相似模擬（Similar simulation）是一種重要的科學研究手段，是在實驗室內按相似原理製作與原型相似的模型，藉助測試儀表觀測模型內力學參數及其分布規律，利用在模型上研究的結果，藉以推斷原型中可能發生的力學現象以及岩體壓力分布的規律，從而解決岩體工程生產中的實際問題。
基本介紹
- 中文名：相似模擬
- 外文名：Similar simulation
- 涉及學科：信息科學
- 是指：一種重要的科學研究手段
- 目的：藉以推斷原型中可能發生的
- 套用：解決岩體工程生產中的實際問題
相似模擬研究的基本概念,作用,相似模擬的套用,相似模擬實驗技術的發展,存在的問題,
相似模擬研究的基本概念
相似模擬研究是一種重要的科學研究手段，是在實驗室內按相似原理製作與原型相似的模型，藉助測試儀表觀測模型內力學參數及其分布規律，利用在模型上研究的結果，藉以推斷原型中可能發生的力學現象以及岩體壓力分布的規律，從而解決岩體工程生產中的實際問題。這種研究方法具有直觀、簡便、經濟、快速以及實驗周期短等優點。而且能夠根據需要，通過固定某些參數，改變另一些參數來研究巷（隧）道圍岩應力和採礦工作面附近支撐壓力在空間與時間上的分布規律和變化情況以及某些參數對岩體壓力的影響，這在現場條件下是難以實現的。
作用
（1）輔助現場岩體壓力實測的研究，現場實測一般需要較多的人力、物力，工作量大、耗費時間長，同時，不能直觀地了解嗣岩中發生的應力變化和破壞過程以及內部狀態，觀察還常常受到生產工作的制約甚至影響生產。而用模型研究時，可以大致了解圍岩的全面情況和變化過程，能清楚、方便地研究大範圍岩體內的應力分布狀態和變形規律。
（2）給工程施工的新技術、新工藝以及施工技術的新方案的工業試驗提供有價值的參考數據，不論是在礦山生產中，還是在地下工程實踐中，每一項重大的、新的技術方案都必須經過工業試驗。一般情況下，工業試驗需要較多的人力、物力和財力，並牽涉到與正常生產的關係等問題，因此，工業試驗前對新方案必須有一定把握，模型實驗可以幫助了解所實施新方案的可靠性，為工業試驗作準備。
（3）幫助解決目前用理論分析方法尚不能解決的一些岩體壓力問題。 近年來，雖然理論分析方法有很大發展，但對某些個別（特殊）斷面形狀巷道周邊的應力分布，特別是地壓活動的規律，尚需通過模型實驗和現場的調查觀測綜合分析獲得。
必須指出，模擬研究有一定的局限性，這是因為岩體的力學性質以及地壓活動規律比較複雜，完全、準確地模擬它們較難做到。當然，模型畢竟不是原型，不可能也沒有必要在一切方面都做到相似，應當根據所研究的內容確定相似條件，而相似模擬實驗的成功關鍵在於抓住研究問題的本質，以相似理論為依據，採用先進的試驗設備和嚴謹的科學態度，從模型實驗的結果來推測在原型可能出現的力學現象。另外，目前，模擬技術還不夠完善。有些模型實驗是基於某些假設上，如果在模擬研究中做了一些不當的修改，或者某些基本因素達不到相似條件，就難以由模型實驗結果去推斷原型可能出現的地壓現象。這樣，現場實測和實驗室模擬的綜合研究就是非常重要。
相似模擬的套用
各種科研問題的研究方法，通常有理論分析、實際觀測與模擬實驗三種。模擬實驗與前兩種研究方法相比，其優點為可人為控制和改變實驗條件，從而可確定單因素或多因素對比研究問題影響的規律，實驗效應直觀清楚、實驗周期短、見效快、費用低。
20世紀60年代以來，模擬實驗被我國廣泛套用於水利、採礦、地質、鐵道以及岩土工程等部門，並取得了顯著的技術成就和經濟效益，已成為一種有力的科學研究手段。相似材料模擬已成為國內外進行重大岩體工程可行性研究不可缺少的方法之一。
20世紀80年代初，清華大學水利系就為葛洲壩水庫的建設進行了相似材料模擬實驗研究，建築系統也採用模擬實驗方法研究上海黃浦江邊的高層建築物受颱風的影響。在礦業方面，重慶大學礦山工程物理研究所以松藻礦務局打通煤礦南盤區工作面為模擬對象對上覆岩層冒落帶、裂隙帶與沉降帶的寬度與岩層移動角以及回採工作面前後方與兩側（上下方）的壓力分布規律及影響範圍進行了探討；武漢工業大學就湖南邵東石膏礦采場穩定性進行了相似材料模擬；重慶大學資環學院對四川自貢長業鹽礦岩鹽溶腔穩定性進行了相似模擬，探討了1000 m采深溶腔圍岩應力分布規律和溶腔極限跨距等特性。
同時針對層狀複合岩體力學問題進行相似模擬研究，用因次理論分析了處於彈性和黏彈性狀態下的單一岩層和層狀複合岩體模擬實驗的相似問題；長沙礦山研究院為了研究長錨索預控頂、連續分條開採，尾砂充填採礦法的采場地壓顯現規律，以湘西金礦沃西礦區實驗采場的錨桿護頂及錨桿與錨索聯合護頂為原型進行了相似模擬實驗，依據實驗結果，分析和檢驗在上述採礦方法和護頂條件下的采場穩定程度；焦作工學院材料工程系以義馬常村煤礦開採條件為地質原型，採用中比例相似材料模型研究了近距離煤層上層煤開採時頂板岩層移動的特徵；中國科學院地質研究所採用混凝土塊和亞黏土型軟弱材料對某露天礦地質結構進行相似模擬，研究了邊坡破壞的形式與變形破壞的特徵；重慶交通科研設計院利用相似模擬方法研究公路隧道施工力學形態，探討了公路隧道圍岩在隧道施工中位移的發展過程，隧道圍岩最終位移及圍岩的穩定性；中國科學院力學研究所根據氣、液兩相流體同心環狀流線性穩定性分析的結果，對微重力氣、液兩相流地面模擬實驗所應遵循的相似模擬準則進行了研究，取得了一個新的重力無關性準則。以上所列舉相似模擬實驗只是眾多模擬實驗的很少一部分，這足以說明相似模擬在國內的廣泛套用。
相似模擬實驗技術的發展
相似模擬實驗是以相似理論、因次分析為依據的實驗研究方法，由於模擬實驗可人為控制和改變實驗條件，從而可確定單因素或多因素對岩體壓力影響的規律。
相似模擬實驗是20世紀30年代由蘇聯庫茲涅佐夫提出的，並在全蘇聯礦山測量和煤炭研究院等套用。隨後在德國、波蘭、日本、澳大利亞以及美國等國家也得到廣泛套用。發展至今已成為國外礦業界的一種重要的研究手段。
我國1958年率先在北京礦業學院（現中國礦業大學）的礦壓實驗室建立了相似模擬實驗架，並逐步擴大到煤炭科學研究院、各煤炭高校以及冶金、水利、礦業、地質、鐵道以及岩土工程等部門。20世紀60年代相似材料模擬技術在國內獲得了廣泛套用。在礦業系統，當時主要利用平面應力相似模擬實驗為主，通過平面應力模擬實驗架重點從巨觀及定性的角度來研究礦山開採過程中上覆岩層的移動規律，開採過程同岩層移動之間的相互關係等。在水利水電建設上，水利部門為葛洲壩水庫的建設進行了相似模擬研究，建築系統也採用模擬實驗方法研究了上海黃浦江邊的高層建築物受颱風的影響。
對於實際處於三向應力狀態的研究對象——岩體，通過適當的簡化常把有關問題簡化成平面問題來處理往往無法達到“仿真”的目的。因此，應採用立體模擬實驗較為可靠，研究結果較接近實際，於是進入20世紀70年代後期及80年代以後，國內外相繼出現了平面應變相似模擬實驗架、立體模擬實驗裝置。俄羅斯、德國、波蘭等國均建有立體模型。
國內中國礦業大學、重慶大學等單位也都建有平面應變模擬及簡易的立體模 擬實驗裝置。如德國（當時聯邦德國）埃森岩石力學研究中心的10m×2m×2rn的立體模擬實驗台，重慶大學礦壓室的1.5m×1.3m×1.2rn的立體模型和ETVE-85型1.0m×1.0m×0.6m的臥式立體模型，洛陽工程兵部隊的0.5m×0.5m×0.2m臥式布置的平面應變實驗台，以及中國礦業大學的立式平面應變相似模擬實驗台和平板式模擬實驗台。這些設備對當時有關模擬實驗發揮了重要作用。通過相似模擬實驗取得了不少研究成果，如著名的“砌體梁”理論、地下開採引起上覆岩層“三帶”形成的規律以及地壓顯現與岩層斷裂的規律等。在很大程度上都是藉助相似模擬實驗方法而得出的。
存在的問題
從發展的眼光看相似材料模擬，目前仍存在以下問題尚需研究解決：
（1）由於以往的相似模擬實驗大多為平面模擬實驗，而平面模型無橫向尺寸，因此一些與橫向尺寸有關的實驗無法進行模擬研究，同時由於對平面模型的邊界條件做了很大的簡化，模擬結果往往也與實際情況存在著較大的差異。
（2）現有的立體實驗裝置也往往只能進行單一類型的模擬實驗，由於岩體工程所關注和擾動的對象是天然的岩體，包含有多種礦物成分組成的性質不同的岩石塊體和具有結構面特徵的節理裂隙，岩體是非均質、各向異性、不連續和隨機性較強的天然集合體，對於這樣一個影響因素眾多、物理過程十分複雜、受人為擾動嚴重的力學問題。必須開展多因素的模擬研究。
（3）現有的立體模型大多無水平方向的加力機構，只有通過水平向約束產生被動的支反力。一方面水平應力受制於垂直載荷，不能實現人為單獨調節；另一方面在材料平面各向同性條件下，兩個水平方向的應力相同，不能實現真正的三軸實驗。
（4）實驗架模型頂部用千斤頂向剛性板的載入方式，使得千斤頂壓頭處受力大，而外緣受力小，載入不勻。當載入面處的岩層出現彎曲下沉現象時，載入剛性板不能隨之移動，形成下沉位置處力加不上去，而下沉邊緣產生應力集中，這是目前三維及平面相似模型都普遍存在的問題。
（5）模型內部應力應變、位移測量尚未很好地解決，傳統的壓力盒測壓的方式由於感測器尺寸偏大，對模型內部原始應力場的擾動大，不適用於立體模型的內部參數測量。
