岩土模型试验相似设计
岩土工程中的模型试验设计与实践
岩土工程中的模型试验设计与实践岩土工程在现代化社会中有着非常重要的地位，它是建筑工程中的重要组成部分，也是保证工程质量和安全的关键环节。
模型试验设计在岩土工程中也扮演了非常重要的角色，通过一系列的模型试验，可以验证和探究设计方案的可行性和有效性，同时也可以发现并解决潜在的问题。
本文将围绕着岩土工程中模型试验设计与实践的相关问题进行探讨和介绍。
1. 岩土工程中的模型试验概述岩土工程研究的是建筑物与地基之间的相互作用，其中包含了地基土体力学、岩体力学和地震工程等。
在建筑物的设计、施工和运营中，地基的作用不可忽略，因此对地基进行各种模型试验，研究其力学特性是非常必要的。
岩土工程中的模型试验包括静力试验和动力试验两种形式。
在静力试验中，通常采用水切试验、三轴压缩试验、弯曲试验等方式，对岩土样本进行测试，确定岩土的力学特性；而在动力试验中，一般采用振动台试验、缩尺模型试验、大型桶装模型试验等方式，模拟真实工程中的岩土负荷条件，测试模型的响应特性。
2. 模型试验设计的相关工作在进行岩土工程中的模型试验之前，需要进行一系列的设计工作。
这些设计工作包括试验样品的选择、模型试验设备的选择与设计、试验方案的设计和试验数据的处理等。
以下将对这些设计工作进行介绍。
2.1 试验样品的选择在进行模型试验之前，需要先选择适合的试验样品。
这需要根据实际工程中的地基情况，确定试验样品的尺寸、形状和材料等。
对于土体试验，一般采用工程现场采取样品的方法进行试验，对于岩体试验，则需要从地下进行采样。
通过分析和测定采样的样品性质，可以确定适宜的试验样品。
2.2 模型试验设备的选择与设计模型试验设备是进行模型试验的重要基础。
要保证试验的准确性和可靠性，需要选择适当的设备，并对设备进行优化设计。
模型试验设备一般包括试验机、检测仪器、控制系统等。
在选择设备时，需要考虑实验要求、试验样品的尺寸和材料、测试精度等因素，确保设备与试验样品的相容性和精度。
相似材料模拟实验解析
实验十：相似材料模拟实验1 相似原理相似材料模拟是科学实验的一种，它是人们探讨和认识地压规律的途径之一。
用与天然岩石物理力学性质相似的人工材料，按矿山实际原型，遵循一定比例缩小做成的模型，然后在模型中开挖巷道或模拟采场工作，观察模型的变形，位移，破坏和压力等情况，据以分析，推测原型中所发生的情况，这种方法称为相似材料模拟方法。
它被用来研究采场和巷道的某些地压问题，例如估计地压大小，顶底板相对位移，冒落拱形状和大小，支架对地压底影响，地下开采对地表底影响，以及影响地压底各种因素。
要使模型中所发生的情况，能如实反映原型中所发生的情况，就必须根据问题的性质，找出主要矛盾，并根据主要矛盾，去确定原型与模型之间的相似关系和相似准则，原型与模型相似必须具备下面几个条件。
1.1 几何相似要求模型与原型的几何形状相似。
为此，必须将原型的尺寸，包括长，宽，高等都按一定比例缩小或放大，以做成模型。
设以H L 和M L 分别代表原型和模型长度，脚标M 表示模型，L α代表H L 和M L 的比值，称长度比尺，则几何相似要求，L α为常数。
常数==MHL L L α （1） 因面积是长度二次方，所以面积比尺为2L MH A A α＝ （2） 因体积是长度三次方，所以体积比尺为3L MH V V α＝ （3） 一般来说，模型越大，越能反映原型的实际情况，原型实际上1=L α，但是由于各方面条件限制。
模型又不能做的太大。
通常模拟采场用100~50=L α，即原型缩小1001~501，模型巷道用50~20=L α；即原型缩小为501~201。
1.2 运动相似要求模型与原型中，所有各对应点的运动情况相似，即要求各对应点的速度，加速度，运动时间等都成一定比例。
设以H t 和M t 分别表示原型和模型中对应点完成沿几何相似的轨迹所需的时间，以t α代表H t 和M t 的比值，称为时间比尺，则运动相似要求t α为常数。
即常数===L MHt t t αα （4）1.3 动力相似要求模型与原型的所有作用力都相似对于地压问题，按抓主要矛盾的观点进行分析，主要是考虑重力作用，要求重力相似设以H H H V r P ,,和M M M V r P ,,分别表示原型与模型对应部分的重力，视密度和体积，因为H H H V r P ⋅= （5）M M M V r P ⋅= (6)则：3LMH M r r P P α⋅= （7） 所以在几何相似条件下对重力相似，还要求M H r r ,的比尺r α为常数，即r α为视密度比尺。
地质力学模型相似材料配比的正交试验研究
地质力学模型相似材料配比的正交试验研究地质力学模型是研究地球内部结构和地质现象的重要工具。
为了更好
地模拟地质力学过程，需要使用相似材料进行实验研究。
相似材料配比是
影响地质力学模型实验结果的重要因素之一。
本文通过正交试验研究相似
材料配比对地质力学模型实验结果的影响。
首先，确定了四个影响因素：
水泥、石膏、石英砂和水的配比。
然后，采用正交试验设计，设计了16
组实验方案。
每组实验方案都包括四个因素的不同配比组合。
通过对实验
结果的分析，得出了以下结论：1.水泥和石膏的配比对实验结果的影响最大，其次是石英砂和水的配比。
2.在水泥和石膏的配比相同的情况下，石
英砂和水的配比对实验结果的影响较小。
3.在石英砂和水的配比相同的情
况下，水泥和石膏的配比对实验结果的影响较小。
4.在水泥和石膏的配比
相同的情况下，增加石英砂的配比可以提高实验结果的稳定性。
综上所述，相似材料配比对地质力学模型实验结果有着重要的影响。
通过正交试验可
以确定最优的配比组合，提高实验结果的准确性和稳定性。
地质力学模型试验中不同类型岩体的相似模拟研究
坝址 区河 流 总 体 流 向 自北 向 南 ， 谷 呈 “ 形 河 Ｖ” 深切 ， 两岸 地势 陡 峭 。拱 坝 建基 面上 出露 以 Ｉ、 Ⅱ类 岩体 为 主 ， 体 完 整 ， 整 体 一 块状 结 构 ， 新 鲜一 岩 呈 属
微 风化 ， 基岩 变形 模 量 ＝１ ～２ Ｇ ａ纵 波波 速 ｖ ６ ８ Ｐ， 。
作者简介 ： 罗
晶（９６一）女 ， １８ ， 河南 西平 人 ， 在读本科 生， 水利水 电工 程专业 。 ７ ９
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沿 面分 布有 糜棱 岩 和少量 断层 泥 。对 整个 工 程分 坝
段 分析， 究范围内的 研 某些坝 岩体材料力学 段的 参
成熟 的体 系 ， 在拱 坝设 计 与施工 、 下厂 房 洞室群 的 地 开挖 、 高边 坡 稳定 、 地铁 施工 等一 大 批岩 土工 程 和水 利工 程方 面得 到 了越来 越 多 的应 用 。 地质 力 学 模 型 试验 能 模 拟 岩体 中 的断 层 、 碎 破 带及 软弱 带 ， 有时还 能模 拟一 些 主要 节理 裂 隙组 ， 并 能体 现 出岩体 为非 均匀 性 、 弹 性及 非连 续 、 非 多裂 隙 体 的力学特 征 。 同时 ， 型 的几何 尺 寸 、 界 条件及 模 边 作用 荷载 ， 拟 岩体 的模 型材 料 的容 重 、 度 及变形 模 强
验 通 过在模 型 中模拟 建筑 物基 岩 或 围岩 的受力 及地 质 构造 ， 包括 岩体 中 的断 层 、 碎 带 、 弱夹 层 以及 破 软
节理裂隙等 ， 使模型与实际情况尽量相符 ， 从而开展
基 岩或 围岩 的变形 状 态 、 定 条件 及 其 对 建 筑 物 结 稳 构 性能 的影 响 的研 究 。 正确 地选 择模 型材 料是 能 否正确 模 拟原 型 的关 键 。恰 当地 选 择模 型材 料有 利 于地质 力 学模 型较 好 地 反 映工程 实 际 ， 实 地 反 映 地 质 构 造 与 工 程建 筑 真 之 间的关 系 ， 拟水 利 工 程 建 筑 对 岩 体 所 产 生 的 影 模 响 。本 试验 用 到 的原 理 主 要 为 相似 原理 ， 以几何 和 力 学条 件相 似为 必 要 条 件 ， 得 满 足模 拟要 求 的模 获
岩土工程中的模型试验理论与误差分析_孟衡
Se rial N o .478F ebruary .2009现 代 矿 业M ORDEN M I N I NG总第478期2009年2月第2期孟 衡(1983-),男,湖北咸宁人,在读硕士研究生,443002湖北省宜昌市。
岩土工程中的模型试验理论与误差分析孟 衡(三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室)摘 要:根据相似理论与相似三定理,利用方程推导了岩土工程中线弹性模型与破坏模型的相似准则,阐述了岩土工程中模型试验材料的选取原则,模拟岩体的方法以及模型试验的误差分析。
关键词:模型试验;相似理论;误差分析中图分类号:TD315+.3 文献标识码:A 文章编号:1009-5683(2009)02-0063-04M odel Testing Theory and Errors Analysis in G eotec hnica lEngi n eeri n gM eng H eng(Key Laboratory ofGeolog icalH azards on Three GorgesReservo ir A rea ofM i n istry ofE ducation ,Ch i n a Three Gor -ges Un i v ersity)Abst ract :Based on si m ilarity theory and t h ree si m ilarity theo re m s ,si m ilarity criteri o n of linear e las -ticity m ode l and failure m odel in geotechn ical eng i n eering is der i v ed by using t h e equation .The selection princi p le ofm ode l testi n g m ateri a ls i n the geotechn ica l eng ineeri n g ,the si m ulation m e t h od o f r ock m ass and the errors analysis ofm ode l testing are expounded .K eyw ords :M ode l tes;t S i m ilar ity theory ;E rr o r ana l y sis1 引 言在岩土工程领域,由于研究对象为岩土介质,所研究的问题往往涉及岩土介质的本构关系、岩土介质与工程结构的相互作用、岩土工程(如地下硐室、边坡、基坑等)的开挖施工工艺及在开挖和运行过程中的稳定性、岩土工程的支护与加固技术等。
岩质边坡物理模型试验相似材料研究
岩质边坡物理模型试验相似材料研究张彦君;年廷凯;王亮;唐军【摘要】岩质边坡物理模型试验中相似材料的选取与制作,通常只是考虑密度、粘聚力、内摩擦角和弹性模量参数在数值上的相似关系,并未考虑相似材料是否能够再现复杂应力条件下岩石的强度和变形特性.为了解决这一问题,通过统计分析汶川地震所诱发滑坡的地层岩性,选取其中常见的石英岩和砂岩作为沉积岩原型;确定相似材料制备的主要控制指标以及试样成型方法,并分别采用两种常用的地质模型相似材料制备方法,在实验室制备其三轴压缩试验标准试样;开展两种相似材料标准试样的三轴压缩试验,研究其在不同围压条件下的应力应变特性与破坏模式.试验结果表明:不同围压条件下,实验室制备的两种相似材料标准试样在剪切破坏之前的应力应变曲线变化规律同实际的岩石原型相符,表现为线弹性关系;相似材料标准试样所受围压与其单轴抗压强度的比值不同的情况下,试样剪切破坏时所受偏应力与其单轴抗压强度的比值与实际岩石原型三轴试验中的比值相近,但相似材料试样的破坏应变均小于实际岩石原型的破坏应变.【期刊名称】《西南交通大学学报》【年(卷),期】2019(054)001【总页数】7页(P55-60,72)【关键词】模型边坡;相似材料;沉积岩;三轴试验;应力应变特性【作者】张彦君;年廷凯;王亮;唐军【作者单位】大连理工大学土木工程学院,辽宁大连116024;大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024;大连理工大学土木工程学院,辽宁大连116024;大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024;大连理工大学土木工程学院,辽宁大连116024;大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024;大连理工大学土木工程学院,辽宁大连116024;大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024【正文语种】中文【中图分类】TU452岩质边坡物理模型试验作为研究外部环境荷载作用下边坡内部应力应变的分布和变化规律，以及再现滑坡失稳破坏和运移堆积的大变形过程的有效技术手段，其试验结果的可信性在很大程度上取决于模型边坡与原型边坡的相似程度. 因此，在进行岩质边坡物理模型试验相似设计时，构成模型边坡主体的相似材料的性质是否能够近似反映原型边坡岩体结构的特点显得尤为重要. 目前，岩质边坡物理模型试验中相似材料的选择与制备通常只是基于密度、粘聚力、内摩擦角和弹性模量等主要参数取值之间所满足的相似关系[1-8]，制备所得的相似材料虽然能够再现岩体材料的自重应力场、剪切破坏模式以及一维应力条件下的线弹性特征，但是并不能够确保其同原型边坡内部处于复杂应力条件下的岩石材料具有相似的应力应变特性. 因此，针对复杂应力条件下岩石材料及其相似材料的应力应变曲线的相似问题，本文采用目前常用的两种地质模型相似材料制备方法，确定原型岩石的相似材料各成分配比并且制备相似材料三轴压缩试验标准试样，开展相似材料室内静力三轴压缩试验，研究其相似材料在复杂应力条件下的变形和强度特性，完善岩质边坡物理模型试验相似材料的选择与制备依据.1 相似材料三轴试验标准试样制备1.1 相似材料制备的主要控制指标在岩质边坡物理模型试验的相似设计过程中，组成模型边坡的相似材料同原型边坡的岩体材料之间的物理力学参数不可能全部满足相似关系，所以需要根据试验目的确定相似材料选择与制备的主要物理力学参数控制指标. 以岩质边坡振动台模型试验为例，通常情况下，此类动力模型试验主要关注边坡在地震荷载作用下的动力响应特性和变形破坏机制. 因此，首先为了真实地还原边坡所处的自重应力场以及地震作用过程中可能具有的惯性力，模型边坡与原型边坡组成材料的密度之间需严格满足相似关系；其次，岩质边坡的变形破坏机制通常与岩体材料自身的剪切破坏紧密相关，材料自身的破坏模式可用摩尔库仑强度准则描述，因此为确保模型边坡具有同原型边坡相似的变形破坏机制，粘聚力和内摩擦角参数应当同时作为相似材料制备的控制指标；此外，地震荷载作用下岩质边坡的动力响应通常会随着地震动幅值的逐渐增加而表现出非线性特性，导致材料的弹性模量等线弹性参数之间的相似关系逐渐失效，加上弹性模量的试验确定方法并不唯一，因此实际制备相似材料时很难满足弹性模量参数之间的相似关系. 基于上述分析，本文在制备相似材料三轴试验标准试样的过程中始终确保相似材料的密度、粘聚力和内摩擦角参数严格满足相似关系，而弹性模量等参数之间的相似关系不要求严格满足，位于目标值一定范围内即可.1.2 相似材料三轴试验标准试样成型方法通常情况下，岩石介质相似材料由多种散粒体的混合物通过黏结材料胶结而成. 考虑到需要通过加压的方式使散粒体混合物充分密实和胶结，本文设计制作直径为50 mm，高度为100 mm的成型模具用于批量制作相似材料三轴试验标准试样.通过制备大量的相似材料标准试样，可以发现，由于液体介质在散粒体混合物中所占的质量百分比很小，且在压制过程中会有部分挤出，压制结束时标准试样的成型密度同其完全干燥以后的密度差别很小. 相似材料标准试样的密度简单易测，而粘聚力和内摩擦角等强度参数需要通过室内直接剪切试验或者三轴压缩试验才能测定，因此，本文在制备相似材料标准试样时首先考虑其密度是否满足相似关系. 在此基础之上，选择散粒体混合材料的成型密度作为压制过程结束的控制标准，即通过相似材料的目标密度计算标准试样的质量，量取等质量的散粒体混合物装入成型模具中，利用竖向加压将散粒体混合物的堆积高度压缩至标准试样高度，压制结束即可得到成型密度等于目标密度的标准试样. 随后，拆除模具，试样编号，待其完全干燥后重新测定试样密度，判断是否能够满足相似关系.图1 相似材料标准试样制备过程Fig.1 Manufacturing process of the standard samples for similar materials图1 为相似材料三轴试验标准试样的压制过程，万能试验机竖向压缩模具内部的散粒体混合材料，成型后拆除模具便可得到试验试样成品.1.3 相似材料组成成分及配比通过统计分析汶川地震所诱发的大型滑坡的地层岩性（表1），可以得知真实滑坡区域的岩石材料多数为沉积岩[9]. 因此，本文选取石灰岩和砂岩为岩石原型代表，制备其相似材料并开展相关试验研究.表1 汶川地震大型滑坡的地层岩性统计Tab.1 Stratigraphy of Wenchuan earthquake-induced large-scale landslides地震滑坡名称滑坡区域主要地层岩性安县大光包滑坡白云岩、灰岩、页岩、砂岩安县罐滩滑坡砂岩、灰岩、白云岩、页岩安县老鹰岩滑坡白云质灰岩北川县唐家山滑坡砂岩、泥岩、硅质岩北川县王家岩滑坡砂岩、粉砂岩、砂质页岩北川县北川中学新区滑坡粉砂岩、灰岩北川县鼓儿山滑坡粉砂岩、千枚岩、灰岩、硅质岩青川县东河口滑坡砂岩、灰岩、白云岩、千枚岩青川县窝前滑坡白云岩、硅酸盐岩、泥质岩青川县石板沟滑坡灰岩、白云岩、千枚岩青川县大岩壳滑坡白云岩、板岩青川县董家滑坡板岩汶川县牛眠沟滑坡花岗岩、砂岩、泥质板岩绵竹市文家沟滑坡灰岩、石英粉砂岩、页岩彭州市谢家店子滑坡斜长岩、火山岩、页岩、砂岩平武县平溪村滑坡灰岩平武县郑家山滑坡硅质板岩映秀—卧龙公路K24滑坡千枚岩、石英岩、灰岩目前，岩质边坡物理模型试验设计中所采用的相似材料主要有两种配制方法：（1）由重晶石粉、石英砂、石膏、甘油和水配制而成，其中重晶石粉和石英砂为骨料，石膏为黏结材料，甘油为保水剂[1-3，8]；（2）由铁粉、重晶石粉、石英砂和松香酒精溶液配制而成，其中铁粉、重晶石粉和石英砂为骨料，松香酒精溶液为黏结剂[4-7，10].针对上述两种不同的相似材料制备方法，本文前期采用响应面分析方法进行相似材料的配比试验设计，确定相似材料主要物理力学指标同其组成成分质量比例之间的回归关系. 具体说来，将相似材料的密度、粘聚力和内摩擦角作为研究指标，相似材料散粒体混合物中各成分的质量比例作为试验因素，采用数理统计响应面分析法中的二次通用旋转设计制定相似材料配比试验的方案. 随后，按照设计实验方案制备相似材料标准试样，并且进行室内试验，测定不同配比条件下标准试样的密度、粘聚力和内摩擦角等参数. 最后，根据试验数据结果，分别建立相似材料密度ρ、粘聚力c和内摩擦角ϕ同相似材料各组成成分质量比例之间的回归方程，并对回归方程以及各回归系数进行显著性检验以确保最后所得回归方程简单合理. 基于相似材料配比试验所得到的回归方程，可以相对简单的初步确定配制具有目标物理力学指标的相似材料所需要的各组成成分的质量配比，极大地减少确定相似材料各组成成分质量配比所需要的试验量. 另外，为了能够尽可能全面地研究不同制备方法所得的相似材料在复杂应力条件下的共性，本文采用段首提到的两种方法分别制备不同类型沉积岩的相似材料，其物质组成及质量比例详见表2，其中材料-1用于模拟石灰岩，材料-2用于模拟砂岩.表2 相似材料组成及质量配比Tab.2 Composition and mass mixing ratio of similar materials编号相似材料组成及配比（质量百分比/%）材料-1 重晶石粉（30）∶石英砂（57）∶石膏（5）∶甘油（3）∶水（5）材料-2 铁粉（40）∶重晶石粉（40）∶石英砂（14）∶2%浓度松香酒精溶液（6）2 相似材料标准试样静力三轴试验2.1 相似材料三轴试验方案岩质边坡振动台模型试验相似设计中，相似材料标准试样的强度和刚度通常要远低于原型材料的强度和刚度，常规的岩石静力三轴试验仪器的有效测力或者有效测压范围往往不能满足相似材料的静力三轴试验要求，因此考虑采用土体的静力三轴试验方法开展相似材料标准试样的三轴压缩试验. 基于上述考虑，适当改装大连理工大学海洋土力学试验室所拥有的应变控制式土工静力三轴仪，相似材料标准试样端部打磨光滑，并在试样外侧套上薄层乳胶膜进行防水处理后，以0.10 mm/min的剪切速率分别开展两种相似材料标准试样在不同围压作用下的静力三轴压缩试验. 图2（a）所示即为基于TSZ-1型应变控制式三轴仪所开展的相似材料静力三轴试验，图2（b）则为试验结束时压力腔室内的标准试样在轴压和围压共同作用的剪切破坏形态.图2 相似材料标准试样静力三轴实验Fig.2 Triaxial compression tests of the standard samples of similar materials2.2 相似材料三轴试验结果及强度参数确定两种相似材料在不同围压作用下的应力应变曲线分别如图3和图4所示，其中横纵坐标分别表示试样在实验过程中的轴向应变（εa）和偏应力（σ1 -σ3），σ1和σ3分别为轴压和围压. 根据图3和图 4可知，相似材料标准试样在不同围压作用下剪切破坏时的峰值应力，将其绘制于主应力坐标系内，分别拟合得到两种相似材料的破坏包线，如图5和图6所示，图中横纵坐标分别表示试样剪切破坏时的平均主应力（（σ1 + σ3）/2）和偏应力值的一半（（σ1 - σ3）/2），σc为试样的单轴抗压强度. 观察图5和图6中曲线的拟合程度，可认为实验室制备的两种相似材料的剪切破坏模式均可以采用线性摩尔库仑强度准则来描述. 上述两种相似材料静力三轴试验标准试样的密度、粘聚力及内摩擦角等参数详见表3.图3 不同围压作用下材料-1的应力应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of material-1 under various confining pressures图4 不同围压作用下材料-2的应力应变曲线Fig.4 Stress-strain curves of material-2 under various confining pressures图5 材料-1的拟合摩尔库仑破坏包络Fig.5 Fitted Mohr-Coulomb failure envelope for material-1图6 材料-2的拟合摩尔库仑破坏包线Fig.6 Fitted Mohr-Coulomb failure envelope for material-2表3 相似材料主要物理力学参数Tab.3 Physical and mechanical parameters of the similar materials编号ρ/（g·cm-3）c/MPa ϕ/（°）材料-1 2.06 0.205 38材料-2 2.52 0.147 423 复杂应力条件下的材料相似问题3.1 相似材料破坏前的应力应变过程相似问题对比分析图3和图4中两种相似材料三轴试验的偏应力与轴向应变之间的关系曲线可知，试样破坏时的偏应力和轴向应变均随着围压的增大而逐渐增加，其中，破坏时偏应力峰值的增加更为明显. 试样破坏前，两种相似材料标准试样的应力应变曲线基本都表现为线弹性关系，较小偏应力引起较大轴向应变的压密阶段不存在或是不明显，表明标准试样在制备时已经达到较大的密实度且内部存在较少的微裂隙；不同围压之下，相似材料应力应变曲线的线性变化阶段的斜率之间存在差异，表明相似材料的弹性参数会受到围压的影响. 此外，两种相似材料在较低围压之下都表现为典型的脆性破坏特点，但是随着围压的增加将会逐渐表现出延性. 例如，根据图3可以推测材料-1的脆性—延性转化围压大约为700 kPa，当试验围压大于转化围压以后，材料-1将表现出完全延性的破坏特点.通过对比分析上述两种相似材料和各向同性岩石材料[11]的静力三轴压缩试验结果可知，相似材料和各项同性岩石材料在某一围压作用下的应力应变曲线的发展过程相似，以及围压增加对应力应变曲线的影响作用相似，因此，可以认为相似材料在静力三轴试验下具有同多数岩石材料类似的强度和变形特性. 另外，考虑到相似材料在剪切破坏之前，其应力应变曲线中的线性变化阶段的弹性参数可能会受到围压影响，因此，单独依靠弹性参数来判断相似材料同岩石材料在复杂应力条件下剪切破坏之前的应力应变过程是否相似并不可靠.3.2 相似材料破坏时的应力应变状态相似问题相似关系的存在导致相似材料和岩体材料剪切破坏时的应力状态参量在数值上存在很大差距，因此，为便于对比分析相似材料与岩石材料剪切破坏时的应力应变状态，首先需要将三轴试验曲线中的应力状态参量（σ1和σ3）除以材料自身的单轴抗压强度（σc）做归一化处理.图7所示为经过归一化处理的两种相似材料的三轴压缩强度同围压之间的关系曲线，以及该试验曲线同已有沉积岩试验曲线[12]之间的对比. 观察两种相似材料的试验数据曲线发现，其变化趋势同常见沉积岩剪切破坏时的应力状态变化趋势近似：其中，材料-1的试验数据点位于白云岩和石灰岩的应力状态曲线之间，其变化趋势随着围压增加逐渐趋于石灰岩的应力状态曲线；材料-2的试验数据点多数落在白云岩的曲线之上，其变化趋势同白云岩和砂岩的应力状态曲线近似. 此外，两种相似材料在低围压作用下剪切破坏时的应力状态差别不太，意味着两种相似材料可能在低围压条件下表现出相似的脆性破坏特征.图7 相似材料同沉积岩的三轴压缩强度对比Fig.7 Comparison of the triaxial compression strength of various sedimentary rocks and the two similar materials图8 为经过归一化处理的两种相似材料在三轴压缩试验过程中破坏应变（εf）同围压之间的关系曲线，以及该试验曲线同已有沉积岩试验曲线[12]之间的对比.图8 相似材料同沉积岩三轴试验的破坏应变对比Fig.8 Comparison of the failure strains in triaxial compression tests for various sedimentary rocks and the two similar materials对比观察材料-1和材料-2的试验数据曲线可知，两种相似材料剪切破坏时的破坏应变均会随着围压增加而近似呈线性增加趋势，区别在于材料-1数据曲线增加幅度显著大于材料-2. 对比两种相似材料的试验数据曲线同常见沉积岩破坏应变的变化曲线发现，材料-1和材料-2的所有试验数据点均位于常见沉积岩破坏应变数据曲线的左上方，意味着两种相似材料在实验室围压条件下剪切破坏时的应变均大于常见沉积岩的破坏应变，推测可知在试验室围压条件下，试验室制备的相似材料的弹性模量参数明显低于常见沉积岩的弹性模量参数. 材料-1的数据曲线的变化趋势同石灰岩的破坏应变曲线变化趋势近似一致，而且根据曲线的走势，可以推测无论围压如何变化，材料-1的破坏应变总是大于常见沉积岩的破坏应变；材料-2的数据曲线的变化趋势同砂岩的破坏应变曲线变化趋势相似，根据曲线的走势，可以推测随着围压的逐渐增加，材料-2的破坏应变将逐渐接近或低于真实沉积岩的破坏应变值.综合上述对本文中两种相似材料剪切破坏时应力应变状态的分析发现，相似材料同常见沉积岩破坏时的应力状态虽然相似，但是应变状态存在较大差异，说明相似材料的选择和制备需要同时兼顾强度和变形两个方面的要求；单从相似材料剪切破坏时的应力应变变化规律来看，材料-1同石灰岩相似，材料-2同砂岩相似.4 结论通过研究实验室制备的两种相似材料在静力三轴压缩试验中的强度和变形特性，为岩质边坡物理模型试验中岩石块体相似材料的选择与制备提供合理依据，主要得出以下几点结论和建议：（1）实验室制备的两种相似材料在复杂应力条件下剪切破坏之前的应力应变曲线的变化规律同多数各项同性岩石材料基本相符，但该变化过程是否相似并不能简单采用弹性参数进行判断.（2）实验室制备的两种相似材料在复杂应力条件下剪切破坏时的应力状态同常见沉积岩相符，但破坏应变均大于常见沉积岩的破坏应变.（3）为确保相似材料能够真实模拟岩石块体在复杂应力条件下的强度和变形特性，建议在选择与制备岩石块体的相似材料时，除了必须满足相似材料同原型材料的密度、粘聚力和内摩擦角等主要指标之间的相似关系，还应当开展相似材料的强度和变形试验，综合判断相似材料剪切破坏前的应力应变过程以及剪切破坏时的应力应变状态是否与原型材料相似.【相关文献】[1]许强，刘汉香，邹威，等. 斜坡加速度动力响应特性的大型振动台试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2010，29(12)： 2420-2428.XU Qiang， LIU Hanxiang， ZOU Wei， et al. Largescale shaking table test study of acceleration dynamic response characteristics of slopes[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2010， 29(12)： 2420-2428.[2]刘汉香，许强，徐鸿彪，等. 斜坡动力变形破坏特征的振动台模型试验研究[J]. 岩土力学，2011，32（增刊2）：334-339.LIU Hanxiang， XU Qiang， XU Hongbiao， et al.Shaking table model test on slope dynamic deformation and failure[J]. Rock and Soil Mechanics， 2011，32（S2）：334-339.[3]邹威，许强，刘汉香，等. 强震作用下层状岩质斜坡破坏的大型振动台试验研究[J]. 地震工程与工程振动，2011，31(4)： 143-149.ZOU Wei， XU Qiang， LIU Hanxiang， et al. Largescale shaking table model test study on failure of layered rocky slope under strong ground motion[J]. Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2011， 31(4)：143-149.[4]董金玉，杨国香，伍法权，等. 地震作用下顺层岩质边坡动力响应和破坏模式大型振动台试验研究[J]. 岩土力学，2011，32(10)：2977-2982.DONG Jinyu，YANG Guoxiang，WU Faquan，et al.The large-scale shaking table test study of dynamic response and failure mode ofbedding rock slope under earthquake[J]. Rock and Soil Mechanics， 2011， 32(10)：2977-2982.[5]杨国香，叶海林，伍法权，等. 反倾层状结构岩质边坡动力响应特性及破坏机制振动台模型试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2012，31(11)： 2214-2221.YANG Guoxiang， YE Hailin， WU Faquan， et al.Shake table model test on dynamic response characteristic and failure mechanism of antidip layered rock slope[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2012， 31(11)： 2214-2221.[6]杨国香，伍法权，董金玉，等. 地震作用下岩质边坡动力响应特性及变形破坏机制研究[J]. 岩石力学与工程学报，2012，31(4)： 696-702.YANG Guoxiang， WU Faquan， DONG Jinyu，et al.Study of dynamic response characters and failure mechanism of rock slope under earthquake[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2012，31(4)： 696-702.[7]董金玉，杨继红，伍法权，等. 顺层岩质边坡加速度响应规律和滑动堵江机制大型振动台试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2013，32（增刊 2）：3861-3867.DONG Jinyu， YANG Jihong，WU Faquan， et rge-scale shaking table test research on acceleration response rulesof bedding layered rock slope and its blocking mechanism of river[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2013， 32（S2）：3861-3867.[8]杨长卫，张建经. 双面高陡边坡的地震滑坡响应分析[J]. 西南交通大学学报，2013，48(3)：415-422.YANG Changwei， ZHANG Jianjing. Landslide responses of high steep hill with two-side slopes under ground shaking[J]. Journal of Southwest Jiaotong University，2013，48(3)： 415-422.[9]许强，裴向军，黄润秋，等. 汶川地震大型滑坡研究[M]. 北京：科学出版社，2009：51-465.[10]王汉鹏，李术才，张强勇，等. 新型地质力学模型试验相似材料的研制[J]. 岩石力学与工程学报，2006，25(9)： 1842-1847.WANG Hanpeng， LI Shucai， ZHANG Qiangyong，et al. Development of a new geomechanical similar material[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2006， 25(9)： 1842-1847.[11]BRADY B H G， BROWN E T. Rock mechanics：for underground mining[M]. [S.l.]：Springer Science &Business Media， 2013：101-104.[12]HEUER R E， HENDRON JR A J. Geomechanical model study of the behavior of underground openings in rock subjected to static loads：report 1. development of modeling techniques[R]. Urbana: Illinois University，1969.。
地质力学模型相似材料配比的正交试验研究
地质力学模型相似材料配比的正交试验研究地质力学作为一门工程科学，被广泛应用于矿产资源勘探、岩土工程结构设计、地震预测以及其他领域，其中材料的相似性是一个重要的研究课题。
为了满足地质力学领域的要求，开展相似材料配比的正交试验研究，旨在探究两种不同材料之间的相似性差异，从而提高实际项目的工程效果。
正交试验是研究两个参数对结果的影响的科学方法，可以迅速获得实验结果和结论。
将正交试验方法应用于地质力学领域的相似材料测试，可以有效把握被研究材料的性能特征，从而有助于理解材料的相似性差异，并在材料的模拟设计中取得更好的效果。
在实际研究中，以《地质力学模型相似材料配比的正交试验研究》为例，以某种地质力学物理模型为基础，研究了两种不同材料的相似性差异。
首先，建立一个材料相似性评价模型，根据地质力学模型的要求，比较两种材料的性能。
然后，确定正交试验的参数设置，对两种不同材料进行配比，得出各自的物理参数与性能曲线，可以比较两种材料的物理特性和性能变化趋势。
根据正交试验的结果，可以得出两种材料在不同参数设置时的优劣比较，即知道在特定参数环境下，哪种材料更适合特定地质力学模型。
此外，可以对比不同参数设置下的材料性能，并给出更为精确的材料性能曲线，有助于更好地模拟材料的性能变化趋势。
在实际应用中，正交试验法可以有效验证地质力学模型中建立的不同材料之间的相似性差异，并辅助优化配比方案，提高实际项目的工程效果。
此外，正交试验法还可以用于其他工程科学领域，实现性能的优化与精确测试。
总之，正交试验是一种有效的方法，可以为地质力学模型的相似材料配比提供保障，实现材料性能的优化，提高实际项目的工程效果。
未来的研究要深入探究材料的物理特性和性能变化及其对地质力学模型的影响，以便更好地了解材料的相似性差异，进一步优化这些研究方法。
以上就是关于《地质力学模型相似材料配比的正交试验研究》的3000字文章。
这个文章介绍了正交试验法在地质力学领域的应用，以及它对优化相似材料配比方案和提高实际项目的工程效果的作用，并对未来的研究方向做出了展望。
模型试验土体相似材料关键技术及研究现状
究背景 ，提 出 了组 合滑 坡模 型相似 材料 的主体 材 料 的配 置方 法 ， 对滑坡 模 型 的较 大 的表观 密度 、 针 接近零 的粘 聚力 、较低 的弹性模量 和 渗透 系数 以 及合适 的内摩擦 角和泊 松 比 ，选 取河 砂 和重 晶石 粉为 配重 材料 ， 结剂 采用 双飞粉 ， 透性 调节 材 粘 渗 料采 用地板 蜡 ，同 时采用 膨润 土作 为调节 渗 透系 数、 弹性模 量和 内摩擦 角 ， 滑石粉 和 粉煤灰 为 中性 掺料 配制 滑坡相 似材 料 ，并研究 了材料 的表 观密 度、 粘聚力 、 内摩 擦 角 、 弹性 模量 、 松 比和饱 和渗 泊 透 系数 ６个参数 ，对 滑坡 模 型相似 材料 以及 其它 领 域 的土 体 相 似 材料 的 配 置 具 有 重要 的 参 考 意
一
０ 引 言
地下工程领域面临大量的岩土体开挖 ，开挖 பைடு நூலகம்
过程 中往 往涉 及 岩土 强度 破坏 、变 形失 稳 和加 固 处理 等 问题 ， 对这 些 复杂 问题 ， 目前 主 要采 用理 论
研究 、 理模 型和 数值 分析 的方法来 分 析处 理 。 物 基
备基本条件如下 ： ①材料各组分混合均匀 ， 材料各 向同性 ；②材料的物理力学性能稳定 ，环境因素 （ 如湿度 、 湿度等） 对其影响较小 ； ③原料配 比的改 变对 相似 材 料 的力 学 性能影 响不 大 ，要 能保 证材 料力学性能稳定 ，利于进行重复试验 ；④取材方 便， 价格 较 低 ， 作 过 程 中无 毒 无 害无 环 境 污染 。 制 特殊的土体相似材料还具有其具体的要求。 １２ 土体 相似 材料 实验 设计 理论 ． 鉴于土体相似材料试验的试验量大和试验速 度难 以提升等特点， 试验可优先选用正交试验设
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２ 相 似 理 论
相似第一定理为 ： 对相似现象 ， “ 其相似准则的 数值相同” 或表述为“ ； 对相似 的现象 ， 相似指标 其 等 于 ｌ 。该定理是由法国贝特 朗建立 的。 ” 相似 第二 定理 为 ： 一 个 现象 有 ／个 物理 量 ， “ ／ ， 且
这 些 物理 量 中含 有 ｋ个 物 理 量 的 量 纲 是 相 互 对 立
的， 那么这 ｎ个 物理 量 可 以表 示成 相 似准 则 。 ，
：， …
一
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
之 间 的函数 关 系 ” 。相 似第 二 定 理 是
由美 国白金汉 建立 ， 称 定 理 。 也
规律没有充分掌握 的复杂现象 来说具有很 大 的优
势 。 目前量 纲 分析 法应 用最 为广 泛 。
接影 响着 试 验结果 的意义 和价 值 。相似 设计 是很 多 岩 土模 型试 验 的难 点 ， 尤其 是 对 于一 些 复杂 的岩 土
后将所有 项按 相似第二定理 的要求 组成 关 系
式。
目前 相 似 准 则 的 导 出方 法 主要 有 方 程 分析 法 、 定 律 分析 法 和量纲 分析 法 。
方程分析法根 据 已知量 的关 系建立起相似准 则 ， 一种 导 出相 似 准 则 的 有 效方 法 。方 程分 析 法 是 具有结构严密 、 分析步骤易于检查 、 便于推断和比较 等优 点 。但 是 ， 采用 方 程分析 法 时 ， 方程 的建立 需要 人们对现象的机理有很深入的认识 ， 且很 多时候很 难找到方程完整的解析解 ， 从而在某种程度上就失 去 了方 程分 析 法 的意义 。 定律分析法需要人们对所研究 的对象充分掌握 全部物理定律 ， 并能辨别其主次。这种方法对 于未
粒按 最优 级配 组成 ， 以获 得 最 大 的容 重 和 较 小 的孔
隙率 ；
是线弹性材料， ｌ 重力场下小尺寸模型中应力水 在 ｇ 平很低 。在低 围压下 ， 土的应力 、 应变、 强度性状与
常 规 围压 下 有 很 大 的不 同 。 为更 好 的 模 拟 实 际情
３ ）成型后 的相 似 材料 应 具 有 较 高 的 电气 绝 缘 度 ， 不 受温 度和湿 度变 化 的影响 ， 似材料 的力 学 且 相 性 能稳定 ；
离心试验由于能模拟重力场 ， 具有广阔的前景。 关 键词 ｇ 土 工程 ； 型试 验 ； 似设 计 ； 似材料 岩 模 相 相
中图分 类号 ： Ｕ ４ Ｔ 文献 标 识码 ：Ｂ
１ 概 述
在岩土工程领域 ， 开展模 型试验 已成为研究岩 土工程问题的重要手段。岩土模型试验相似设计直
岩 土 模 型 试 验 相 似 设 计
李 冬成
（ 南海 宸公路 工程有 限公 司 ， 湖 湖南 长沙 ４００ ） １０７
摘
要 ：基 于相似 三 大定 理 ， 论 了岩 土模 型 试验 相 似 设计 方 法。岩 土模 型 试验 缩 尺模 讨
型无法模拟重力场 ， 常常需要配置相似材料 ， 相似材料 已经成为模型试验发展的瓶颈。并指 出
能 全部 掌握 机 理 的复杂 的物理 现 象是不 可 取 的。 量 纲分 析 法 的理论基 础是 关 于量纲 齐 次方 程 的 数 学理 论 ， 这也 是 定 理 能通 过 量 纲 分 析导 出 的理 论 前 提 。量 纲 分析 法 对 于 一 切机 理 尚未 彻 底 弄 清 ，
工程问题 ， 相似关 系很难考虑。本文 主要讨论岩土 模 型试验相似设计及岩土相似材料等问题。
第 ３ 第 ２期 ７卷
２１ ０ １年 ６月
湖
南
交
通
科
技
Ｖｏ ． ７ ． １３ Ｎｏ ２
ＨＵＮＡＮ Ｃ ＯＭＭＵＮＩ ＡＴ ＯＮ Ｓ Ｉ Ｃ Ｉ Ｃ ＥＮＣ Ｅ ＡＮＤ Ｔ ＨＮＯＬ ＧＹ ＥＣ Ｏ
Ｊ ｎ ２ １ ｕ ．０ １
文章编号 ： ０ ８８４ ２ １ ）２０ １ ２ １０ － Ｘ（０ ０ —０ 卜０ ４ １
作者简介 ： 李冬成 （９ ３ ） 男 ， １８ 一 ， 主要从事公路设计。
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湖
南 交 通 科 技
３ ７卷
４ 重 力 场 模 型 试 验
岩 土模 型试 验 大 多 为缩 尺 试 验 。在 ｌ 力 场 ｇ重
综 上 所 述 ， 土相 似 材料 研 制 时应 满 足 如下 原 岩
相似第三定理为 ： 对于同一类物理现象 ， “ 如果 单值量相似 ， 而且 由单 值量所组成 的相似准则在数 值上相等， 现象相似 ” 则 。该 定 理 由前 苏 联 基 尔 比
契夫 建立 。
在采用量纲分析时 ， 有可能遗漏掉说 明现象特 性的重要物理量 ， 或者选人一些次要的和对 现象来 说 关 系不 大甚 至是 错 误 的物 理 量 ； 难 区别 量 纲 相 很 同， 却具有不同物理意义的物理量 ； 很难控制量纲为 零 的物理量 ， 它们具有 自身的物理意义但并 不影 响 相似准则的形成 ， 很容易将它们忽略 ； 无法确定所求 得 的相似准则哪个是决定性的 ， 哪个是从属性的； 一 些岩土经验公式不满足量纲的和谐性 。因此量纲分 析法要求对所研究 的现象有熟悉 的了解 ， 能辨 清主
则 ：
１ ）相 似材 料应 由散 粒体组 成 ， 经胶 结 剂胶 结并
下的缩尺模型试验， 土工建筑物几何尺寸缩小 ｎ ， 倍
荷 载和应 力水 平 相应也 会缩 小 倍 。由于土 体并不
经强压成形 ， 保证有致密的结构和较大的内摩擦角 ； ２ ）散粒体应选用大比重 的物质 ， 由粗 、 并 细颗
次。
三个 相 似定理 构 成 了模 型 试验 必须 遵循 的理 论
原则 。 ‘
３ 岩 土模 型试 验相 似设 计
在利用相似三大定理指导模型试验 时， 首先应 立足相似第三定理 ， 确定现象的参量 ， 然后通过相似 第一定理提示的原则建立起该现象的全部 项， 最
收 稿 日期 ： ０ １０ －６ ２ １ —４０