地下工程模型试验新方法、新技术及工程应用
2012-6
科学出版社
张强勇、李术才、李勇、陈旭光
274
363250
地下工程模型试验新方法、新技术及工程应用系统介绍了作者近些年在地下工程地质力学模型试验相似材料、试验装置、加载系统、测试系统研制等方面提出的新方法、新技术以及这些新方法和新技术在大型地下工程模型试验中的应用。内容主要包括新型铁晶砂胶结岩土相似材料以及盐岩地下储气库介质流变相似材料的研制方法；尺寸可调、组装灵活方便的组合式地质力学模型试验台架装置以及可实施三维梯度非均匀加载的结构模型试验装置的研制技术；具有数字化、可视化和智能化功能的高地应力真三维加载地质力学模型试验系统的研制技术；能自动采集模型内部任意部位位移且具有高精度的模型位移数据自动采集系统的研制技术；模型内埋洞室的成腔装置与成腔方法；高效快捷的模型分层压实风干制作与切槽埋设测试传感器方法。地下工程模型试验新方法、新技术及工程应用还包括模型试验的新方法和新技术在大型交通、水电、采矿和能源地下工程地质力学试验中的具体应用以及相应计算与理论分析研究成果。
地下工程模型试验新方法、新技术及工程应用注重方法、技术与工程实践的紧密结合，提出的模型试验新方法和新技术皆得以工程应用并有效指导工程实践。
地下工程模型试验新方法、新技术及工程应用可供从事土木、水电、交通、能源、采矿及国防等工程领域的科研和工程技术人员使用，也可作为高等院校相关专业研究生和本科生的教学参考书。
《岩石力学与工程研究著作丛书》序《岩石力学与工程研究著作丛书》编者的话前言第1章 绪论1.1 引言1.2 地质力学模型试验的研究现状1.3 本书主要研究内容第2章 地质力学模型试验的相似条件2.1 基本概念2.2 模型试验相似三定理2.3 地质力学模型试验的相似条件2.3.1 相似模型的定义2.3.2 地质力学模型的特点2.3.3 模型试验相似条件第3章 模型试验新型相似材料的研制方法3.1 引言3.2 模型材料研制的基本原则3.3 铁晶砂胶结新型岩土相似材料的研制方法3.3.1 材料选择3.3.2 材料试件的制作方法3.3.3 材料物理力学参数试验3.3.4 材料力学特性分析3.3.5 材料的技术特性3.4 储气库介质流变相似材料的研制方法3.4.1 工程背景3.4.2 材料力学参数试验3.4.3 材料力学变形特征3.4.4 材料蠕变试验及测试结果分析3.4.5 材料技术特性第4章 新型地质力学模型试验装置与加载和稳压控制系统的研制技术4.1 引言4.2 组合式地质力学模型试验台架装置的研制技术4.2.1 装置设计与构造4.2.2 装置技术特性4.3 三维梯度非均匀加载结构模型试验装置的研制技术4.3.1 装置设计与构造4.3.2 装置工作原理4.3.3 装置技术特性4.4 高地应力真三维加载模型试验系统的研制技术4.4.1 系统构造4.4.2 系统技术特性4.5 模型数控液压加载与稳压控制系统的研制技术4.5.1 系统构造4.5.2 系统控制流程4.5.3 系统工作原理4.5.4 系统技术特性4.6 模型数控气压加载与稳压控制系统的研制技术4.6.1 系统构造4.6.2 系统工作原理4.6.3 系统技术特性第5章 大体积地质模型制作新方法与模型位移测试新技术5.1 引言5.2 地质模型分层压实风干制作与切槽埋设测试传感器方法5.2.1 材料分层压实试验装置的研制5.2.2 模型制作方法5.2.3 模型制作方法的技术特点5.3 模型内埋洞室的成型方法5.3.1 内埋洞室的成腔装置5.3.2 内埋洞室的成腔方法5.4 模型位移数据自动采集系统的研制技术5.4.1 系统工作原理5.4.2 系统各部分功能5.4.3 系统技术特性第6章 分岔隧洞围岩稳定与支护三维地质力学模型试验与分析研究6.1 引言6.2 工程概况6.3 模拟范围与相似比尺的选取6.4 模型相似材料和试验锚杆的模拟6.4.1 相似材料配比6.4.2 模型锚杆的模拟6.5 分岔隧洞模型的制作6.5.1 模型制作工艺流程6.5.2 测试传感器的埋设6.5.3 模型锚杆的施作6.5.4 制作完成的分岔隧洞三维试验模型6.6 分岔隧洞模型开挖与测试6.6.1 模型加载6.6.2 模型开挖6.6.3 模型测试6.7 模型试验结果分析6.7.1 模型Ⅰ试验结果分析6.7.2 模型Ⅱ试验结果分析6.7.3 分岔隧洞承载安全度的数值计算6.7.4 光纤光栅应变传感器测试结果分析6.7.5 洞周锚杆受力分析6.8 模型试验与数值模拟的对比分析研究6.8.1 计算条件6.8.2 连拱段至大拱段数值计算结果分析6.8.3 小间距段至连拱段数值计算结果分析6.8.4 模型试验、数值计算与现场监测结果的相互对比6.9 研究结论第7章 深部巷道围岩分区破裂与锚固三维地质力学模型试验与分析研究7.1 引言7.2 预留洞室轴向压缩破坏模型试验研究7.2.1 模型制作7.2.2 模型加载7.2.3 试验结果分析7.3 深部巷道围岩分区破裂三维地质力学模型试验研究7.3.1 分区破裂现象的现场观测7.3.2 模型相似材料7.3.3 高压加载结构模型试验系统7.3.4 模型加工制作7.3.5 模型开挖与测试7.3.6 模型试验结果分析7.3.7 分区破裂地质力学模型试验结论7.4 分区破裂机理的理论分析研究7.4.1 围岩应力场分析7.4.2 围岩应变场分析7.4.3 分区破裂过程的能量分析7.4.4 模型分区破裂现象的理论解释7.5 分区破裂岩锚支护三维地质力学模型试验研究7.5.1 引言7.5.2 分区破裂岩锚支护地质力学模型试验7.5.3 锚杆对分区破裂加固作用的理论分析7.6 研究结论第8章 地下厂房洞室群围岩稳定与支护三维地质力学模型试验与分析研究8.1 模型试验的工程背景8.1.1 工程概况8.1.2 厂区地应力测试结果8.1.3 厂区围岩分类和地下洞群设计方案8.2 厂区初始地应力场的反演8.3 带滑动墙的自平衡式三维加载模型试验台架装置的研制8.4 模型相似材料8.4.1 模型相似材料的配比8.4.2 模型锚杆和锚索的模拟8.5 模型加载、制作与开挖测试技术8.5.1 模型加载方案8.5.2 试验模型的制作8.5.3 模型量测技术8.5.4 模型超载与开挖支护8.6 模型试验结果及与数值计算的对比分析8.6.1 数值计算模型与计算结果8.6.2 模型试验与数值计算的对比第9章 深部层状盐岩地下储气库运营稳定三维地质力学模型试验研究9.1 引言9.2 模型试验概况9.3 盐岩储气库介质模型相似材料9.4 储气库三维地质力学模型试验系统9.5 储气库三维试验模型的制作工艺和方法9.6 储气库三维地质力学模型试验测试结果分析9.6.1 储气库单洞模型试验结果分析9.6.2 储气库群模型试验结果分析9.7 模型试验研究结论参考文献
第1章 绪论 1.1 引言 19世纪是桥的世纪，20世纪是高层建筑的世纪，21世纪是人类开发利用地下空间的世纪，随着我国国民经济的快速发展，许多在建和即将新建的大型地下工程不断走向深部。无论是矿产开采的地下巷道、还是水电开发的地下洞室以及交通建设的地下隧道等都逐渐向逾千米或数千米的深部方向发展。 在深部资源开采方面，近年来，随着国家对资源需求的日益增加，资源开采强度不断加大，浅部资源逐渐减少，矿山开采不断向深部发展。根据目前资源开采状况，我国煤矿开采深度以每年8～12m的速度增加，近年，已有一批煤矿进入深部开采，如淮南丁集煤矿、新汶孙村矿、沈阳采屯矿、开滦赵各庄矿、徐州张小楼矿、北票冠山矿、北京门头沟矿等皆已开采延伸到了地下近1000m的深度。据不完全统计，国外开采超千米深的金属矿山有80余座，其中最多为南非，南非绝大多数金矿的开采深度在1000m以下。另外，俄罗斯、加拿大、美国、澳大利亚的一些有色金属矿山采深亦超过1000m。 在交通建设方面，目前世界上埋深最深的隧道是连接法、意的勃朗峰公路隧道，全长11.6km，最大埋深2480m；目前已建成的西康铁路秦岭隧道全长18.46km，最大埋深1600m；秦岭终南山特长公路隧道穿越秦岭山脉的终南山，隧道全长18.004km，最大埋深为1640m。 在水电资源开发方面，埋深最大的法国谢拉水电站引水隧洞最大埋深2619m；我国在建中的雅砻江锦屏二级水电站四条深埋引水隧洞平均长度16.67km，最大埋深达到了2525m；规划中的南水北调西线工程有多条长50～130km的深部引水隧洞，最大埋深达1100m。 此外，核废料的深层地质处理深度已达数百米乃至上千米；油气能源储存工程已深达一千多米；核心防护工程如北美防空司令部深达700m等。 随着地下工程开挖深度的不断增加，深部地下洞室围岩的地质赋存环境将变得越来越复杂，在高地应力、高渗透压、高地温及开挖扰动条件下（简称“三高一扰动”），洞室围岩将出现显著的非线性变形破坏。如分区破裂现象就是深部岩体工程开挖时所发生的特有的破坏现象之一，该现象的表现特征就是在深部岩体中开挖洞室或者巷道时，在其两侧和工作面前的围岩中会产生破裂区和未破裂区逐次交替的分区破裂现象，其中破裂区是裂缝相对密集的区域，非破裂区是裂缝相对稀疏的区域，破裂区形状大致和巷道轮廓相似。 为保障深部地下工程的施工开挖与运营安全，亟须对深部地下洞室围岩稳定与支护控制进行深入研究。由于地下工程自身岩体结构和地质赋存环境的复杂性，传统的理论解析方法难以处理地下洞室这些复杂的非线性变形破坏问题。同时，鉴于数值分析方法在处理岩体破坏问题时自身具有的局限性，迄今为止，数值方法在模拟地下工程的强度破坏方面仍难以取得突破性的进展。反观地质力学模型试验，以其形象、直观、真实的特性成为研究地下工程非线性变形与强度破坏的重要手段。因此，近几十年来，地质力学模型试验在水电、交通、能源和矿山工程等领域的地下工程中发挥了越来越重要的作用。地质力学模型试验是根据一定的相似原理对特定工程地质问题进行缩尺研究的一种物理模拟方法。地质力学模型是真实物理实体的再现，在基本满足相似原理的条件下，能够比较真实地反映地质构造和工程结构的空间关系，能够比较准确地模拟岩土施工过程和把握岩土介质的力学变形特性。地质力学模型试验能较好地模拟复杂工程的施工过程以及荷载的作用方式及时间效应等，能够比较真实地反映工程的受力全过程，从弹性到塑性，一直到破坏。尤其重要的是它可以比较全面真实地模拟复杂的地质构造，发现一些新的力学现象和规律，为建立新的理论和数学模型提供依据。因此，地质力学模型试验不仅可以研究工程的正常受力状态，还可以研究工程的极限荷载及破坏形态，并能对数值计算结果进行验证和补充。正是由于地质力学模型试验技术具有上述独特的优越性，因此被国内外岩土工程界广泛重视和应用。 1.2 地质力学模型试验的研究现状 早在1936年，格恩库兹涅佐夫就提出了相似模拟方法。从20世纪初，西欧一些国家就开始进行结构模型试验，并逐渐建立了相似理论，以Fumagalli为首的专家在意大利结构模型试验所开创了工程地质力学模型试验技术，试验研究范围从弹性到塑性直至最终破坏阶段。随后，葡萄牙、前苏联、法国、德国、英国和日本等国也开展了这方面的研究。1979年，在意大利Bergamo举行的国际岩石力学大会上，Müller、Fumagalli和Barton等国际知名学者发表了各自在岩石物理模拟试验方面的成果；Kulatilake等开展了节理岩体在单轴压缩下的物理模型试验研究；Khosrow开展了在爆破荷载作用下的节理岩体的物理模型试验研究；Liu和Feng通过物理模型试验对三峡大坝坝基的稳定性进行了评估；Li等对四川金沙江流域溪洛渡水电站地下洞室群进行了高仿真的三维地质力学模型试验研究；Castro等对矿井的分块崩塌开采进行了大型三维物理模型试验研究；Jong和Meguid分别对复杂条件下的隧道开挖进行了物理模型试验研究。 在国内，清华大学、武汉大学、四川大学、山东大学、河海大学、中国矿业大学、西南交通大学、长江科学院、总参工程兵科研三所等单位，先后对国内许多大型水电、交通、能源和采矿地下工程进行了地质力学模型试验，并取得了大量研究成果。 在模型相似材料的研究方面，韩伯鲤等以铁粉、重晶石粉、红丹粉为骨料，以松香酒精溶液为胶结剂，氯丁胶为附加剂，研制出MIB和MSB地质力学模型相似材料；马芳平等以磁铁矿精矿粉、河砂、石膏或水泥、拌和用水及添加剂为原料，研制出NIOS地质力学模型材料，并成功应用于溪洛渡水电站地下洞群三维地质力学模型试验中；张杰等采用低熔点固体石蜡作为胶结剂，研制了非亲水性的固•液耦合相似材料；李树忱等用砂和滑石粉作为骨料，石蜡作为胶结剂，研制了PSTO固流耦合相似材料；徐文胜等采用标准砂、水泥、石膏、减水剂和缓凝剂为原料，研制了岩爆相似材料；何显松等采用重晶石粉、机油和可熔性高分子材料及多种添加剂，并配合温控系统研制出了变温相似材料；张强勇等通过大量材料配比和力学参数试验研制出具有力学参数变化范围广、性能稳定、价格低廉且无毒无害的铁晶砂胶结岩土相似材料以及盐岩地下储气库介质的流变相似材料。 在模型试验系统的开发研究方面，李仲奎等研制了离散化多主应力面加载及监控系统，试验系统由高压气囊、反推力板、限位千斤顶、垂直立柱、封闭式钢结构环梁、支撑钢架和空气压缩机组成，试验架尺寸较大，实现了按主应力方向进行加载；陈霞龄等研制了平面应变模型试验装置，装置由中部固定框架和前后两个井格式约束钢架组成，约束钢架可以沿纵向平移，并能绕其水平中轴旋转，当模型在处于水平位置的约束架上拼装好之后，把约束架转动竖立起来自动形成自重应力场；陈安敏等［43，44］研制了岩土工程多功能模拟试验装置，装置由承载框架、加载单元、纵控梁、竖向支撑、旋转机构、斜拉杆、减摩板等部分组成，可以进行平面地质力学模型试验、抗剪强度试验、抗弯强度试验，通用性较强；朱维申等研制了带滑动墙的自平衡三维加载模型试验装置，装置主要由三维钢结构台架装置和液压加载控制系统组成，实现了模型的侧向梯级非均匀加载；孙晓明等研制了真三轴软岩非线性力学试验系统，试验系统由主机、液压控制系统和数据采集系统三大部分组成，能进行三轴拉压、拉剪等多种组合试验和不同加卸荷过程的模拟，系统最大压力为450kN，最大拉力为75kN，试件最大尺寸为150mm×150mm×150mm；姜耀东等研制新型真三轴巷道模型试验台，试验台采用6个液压枕进行加载，能够较好地实现真三轴巷道模型试验，并且具有整体刚度好、柔性加载、受载均匀、伺服稳定的特点；蒋树屏等研制了公路隧道结构与围岩综合试验系统，系统基于“先加载、后挖洞”的原理，采用液压千斤顶在模型试件外部加载以模拟上覆岩土层自重应力，用内置千斤顶模拟开挖体应力响应变化；张强勇等研制了尺寸可调、组装灵活方便的组合式地质力学模型试验台架装置以及可实施三维梯度非均匀加载的结构模型试验装置；采用数控技术研制了具有数字化、可视化和智能化的高地应力真三维加载地质力学模型试验系统（包括数控液压加载与稳压控制系统、数控气压加载与稳压控制系统）以及能自动采集模型内部任意部位位移且具有高精度的模型位移数据自动采集系统。 1.3 本书主要研究内容 本书主要是作者主持承担完成的国家973课题（2009CB724607）、国家自然科学基金面上项目（40772173、41172268）、山东省自然科学基金项目（Y2007F52）、交通部西部交通建设科技项目的主要研究成果的体现。内容包括近些年在地下工程地质力学模型试验研究领域取得的新方法、新技术以及这些新方法和新技术在实际地下工程模型试验中的应用。在模型试验材料开发方面，研制了力学参数变化范围广、性能稳定、价格低廉且无毒无害的铁晶砂胶结新型岩土相似材料以及具有显著流变特性的盐岩地下储气库介质流变相似材料；在模型试验装置开发方面，研制了尺寸可调、组装灵活方便的组合式地质力学模型试验台架装置以及可实施非均匀加载的三维梯度非均匀加载结构模型试验装置；在模型试验加载系统开发方面，采用数控技术研制了具有数字化、可视化和智能化的高地应力真三维加载地质力学模型试验系统（包括数控液压加载与稳压控制系统、数控气压加载与稳压控制系统）；在模型试验测试系统方面，研制了能自动采集模型内部任意部位位移且具有高精度的模型位移数据自动采集系统；在大体积地质模型的制作方面，研制了模型内埋洞室的成腔装置，提出了高效快捷的模型分层压实风干制作与切槽埋设测试传感器的方法。上述地质力学模型试验的新方法和新技术已获得10余项国家发明专利，并在国内外学术期刊上公开发表。同时这些新方法和新技术也在国家大型水电、交通、采矿和能源地下工程的地质力学试验中得到成功应用，模型试验研究成果解决了工程设计和施工中的许多关键性技术问题，产生了显著的经济效益与社会效益。 第2章 地质力学模型试验的相似条件 2.1 基本概念 1.相似现象 在几何相似系统中，进行同一性质的物理过程，如果所有有关的物理量在其几何对应点及相对应的瞬时都各自保持一定的比例关系，则将这样的物理过程叫做相似现象。 相似现象遵循相同的物理定律，相互相似的现象用文字表示的物理方程式是相同的。 2.相似常数 相似常数也称相似比尺、相似系数。在相似现象中，各对应点上同种物理量的比值叫做该物理量的相似常数。通常用带下标的C表示，例如几何长度相似常数记作CL，时间相似常数记作Ct。 在相似现象中，各相似常数之间受物理定律的约束，因此这些常数往往不能任意选取。 3.相似指标 由于相似现象是性质相同的物理过程，与现象有关的各物理量都遵循相同的物理定律，从它们共同遵循的物理方程式中得到相似常数的组合，这些组合的数值受到了物理定律的约束，这就限制了各个物理量相似常数的自由选取，这种相似常数的组合就叫做相似指标。由此可见，相似现象的各个相似常数之间存在着一定的关系。 4.相似模数 将相似指标中的同种物理量之比代入，便得同一体系中各物理量的无量纲组合，这种物理量的无量纲组合称为相似模数，有时也称为相似准则、相似判据、相似不变量。在具体问题中，各个相似模数均有它自己的物理意义。 2.2 模型试验相似三定理 自然界中存在着许许多多的相似现象，称为相似现象群，对相似现象所遵循的物理方程进行分析研究，得出了关于相似现象的三条普遍性结论，被称为相似三定理。 1.相似第一定理 如果两个现象相似，则它们的相似指标等于1，对应点上相似模数（相似判据、相似准则、相似不变量）数值相等。相似第一定理表明，彼此相似的现象其相似常数的组合，即相似指标的数值必须等于1。 当已知描述现象的物理方程时，一般可以通过将相似常数代入方程式的办法求得相似指标。 2.相似第二定理 相似第二定理也称作π定理，它的含义为：若物理系统的现象相似，则其相似模数方程（相似判据方程）就相同。换言之，对所有相似的现象来说，它们各自的相似模数之间的关系完全相同。 相似第二定理的作用在于，它表明任何物理方程均可转换为无量纲量间的关系方程。无量纲模数方程包括相似模数、同种物理量之比和无量纲物理量自身。 3.相似第三定理 相似第三定理又称为相似逆定理，它描述的是现象相似的充分必要条件，即发生在几何相似系统中，物理过程用同一方程表达，包括单值量模数在内所有的相似模数在对应点上的数值相等。这说明，有些复杂现象，其物理过程要用微分方程来表达，尽管这些现象出现在几何相似系统中，表达的微分方程也相同，但还不能保证这些现象是相似的，还要求包括单值量组成的相似模数数值在对应点必须相等，才能保证现象是相似的。 相似第三定理所说的单值量条件就是得以从许多现象中把某个具体现象区分出来的条件，它包括： （1）几何条件：凡参与物理过程的物体的几何大小是应当给出的单值量条件。 （2）物理条件：凡参与物理过程的物质的性质是需要给出的单值量条件，例如材料的弹性模量、泊松比、容重、重力加速度等。
张强勇、李术才、李勇、 陈旭光所著的《地下工程模型试验新方法新技术及工程应用(精)》组织我国岩石力学工程界的精英们参与本书的撰写，来反映我国近期在岩石力学与工程领域研究取得的最新成果。本书内容涵盖岩石力学与工程的理论研究、试验方法、实验技术、计算仿真、工程实践等各个方面。
对地下工程室内试验有很大的帮助。
书很实用，对于专业人员很有用。