到破坏的静力平衡问题。由于模拟了地基的工程地质条件，因此这类模型试验是研究结构的地基及坝肩稳定，岩石高边坡稳定以及地下结构围岩稳定等问题的有效方法。在这种模型中，如果只模拟地基中的断层及软弱夹层等生要不连续体，称大块体地质力学模型。如果除模拟上述主要不连续体外，还模拟岩体中的主要节理、裂隙组，称小块体地质力学模型1。

满足条件水工结构地质力学模型试验应满足的相似条件与结构破坏模型试验相同。但对小块体地质力学模型，还应同时满足:

①岩体中各方向节理、裂隙出现的频度之比，模型应与原型(实际地基的概化模型)相同。

②岩体中节理、裂隙的连通率，模型应与原型相同;节理，裂隙面的抗剪强度，模型与原型应保持相似。

③模型中小块体材料的物理力学指标除应与原型中相应岩石试件的室内试验指标保持相似外，模型材料的小块体组合体(至少由100多块小块体砌成)的力学性能也应同原型相应岩体的宏观力学性能保持相似。

分析及应用模型材料的研究是本类模型试验的技术关键，只有采用合适的模型材料才能保证试验结果的可靠性。意大利贝加莫结构模型试验所(ISMES)首先研制出用石有、氧化铅、膨润土、水和用环氧树脂、重晶石粉、浮石粉、甘袖、水等混合料作为模型材料，其中氧化铅，环氧树脂固化剂等会造成环境行染，对人体健康有害。中国近年来采用重晶石粉、腻子、石膏、水、甘油等的混合料以及石膏、重晶石粉、铁矿石粉，砂、水、石蜡油等混合料，它们无污染、较经济。地质力学模型材料要同时满足变形特性及强度特性相似，这些问题的研究，已取得较大的进展。大块体地质力学模型的制作，可用模板现浇成型。为了减少养护干燥时间，也可采用在模板内夯击成型。对于小块体地质力学模型，由于需用上万块甚至数万块模型材料块体，故多采用压模成型，即将搅拌均匀的混合料置于钢模具内，在成型压力机上压制成各和标准尺寸的块体，用以制造模型。此种制模的方法效率较高，如改变成型压力也可以调整块材的力学性能，同时容重也会相应地改变。三轴试验结果表明，这种方祛制成的模型块体，能较好地模拟多种岩石。但这种压制的块材有时会出现各向异性的特点。由于模型材料强度较小，变形模量也较低，因此，地质力学模型试验要求加荷设备具有较高的精度，如采用加工精度较高的小型或微型千斤顶组或其他液压加荷装置。但模型加荷直至破坏时其总荷载也需增大若千倍，故通常在试验中安装两套量测压力的装置，一套量程小，分辨率高;另一套量程大，分办率较低，以适应不同加荷阶段之需。关于地震惯性力，按照静力法的概念，可将模型向惯性方向倾斜某一角度，用模型白重沿该方问的分量米近似地模拟地震惯性力。

水工结构地质力学模型试验以量测位移为主，包括模型表面的绝对位移和模型内部一些地质构造面两侧的相对位移。量测设备多采用电测微型位移传感器和自动检测记录系统。由于模型材料的变形模量比较小，在模型表面粘贴电阻应变片不能反映测点的真实应变(刚化影响)，故通常在模型表面贴电阻应变片是为了监测模型的开裂时机及裂缝的发展情况。以便配合位移的量测成果，分析判断结构物及地基失稳的发生和发展过程1。

历程水工结构地质力学模型试验于20世纪60年代首先在意大利开始进行，随后在南斯拉夫等国也相继进行这种试验，且规模较大。中国在20世纪70年代后期也开始了这方面的试验研究工作，清华大学首先开展了凤滩拱坝地质力学结构模型试验，此后中国许多高拱坝部进行过地质力学结构模型试验2。

本词条内容贡献者为:

李航 - 副教授 - 西南大学