工程地质物理模拟
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发布时间：2022-04-24 14:29
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时间：2023-10-16 10:29
1 工程地质模拟试验概述
一些与重大工程有关的复杂地质现象，在分析评价研究中，往往需要采用模拟研究手段，对其做更深入的论证与评价，模拟研究按采用的手段可分为物理模拟与数值模拟两大类型。前者包括有光弹模拟、电模拟和相似材料地质力学模拟试验等多种方法；后者采用有限元、边界元和离散元等数值计算方法。
模拟研究的基本任务是通过再现复杂地质现象的形成和演化过程，对于某些或全部课题做出论证：①验证地质分析所建立的机制模型或概念模型是否符合实际，对其演化机制作更深入的（量化）分析；②量化评价地质现象演化过程中，各主要控制要素之间及其与主导内、外营力间的相关性，论证所建立的评价模型是否合理；③量化评价地质现象或过程在所处环境条件下的演化发展趋势，论证所建立的预测模型是否可信；④量化评价工程设计或治理措施的效果，论证拟定的对策和方案是否有效和优化。
近十多年以来，我国工程地质模拟试验研究取得了长足的进展。在广泛引进国外先进技术的基础上，探索出适合于我国实际情况的研究途径，其特点是重视原型建模分析和全过程演化模拟，在研究地质灾害和复杂岩体稳定问题的模拟研究中，已逐步形成具有我国特色的研究系统。这里着重介绍相似材料地质力学模拟（geomechanical model test）的基本原理、方法和应用。
2 地质力学模拟试验原理与方法
2.1 模型的设计
按相似理论，除要求几何的、力学的相似以外，还要求原型和模型材料具有相似的变形破裂过程特征，它们的应力（σ）和应变（ξ）曲线应符合如下关系：
地壳浅表圈层与人类工程
式中：Cξ为应变相似系数（原型Cp与模型Cm的比值，下同）；Cξ为残余应变相似系数。根据量纲分析，可导出如下关系：
地壳浅表圈层与人类工程
式中Cσ、CE、CL、Cδ和Cρ分别为应力、弹模（变模）、几何尺寸、位移量和材料密度的相似系数。
模型设计中，按照设计拟定的几何相似系数，则可根据公式（2）推算出其他各项
系数，据此确定材料的选择、模型制作及加载系统的设计。
2.2 模型材料
通常可采用重晶石粉、氧化锌粉、硅藻土、磁铁矿粉、铁粉、铅粒、聚苯乙烯粒、石英砂等作为骨料。胶结剂可采用石膏、石蜡油、甘油、机油和环氧树脂等。
采用石膏作为主要胶结材料的模块，其力学特征决定于骨料的配比和胶结料的水膏比，长江科学院岩基室做了系统研究（表1）。采用石蜡油等做胶结材料，需用一些特殊的制作模块的设备压制成块，或用夯实的办法制模。模块的力学特征除与骨料选材和配比有关外，很大程度上决定于制模施加压力的大小或模块密度ρ（表2）。
表1 石膏胶结模块力学性能试验成果表
表2 粉粒材料压缩模块力学性能测试成果表
2.3 结构面模拟
通常以抗剪强度作为控制条件。摩擦系数相似系数Cf=1，黏聚力CC=Cσ。硬性结构面（如节理、裂隙等）用模块接触面模拟。模块的形状应根据裂隙的组合形式确定。在需要考虑裂隙连通率时，可将模型制成嵌合模块。
软弱结构面（如连续性较好的断层、软弱夹层、层面、地质接触面等），采用铝箔、聚乙烯薄膜作夹层材料模拟，其中还可喷上滑石粉，以获得低摩擦系数。模拟的f值可变化在0.08～0.75之间。需要模拟断层等软弱结构面的高压缩性能时，可选择适当厚度的马粪纸或软木作为垫层。
2.4 加载系统
外部荷载采用不同型号的千斤顶或压力枕（袋）等加载。模拟孔（空）隙水压力可在模块中采用砂垫充气（水）法，也可通过不同方式将水直接注入模型中。
动荷载可在作用面上安装震动器施加，按要求模拟震动效应。更为完善的办法是将整个模型置放在震动台上，由三维震动台模拟动力环境。
自重荷载是体积力。为了使模型在试验过程中能充分反映岩（土）体自重在演进中的作用，最好能使模型的密度与原型接近。大型模型试验中，必要的自重荷载补偿，可采用拉杆补压系统对模型分层加压。拉杆通过橡皮圈与施加拉力的底座相联结，橡皮圈的多少确定了拉杆承受的拉应力的大小，以此模拟重力场梯度。小型模型试验，可将模型放在离心机转斗中，通过高速旋转增加自重应力。我国长江科学院、水利水电科学院已安装了6m直径的大型高速离心机。
2.5 量测系统
测量位移的常规方法是用千分表直接测定，或采用应变片或位移传感器通过多点应变仪测量；这种测试在试验中十分必要，但有很大局限性，由于所获得的数据仅能反映固定测点的信息，难以描述全断面曲变形破裂迹象。某些材料很软的模型，也不适宜采用这种方法。根据模型试验的特点和特殊要求，我国开发采用了下列测试技术：①跟踪摄影或快速摄影；②静电复印碳粉网格，用以观察量测模型大变形后破裂出现部位和特征；③白光散斑法，量测重点测试部位全断面内微量位移形迹；④投影网格法，用以测量软材料模型大断面群点面内位移；⑤影像云纹法，用以测量较软材料模型全断面或一定面积的离面位移。
3 工程岩体稳定性评价中的应用
3.1 坝基岩体稳定性模拟
拟建的长江三峡大坝坝高175m，坝基为前震旦系闪云斜长花岗岩，岩质坚硬完整。但左厂房坝基中倾向下游的缓倾角裂隙相对较发育，又有断层与之相交，构成可能的楔形滑移体（图1a）。厂房坑段整体稳定性需要考虑以下几个主要问题：①可能的滑移体产生的条件及其对大坝稳定性的影响；②从岸边向河床方向建基面高程相差79m，是否会造成有害的不均匀压缩变形；③迎水和背水方向基坑开挖最大深度达120m，边坡稳定性如何?为论证上述问题，必须了解各坝段在设计荷载下的位移场、超载下的安全度及可能的破坏机制，为基础处理提出建议。为此长江科学院在意大利模型结构试验研究所（ISMES）提供技术咨询和量测制模设备的条件下完成了大型地质力学模型试验（图1b）。模型的CL=150，Cρ=1，CE=Cσ=CL。采用重晶石粉、机油（代替石蜡油）、立德粉（代替氧化锌粉）等压缩模块制模。缓倾裂隙和断层连通率分别为10%～50%和50%。采用系列千斤顶加载，浮托力用改变岩体密度（ρ）来表征。
图1 三峡大坝左厂房坝段稳定性地质力学模拟
试验获得以下主要结论：
（1）在设计荷载下各坝段安全储备能满足要求，而建基面安全储备又高于缓倾角裂隙面。超载（3.5N）时个别坝段出现沿下伏第一缓裂隙面滑移或伴有踵处拉裂。
（2）设计荷载下坝址与厂房相对位移很小。相邻坝段最大水平位移11.1mm，沉降相对错动最大值仅4.1mm，有利于压力管道和坝间止水设施的设计。
（3）设计荷载条件上、下边坡均稳定，超载（3.5～3.8N）时，个别坝段下边坡沿缓倾裂隙面出现明显滑移。
试验结果建议对个别南段下伏缓倾角裂隙及断层作适当补强措施。
3.2 地下洞室围岩喷锚支护作用机制模拟
试验研究了中等强度均质岩体中地下洞室围岩在不同措施条件下的稳定状况。试验模型采用石膏、沙子等材料制成四个50 cm×50 cm×20 cm的模型（图2a），分别模拟无支护（图中I）、锚杆支护（Ⅱ）、喷锚联合支护（Ⅲ）和锚杆补强（Ⅳ）等四种情况。锚杆补强是在成洞后洞壁变形已基本达到稳定状态时再插锚杆。模型放在三向加载试验装置中加压，用以模拟地应力场。模型材料抗压强度RC=2MPa，抗拉强度St=0.2MPa，弹性模量E=1.25×104MPa，泊松比μ=0.17，φ=41°，c=0.45MPa。喷层材料采用石膏、碳酸钙和水的混合料：RC=1.45MPa，St=0.28MPa，E=1.8×10MPa，喷层厚约3mm。
获得如下主要结论：①均质材料洞室中，喷锚支护同样具有明显加固效果；②不同措施，洞室围岩变形破坏形式无明显差别（图2b）；③锚杆支护和锚杆补强均对提高洞室承载能力和变形刚度有明显效果。
图2 洞室支护措施作用机制模拟试验
4 西安地裂缝形成机制模拟研究
西安地裂缝的成因有多种观点。本项研究以再现地裂缝形成演化过程为依据，论证“构造重力扩展”成因观点能否解释这种特殊地质现象。地裂缝发育在厚约5km 的新生界盖层中，周围有四条张性断层。南侧的临潼-长安大断层为盆地与秦岭褶皱带的分界断层，是一条活动性正断裂。地幔隆起轴在西安市区附近，呈 NEE向通过。模型采用重晶石粉、硅藻土和石蜡油混合料，逐层铺垫夯实，围限在代表周边断层的框架中，C L=10000。东西两侧用有机玻璃板作为剖面观察窗。底座放在拱形钢梁上，可以抬动模拟地幔隆起。南侧挡板可拉开倾斜，模拟临潼-长安断裂拉张活动。顶面采用影像云纹法测试微量离面位移（图3）。
5 长江鸡扒子滑坡与暴雨关系的模拟研究
1982年7月24日，长江云阳县城附近在暴雨作用下，发生了鸡扒子滑坡，是老滑坡的局部复活。为了论证滑坡复活与地下水水力坡度的量化关系，开展了模拟研究。模型采用细碎石、砂、土按不同比例以原型结构为依据分层制作而成。滑动面k铺上聚乙烯薄膜。沿纵剖面不同深度引出橡皮管，测量侧压管水头。人工喷水模拟降雨和暴雨。
模型中“降雨”近20h以后，于凌晨3点半钟下滑。滑后外观可与实际情况对照。起动时滑体中地下水水力坡度为1.9%，与实际推算值相近。该值可作为评价滑坡在暴雨条件下稳定性时的参考值。
图3 西安地裂缝地质力学模拟
