水工結構地質力學模型試驗(Hydraulic structure geological mechanics model test)是指通過以相似原理製作的模型和所施加的荷載來模擬水工結構物和地基岩體的地質構造、物理力學特性及其在受荷載情況下產生結構破壞的試驗。
基本介紹
- 中文名：水工結構地質力學模型試驗
- 外文名：Hydraulic structure geological mechanics model test
- 學科：水利工程
- 領域：工程技術
簡介,滿足條件,分析及套用,歷程,
簡介
水工結構地質力學模型試驗(Hydraulic structure geological mechanics model test)是指通過以相似原理製作的模型和所施加的荷載來模擬水工結構物和地基岩體的地質構造、物理力學特性及其在受荷載情況下產生結構破壞的試驗。這種試驗的模型通常是採用高容重、低變形模量、低強度的材料製成。用模型材料的容量來模擬原型材料的白重。水工結構地質力學模型試驗主要用於研究結構及基礎在超過彈性極限以後的黏塑性範圍直到破壞的靜力平衡問題。由於模擬了地基的工程地質條件，因此這類模型試驗是研究結構的地基及壩肩穩定，岩石高邊坡穩定以及地下結構圍岩穩定等問題的有效方法。在這種模型中，如果只模擬地基中的斷層及軟弱夾層等生要不連續體，稱大塊體地質力學模型。如果除模擬上述主要不連續體外，還模擬岩體中的主要節理、裂隙組，稱小塊體地質力學模型。
滿足條件
水工結構地質力學模型試驗應滿足的相似條件與結構破壞模型試驗相同。但對小塊體地質力學模型，還應同時滿足:
①岩體中各方向節理、裂隙出現的頻度之比，模型應與原型(實際地基的概化模型)相同。
②岩體中節理、裂隙的連通率，模型應與原型相同;節理，裂隙面的抗剪強度，模型與原型應保持相似。
③模型中小塊體材料的物理力學指標除應與原型中相應岩石試件的室內試驗指標保持相似外，模型材料的小塊體組合體(至少由100多塊小塊體砌成)的力學性能也應同原型相應岩體的巨觀力學性能保持相似。
分析及套用
模型材料的研究是本類模型試驗的技術關鍵，只有採用合適的模型材料才能保證試驗結果的可靠性。義大利貝加莫結構模型試驗所(ISMES)首先研製出用石有、氧化鉛、膨潤土、水和用環氧樹脂、重晶石粉、浮石粉、甘袖、水等混合料作為模型材料，其中氧化鉛，環氧樹脂固化劑等會造成環境行染，對人體健康有害。中國近年來採用重晶石粉、膩子、石膏、水、甘油等的混合料以及石膏、重晶石粉、鐵礦石粉，砂、水、石蠟油等混合料，它們無污染、較經濟。地質力學模型材料要同時滿足變形特性及強度特性相似，這些問題的研究，已取得較大的進展。大塊體地質力學模型的製作，可用模板現澆成型。為了減少養護乾燥時間，也可採用在模板內夯擊成型。對於小塊體地質力學模型，由於需用上萬塊甚至數萬塊模型材料塊體，故多採用壓模成型，即將攪拌均勻的混合料置於鋼模具內，在成型壓力機上壓製成各和標準尺寸的塊體，用以製造模型。此種制模的方法效率較高，如改變成型壓力也可以調整塊材的力學性能，同時容重也會相應地改變。三軸試驗結果表明，這種方祛製成的模型塊體，能較好地模擬多種岩石。但這種壓制的塊材有時會出現各向異性的特點。由於模型材料強度較小，變形模量也較低，因此，地質力學模型試驗要求加荷設備具有較高的精度，如採用加工精度較高的小型或微型千斤頂組或其他液壓加荷裝置。但模型加荷直至破壞時其總荷載也需增大若千倍，故通常在試驗中安裝兩套量測壓力的裝置，一套量程小，解析度高;另一套量程大，分辦率較低，以適應不同加荷階段之需。關於地震慣性力，按照靜力法的概念，可將模型向慣性方向傾斜某一角度，用模型白重沿該方問的分量米近似地模擬地震慣性力。
水工結構地質力學模型試驗以量測位移為主，包括模型表面的絕對位移和模型內部一些地質構造面兩側的相對位移。量測設備多採用電測微型位移感測器和自動檢測記錄系統。由於模型材料的變形模量比較小，在模型表面貼上電阻應變片不能反映測點的真實應變(剛化影響)，故通常在模型表面貼電阻應變片是為了監測模型的開裂時機及裂縫的發展情況。以便配合位移的量測成果，分析判斷結構物及地基失穩的發生和發展過程。
歷程
水工結構地質力學模型試驗於20世紀60年代首先在義大利開始進行，隨後在南斯拉夫等國也相繼進行這種試驗，且規模較大。中國在20世紀70年代後期也開始了這方面的試驗研究工作，清華大學首先開展了鳳灘拱壩地質力學結構模型試驗，此後中國許多高拱壩部進行過地質力學結構模型試驗。
