地下工程模型試驗(yàn)新方法、新技術(shù)及工程應(yīng)用

內(nèi)容概要

地下工程模型試驗(yàn)新方法、新技術(shù)及工程應(yīng)用系統(tǒng)介紹了作者近些年在地下工程地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)相似材料、試驗(yàn)裝置、加載系統(tǒng)、測試系統(tǒng)研制等方面提出的新方法、新技術(shù)以及這些新方法和新技術(shù)在大型地下工程模型試驗(yàn)中的應(yīng)用。內(nèi)容主要包括新型鐵晶砂膠結(jié)巖土相似材料以及鹽巖地下儲氣庫介質(zhì)流變相似材料的研制方法；尺寸可調(diào)、組裝靈活方便的組合式地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)臺架裝置以及可實(shí)施三維梯度非均勻加載的結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)裝置的研制技術(shù)；具有數(shù)字化、可視化和智能化功能的高地應(yīng)力真三維加載地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)系統(tǒng)的研制技術(shù)；能自動采集模型內(nèi)部任意部位位移且具有高精度的模型位移數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的研制技術(shù)；模型內(nèi)埋洞室的成腔裝置與成腔方法；高效快捷的模型分層壓實(shí)風(fēng)干制作與切槽埋設(shè)測試傳感器方法。地下工程模型試驗(yàn)新方法、新技術(shù)及工程應(yīng)用還包括模型試驗(yàn)的新方法和新技術(shù)在大型交通、水電、采礦和能源地下工程地質(zhì)力學(xué)試驗(yàn)中的具體應(yīng)用以及相應(yīng)計(jì)算與理論分析研究成果。
地下工程模型試驗(yàn)新方法、新技術(shù)及工程應(yīng)用注重方法、技術(shù)與工程實(shí)踐的緊密結(jié)合，提出的模型試驗(yàn)新方法和新技術(shù)皆得以工程應(yīng)用并有效指導(dǎo)工程實(shí)踐。
地下工程模型試驗(yàn)新方法、新技術(shù)及工程應(yīng)用可供從事土木、水電、交通、能源、采礦及國防等工程領(lǐng)域的科研和工程技術(shù)人員使用，也可作為高等院校相關(guān)專業(yè)研究生和本科生的教學(xué)參考書。

書籍目錄

《巖石力學(xué)與工程研究著作叢書》序《巖石力學(xué)與工程研究著作叢書》編者的話前言第1章 緒論1.1 引言1.2 地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的研究現(xiàn)狀1.3 本書主要研究內(nèi)容第2章 地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的相似條件2.1 基本概念2.2 模型試驗(yàn)相似三定理2.3 地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的相似條件2.3.1 相似模型的定義2.3.2 地質(zhì)力學(xué)模型的特點(diǎn)2.3.3 模型試驗(yàn)相似條件第3章 模型試驗(yàn)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則3.3 鐵晶砂膠結(jié)新型巖土相似材料的研制方法3.3.1 材料選擇3.3.2 材料試件的制作方法3.3.3 材料物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)3.3.4 材料力學(xué)特性分析3.3.5 材料的技術(shù)特性3.4 儲氣庫介質(zhì)流變相似材料的研制方法3.4.1 工程背景3.4.2 材料力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)3.4.3 材料力學(xué)變形特征3.4.4 材料蠕變試驗(yàn)及測試結(jié)果分析3.4.5 材料技術(shù)特性第4章 新型地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)裝置與加載和穩(wěn)壓控制系統(tǒng)的研制技術(shù)4.1 引言4.2 組合式地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)臺架裝置的研制技術(shù)4.2.1 裝置設(shè)計(jì)與構(gòu)造4.2.2 裝置技術(shù)特性4.3 三維梯度非均勻加載結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)裝置的研制技術(shù)4.3.1 裝置設(shè)計(jì)與構(gòu)造4.3.2 裝置工作原理4.3.3 裝置技術(shù)特性4.4 高地應(yīng)力真三維加載模型試驗(yàn)系統(tǒng)的研制技術(shù)4.4.1 系統(tǒng)構(gòu)造4.4.2 系統(tǒng)技術(shù)特性4.5 模型數(shù)控液壓加載與穩(wěn)壓控制系統(tǒng)的研制技術(shù)4.5.1 系統(tǒng)構(gòu)造4.5.2 系統(tǒng)控制流程4.5.3 系統(tǒng)工作原理4.5.4 系統(tǒng)技術(shù)特性4.6 模型數(shù)控氣壓加載與穩(wěn)壓控制系統(tǒng)的研制技術(shù)4.6.1 系統(tǒng)構(gòu)造4.6.2 系統(tǒng)工作原理4.6.3 系統(tǒng)技術(shù)特性第5章 大體積地質(zhì)模型制作新方法與模型位移測試新技術(shù)5.1 引言5.2 地質(zhì)模型分層壓實(shí)風(fēng)干制作與切槽埋設(shè)測試傳感器方法5.2.1 材料分層壓實(shí)試驗(yàn)裝置的研制5.2.2 模型制作方法5.2.3 模型制作方法的技術(shù)特點(diǎn)5.3 模型內(nèi)埋洞室的成型方法5.3.1 內(nèi)埋洞室的成腔裝置5.3.2 內(nèi)埋洞室的成腔方法5.4 模型位移數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的研制技術(shù)5.4.1 系統(tǒng)工作原理5.4.2 系統(tǒng)各部分功能5.4.3 系統(tǒng)技術(shù)特性第6章 分岔隧洞圍巖穩(wěn)定與支護(hù)三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)與分析研究6.1 引言6.2 工程概況6.3 模擬范圍與相似比尺的選取6.4 模型相似材料和試驗(yàn)錨桿的模擬6.4.1 相似材料配比6.4.2 模型錨桿的模擬6.5 分岔隧洞模型的制作6.5.1 模型制作工藝流程6.5.2 測試傳感器的埋設(shè)6.5.3 模型錨桿的施作6.5.4 制作完成的分岔隧洞三維試驗(yàn)?zāi)Ｐ?.6 分岔隧洞模型開挖與測試6.6.1 模型加載6.6.2 模型開挖6.6.3 模型測試6.7 模型試驗(yàn)結(jié)果分析6.7.1 模型Ⅰ試驗(yàn)結(jié)果分析6.7.2 模型Ⅱ試驗(yàn)結(jié)果分析6.7.3 分岔隧洞承載安全度的數(shù)值計(jì)算6.7.4 光纖光柵應(yīng)變傳感器測試結(jié)果分析6.7.5 洞周錨桿受力分析6.8 模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬的對比分析研究6.8.1 計(jì)算條件6.8.2 連拱段至大拱段數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析6.8.3 小間距段至連拱段數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析6.8.4 模型試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的相互對比6.9 研究結(jié)論第7章 深部巷道圍巖分區(qū)破裂與錨固三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)與分析研究7.1 引言7.2 預(yù)留洞室軸向壓縮破壞模型試驗(yàn)研究7.2.1 模型制作7.2.2 模型加載7.2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析7.3 深部巷道圍巖分區(qū)破裂三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究7.3.1 分區(qū)破裂現(xiàn)象的現(xiàn)場觀測7.3.2 模型相似材料7.3.3 高壓加載結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)系統(tǒng)7.3.4 模型加工制作7.3.5 模型開挖與測試7.3.6 模型試驗(yàn)結(jié)果分析7.3.7 分區(qū)破裂地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)結(jié)論7.4 分區(qū)破裂機(jī)理的理論分析研究7.4.1 圍巖應(yīng)力場分析7.4.2 圍巖應(yīng)變場分析7.4.3 分區(qū)破裂過程的能量分析7.4.4 模型分區(qū)破裂現(xiàn)象的理論解釋7.5 分區(qū)破裂巖錨支護(hù)三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究7.5.1 引言7.5.2 分區(qū)破裂巖錨支護(hù)地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)7.5.3 錨桿對分區(qū)破裂加固作用的理論分析7.6 研究結(jié)論第8章 地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定與支護(hù)三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)與分析研究8.1 模型試驗(yàn)的工程背景8.1.1 工程概況8.1.2 廠區(qū)地應(yīng)力測試結(jié)果8.1.3 廠區(qū)圍巖分類和地下洞群設(shè)計(jì)方案8.2 廠區(qū)初始地應(yīng)力場的反演8.3 帶滑動墻的自平衡式三維加載模型試驗(yàn)臺架裝置的研制8.4 模型相似材料8.4.1 模型相似材料的配比8.4.2 模型錨桿和錨索的模擬8.5 模型加載、制作與開挖測試技術(shù)8.5.1 模型加載方案8.5.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱?.5.3 模型量測技術(shù)8.5.4 模型超載與開挖支護(hù)8.6 模型試驗(yàn)結(jié)果及與數(shù)值計(jì)算的對比分析8.6.1 數(shù)值計(jì)算模型與計(jì)算結(jié)果8.6.2 模型試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算的對比第9章 深部層狀鹽巖地下儲氣庫運(yùn)營穩(wěn)定三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究9.1 引言9.2 模型試驗(yàn)概況9.3 鹽巖儲氣庫介質(zhì)模型相似材料9.4 儲氣庫三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)系統(tǒng)9.5 儲氣庫三維試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱鞴に嚭头椒?.6 儲氣庫三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)測試結(jié)果分析9.6.1 儲氣庫單洞模型試驗(yàn)結(jié)果分析9.6.2 儲氣庫群模型試驗(yàn)結(jié)果分析9.7 模型試驗(yàn)研究結(jié)論參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

第1章 緒論 1.1 引言 19世紀(jì)是橋的世紀(jì)，20世紀(jì)是高層建筑的世紀(jì)，21世紀(jì)是人類開發(fā)利用地下空間的世紀(jì)，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，許多在建和即將新建的大型地下工程不斷走向深部。無論是礦產(chǎn)開采的地下巷道、還是水電開發(fā)的地下洞室以及交通建設(shè)的地下隧道等都逐漸向逾千米或數(shù)千米的深部方向發(fā)展。 在深部資源開采方面，近年來，隨著國家對資源需求的日益增加，資源開采強(qiáng)度不斷加大，淺部資源逐漸減少，礦山開采不斷向深部發(fā)展。根據(jù)目前資源開采狀況，我國煤礦開采深度以每年8～12m的速度增加，近年，已有一批煤礦進(jìn)入深部開采，如淮南丁集煤礦、新汶孫村礦、沈陽采屯礦、開灤趙各莊礦、徐州張小樓礦、北票冠山礦、北京門頭溝礦等皆已開采延伸到了地下近1000m的深度。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國外開采超千米深的金屬礦山有80余座，其中最多為南非，南非絕大多數(shù)金礦的開采深度在1000m以下。另外，俄羅斯、加拿大、美國、澳大利亞的一些有色金屬礦山采深亦超過1000m。 在交通建設(shè)方面，目前世界上埋深最深的隧道是連接法、意的勃朗峰公路隧道，全長11.6km，最大埋深2480m；目前已建成的西康鐵路秦嶺隧道全長18.46km，最大埋深1600m；秦嶺終南山特長公路隧道穿越秦嶺山脈的終南山，隧道全長18.004km，最大埋深為1640m。 在水電資源開發(fā)方面，埋深最大的法國謝拉水電站引水隧洞最大埋深2619m；我國在建中的雅礱江錦屏二級水電站四條深埋引水隧洞平均長度16.67km，最大埋深達(dá)到了2525m；規(guī)劃中的南水北調(diào)西線工程有多條長50～130km的深部引水隧洞，最大埋深達(dá)1100m。 此外，核廢料的深層地質(zhì)處理深度已達(dá)數(shù)百米乃至上千米；油氣能源儲存工程已深達(dá)一千多米；核心防護(hù)工程如北美防空司令部深達(dá)700m等。 隨著地下工程開挖深度的不斷增加，深部地下洞室圍巖的地質(zhì)賦存環(huán)境將變得越來越復(fù)雜，在高地應(yīng)力、高滲透壓、高地溫及開挖擾動條件下（簡稱“三高一擾動”），洞室圍巖將出現(xiàn)顯著的非線性變形破壞。如分區(qū)破裂現(xiàn)象就是深部巖體工程開挖時(shí)所發(fā)生的特有的破壞現(xiàn)象之一，該現(xiàn)象的表現(xiàn)特征就是在深部巖體中開挖洞室或者巷道時(shí)，在其兩側(cè)和工作面前的圍巖中會產(chǎn)生破裂區(qū)和未破裂區(qū)逐次交替的分區(qū)破裂現(xiàn)象，其中破裂區(qū)是裂縫相對密集的區(qū)域，非破裂區(qū)是裂縫相對稀疏的區(qū)域，破裂區(qū)形狀大致和巷道輪廓相似。 為保障深部地下工程的施工開挖與運(yùn)營安全，亟須對深部地下洞室圍巖穩(wěn)定與支護(hù)控制進(jìn)行深入研究。由于地下工程自身巖體結(jié)構(gòu)和地質(zhì)賦存環(huán)境的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的理論解析方法難以處理地下洞室這些復(fù)雜的非線性變形破壞問題。同時(shí)，鑒于數(shù)值分析方法在處理巖體破壞問題時(shí)自身具有的局限性，迄今為止，數(shù)值方法在模擬地下工程的強(qiáng)度破壞方面仍難以取得突破性的進(jìn)展。反觀地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，以其形象、直觀、真實(shí)的特性成為研究地下工程非線性變形與強(qiáng)度破壞的重要手段。因此，近幾十年來，地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)在水電、交通、能源和礦山工程等領(lǐng)域的地下工程中發(fā)揮了越來越重要的作用。地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)是根據(jù)一定的相似原理對特定工程地質(zhì)問題進(jìn)行縮尺研究的一種物理模擬方法。地質(zhì)力學(xué)模型是真實(shí)物理實(shí)體的再現(xiàn)，在基本滿足相似原理的條件下，能夠比較真實(shí)地反映地質(zhì)構(gòu)造和工程結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系，能夠比較準(zhǔn)確地模擬巖土施工過程和把握巖土介質(zhì)的力學(xué)變形特性。地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)?zāi)茌^好地模擬復(fù)雜工程的施工過程以及荷載的作用方式及時(shí)間效應(yīng)等，能夠比較真實(shí)地反映工程的受力全過程，從彈性到塑性，一直到破壞。尤其重要的是它可以比較全面真實(shí)地模擬復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，發(fā)現(xiàn)一些新的力學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律，為建立新的理論和數(shù)學(xué)模型提供依據(jù)。因此，地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)不僅可以研究工程的正常受力狀態(tài)，還可以研究工程的極限荷載及破壞形態(tài)，并能對數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和補(bǔ)充。正是由于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù)具有上述獨(dú)特的優(yōu)越性，因此被國內(nèi)外巖土工程界廣泛重視和應(yīng)用。 1.2 地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的研究現(xiàn)狀 早在1936年，格恩庫茲涅佐夫就提出了相似模擬方法。從20世紀(jì)初，西歐一些國家就開始進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)，并逐漸建立了相似理論，以Fumagalli為首的專家在意大利結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)所開創(chuàng)了工程地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù)，試驗(yàn)研究范圍從彈性到塑性直至最終破壞階段。隨后，葡萄牙、前蘇聯(lián)、法國、德國、英國和日本等國也開展了這方面的研究。1979年，在意大利Bergamo舉行的國際巖石力學(xué)大會上，Müller、Fumagalli和Barton等國際知名學(xué)者發(fā)表了各自在巖石物理模擬試驗(yàn)方面的成果；Kulatilake等開展了節(jié)理巖體在單軸壓縮下的物理模型試驗(yàn)研究；Khosrow開展了在爆破荷載作用下的節(jié)理巖體的物理模型試驗(yàn)研究；Liu和Feng通過物理模型試驗(yàn)對三峽大壩壩基的穩(wěn)定性進(jìn)行了評估；Li等對四川金沙江流域溪洛渡水電站地下洞室群進(jìn)行了高仿真的三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究；Castro等對礦井的分塊崩塌開采進(jìn)行了大型三維物理模型試驗(yàn)研究；Jong和Meguid分別對復(fù)雜條件下的隧道開挖進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)研究。 在國內(nèi)，清華大學(xué)、武漢大學(xué)、四川大學(xué)、山東大學(xué)、河海大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)、西南交通大學(xué)、長江科學(xué)院、總參工程兵科研三所等單位，先后對國內(nèi)許多大型水電、交通、能源和采礦地下工程進(jìn)行了地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，并取得了大量研究成果。 在模型相似材料的研究方面，韓伯鯉等以鐵粉、重晶石粉、紅丹粉為骨料，以松香酒精溶液為膠結(jié)劑，氯丁膠為附加劑，研制出MIB和MSB地質(zhì)力學(xué)模型相似材料；馬芳平等以磁鐵礦精礦粉、河砂、石膏或水泥、拌和用水及添加劑為原料，研制出NIOS地質(zhì)力學(xué)模型材料，并成功應(yīng)用于溪洛渡水電站地下洞群三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中；張杰等采用低熔點(diǎn)固體石蠟作為膠結(jié)劑，研制了非親水性的固?液耦合相似材料；李樹忱等用砂和滑石粉作為骨料，石蠟作為膠結(jié)劑，研制了PSTO固流耦合相似材料；徐文勝等采用標(biāo)準(zhǔn)砂、水泥、石膏、減水劑和緩凝劑為原料，研制了巖爆相似材料；何顯松等采用重晶石粉、機(jī)油和可熔性高分子材料及多種添加劑，并配合溫控系統(tǒng)研制出了變溫相似材料；張強(qiáng)勇等通過大量材料配比和力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)研制出具有力學(xué)參數(shù)變化范圍廣、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉且無毒無害的鐵晶砂膠結(jié)巖土相似材料以及鹽巖地下儲氣庫介質(zhì)的流變相似材料。 在模型試驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)研究方面，李仲奎等研制了離散化多主應(yīng)力面加載及監(jiān)控系統(tǒng)，試驗(yàn)系統(tǒng)由高壓氣囊、反推力板、限位千斤頂、垂直立柱、封閉式鋼結(jié)構(gòu)環(huán)梁、支撐鋼架和空氣壓縮機(jī)組成，試驗(yàn)架尺寸較大，實(shí)現(xiàn)了按主應(yīng)力方向進(jìn)行加載；陳霞齡等研制了平面應(yīng)變模型試驗(yàn)裝置，裝置由中部固定框架和前后兩個(gè)井格式約束鋼架組成，約束鋼架可以沿縱向平移，并能繞其水平中軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)模型在處于水平位置的約束架上拼裝好之后，把約束架轉(zhuǎn)動豎立起來自動形成自重應(yīng)力場；陳安敏等［43，44］研制了巖土工程多功能模擬試驗(yàn)裝置，裝置由承載框架、加載單元、縱控梁、豎向支撐、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、斜拉桿、減摩板等部分組成，可以進(jìn)行平面地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)、抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)、抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)，通用性較強(qiáng)；朱維申等研制了帶滑動墻的自平衡三維加載模型試驗(yàn)裝置，裝置主要由三維鋼結(jié)構(gòu)臺架裝置和液壓加載控制系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)了模型的側(cè)向梯級非均勻加載；孫曉明等研制了真三軸軟巖非線性力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)系統(tǒng)由主機(jī)、液壓控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三大部分組成，能進(jìn)行三軸拉壓、拉剪等多種組合試驗(yàn)和不同加卸荷過程的模擬，系統(tǒng)最大壓力為450kN，最大拉力為75kN，試件最大尺寸為150mm×150mm×150mm；姜耀東等研制新型真三軸巷道模型試驗(yàn)臺，試驗(yàn)臺采用6個(gè)液壓枕進(jìn)行加載，能夠較好地實(shí)現(xiàn)真三軸巷道模型試驗(yàn)，并且具有整體剛度好、柔性加載、受載均勻、伺服穩(wěn)定的特點(diǎn)；蔣樹屏等研制了公路隧道結(jié)構(gòu)與圍巖綜合試驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)基于“先加載、后挖洞”的原理，采用液壓千斤頂在模型試件外部加載以模擬上覆巖土層自重應(yīng)力，用內(nèi)置千斤頂模擬開挖體應(yīng)力響應(yīng)變化；張強(qiáng)勇等研制了尺寸可調(diào)、組裝靈活方便的組合式地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)臺架裝置以及可實(shí)施三維梯度非均勻加載的結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)裝置；采用數(shù)控技術(shù)研制了具有數(shù)字化、可視化和智能化的高地應(yīng)力真三維加載地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)系統(tǒng)（包括數(shù)控液壓加載與穩(wěn)壓控制系統(tǒng)、數(shù)控氣壓加載與穩(wěn)壓控制系統(tǒng)）以及能自動采集模型內(nèi)部任意部位位移且具有高精度的模型位移數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)。 1.3 本書主要研究內(nèi)容 本書主要是作者主持承擔(dān)完成的國家973課題（2009CB724607）、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（40772173、41172268）、山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（Y2007F52）、交通部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目的主要研究成果的體現(xiàn)。內(nèi)容包括近些年在地下工程地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究領(lǐng)域取得的新方法、新技術(shù)以及這些新方法和新技術(shù)在實(shí)際地下工程模型試驗(yàn)中的應(yīng)用。在模型試驗(yàn)材料開發(fā)方面，研制了力學(xué)參數(shù)變化范圍廣、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉且無毒無害的鐵晶砂膠結(jié)新型巖土相似材料以及具有顯著流變特性的鹽巖地下儲氣庫介質(zhì)流變相似材料；在模型試驗(yàn)裝置開發(fā)方面，研制了尺寸可調(diào)、組裝靈活方便的組合式地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)臺架裝置以及可實(shí)施非均勻加載的三維梯度非均勻加載結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)裝置；在模型試驗(yàn)加載系統(tǒng)開發(fā)方面，采用數(shù)控技術(shù)研制了具有數(shù)字化、可視化和智能化的高地應(yīng)力真三維加載地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)系統(tǒng)（包括數(shù)控液壓加載與穩(wěn)壓控制系統(tǒng)、數(shù)控氣壓加載與穩(wěn)壓控制系統(tǒng)）；在模型試驗(yàn)測試系統(tǒng)方面，研制了能自動采集模型內(nèi)部任意部位位移且具有高精度的模型位移數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)；在大體積地質(zhì)模型的制作方面，研制了模型內(nèi)埋洞室的成腔裝置，提出了高效快捷的模型分層壓實(shí)風(fēng)干制作與切槽埋設(shè)測試傳感器的方法。上述地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的新方法和新技術(shù)已獲得10余項(xiàng)國家發(fā)明專利，并在國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊上公開發(fā)表。同時(shí)這些新方法和新技術(shù)也在國家大型水電、交通、采礦和能源地下工程的地質(zhì)力學(xué)試驗(yàn)中得到成功應(yīng)用，模型試驗(yàn)研究成果解決了工程設(shè)計(jì)和施工中的許多關(guān)鍵性技術(shù)問題，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。 第2章 地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的相似條件 2.1 基本概念 1.相似現(xiàn)象 在幾何相似系統(tǒng)中，進(jìn)行同一性質(zhì)的物理過程，如果所有有關(guān)的物理量在其幾何對應(yīng)點(diǎn)及相對應(yīng)的瞬時(shí)都各自保持一定的比例關(guān)系，則將這樣的物理過程叫做相似現(xiàn)象。 相似現(xiàn)象遵循相同的物理定律，相互相似的現(xiàn)象用文字表示的物理方程式是相同的。 2.相似常數(shù) 相似常數(shù)也稱相似比尺、相似系數(shù)。在相似現(xiàn)象中，各對應(yīng)點(diǎn)上同種物理量的比值叫做該物理量的相似常數(shù)。通常用帶下標(biāo)的C表示，例如幾何長度相似常數(shù)記作CL，時(shí)間相似常數(shù)記作Ct。 在相似現(xiàn)象中，各相似常數(shù)之間受物理定律的約束，因此這些常數(shù)往往不能任意選取。 3.相似指標(biāo) 由于相似現(xiàn)象是性質(zhì)相同的物理過程，與現(xiàn)象有關(guān)的各物理量都遵循相同的物理定律，從它們共同遵循的物理方程式中得到相似常數(shù)的組合，這些組合的數(shù)值受到了物理定律的約束，這就限制了各個(gè)物理量相似常數(shù)的自由選取，這種相似常數(shù)的組合就叫做相似指標(biāo)。由此可見，相似現(xiàn)象的各個(gè)相似常數(shù)之間存在著一定的關(guān)系。 4.相似模數(shù) 將相似指標(biāo)中的同種物理量之比代入，便得同一體系中各物理量的無量綱組合，這種物理量的無量綱組合稱為相似模數(shù)，有時(shí)也稱為相似準(zhǔn)則、相似判據(jù)、相似不變量。在具體問題中，各個(gè)相似模數(shù)均有它自己的物理意義。 2.2 模型試驗(yàn)相似三定理 自然界中存在著許許多多的相似現(xiàn)象，稱為相似現(xiàn)象群，對相似現(xiàn)象所遵循的物理方程進(jìn)行分析研究，得出了關(guān)于相似現(xiàn)象的三條普遍性結(jié)論，被稱為相似三定理。 1.相似第一定理 如果兩個(gè)現(xiàn)象相似，則它們的相似指標(biāo)等于1，對應(yīng)點(diǎn)上相似模數(shù)（相似判據(jù)、相似準(zhǔn)則、相似不變量）數(shù)值相等。相似第一定理表明，彼此相似的現(xiàn)象其相似常數(shù)的組合，即相似指標(biāo)的數(shù)值必須等于1。 當(dāng)已知描述現(xiàn)象的物理方程時(shí)，一般可以通過將相似常數(shù)代入方程式的辦法求得相似指標(biāo)。 2.相似第二定理 相似第二定理也稱作π定理，它的含義為：若物理系統(tǒng)的現(xiàn)象相似，則其相似模數(shù)方程（相似判據(jù)方程）就相同。換言之，對所有相似的現(xiàn)象來說，它們各自的相似模數(shù)之間的關(guān)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轉(zhuǎn)換為無量綱量間的關(guān)系方程。無量綱模數(shù)方程包括相似模數(shù)、同種物理量之比和無量綱物理量自身。 3.相似第三定理 相似第三定理又稱為相似逆定理，它描述的是現(xiàn)象相似的充分必要條件，即發(fā)生在幾何相似系統(tǒng)中，物理過程用同一方程表達(dá)，包括單值量模數(shù)在內(nèi)所有的相似模數(shù)在對應(yīng)點(diǎn)上的數(shù)值相等。這說明，有些復(fù)雜現(xiàn)象，其物理過程要用微分方程來表達(dá)，盡管這些現(xiàn)象出現(xiàn)在幾何相似系統(tǒng)中，表達(dá)的微分方程也相同，但還不能保證這些現(xiàn)象是相似的，還要求包括單值量組成的相似模數(shù)數(shù)值在對應(yīng)點(diǎn)必須相等，才能保證現(xiàn)象是相似的。 相似第三定理所說的單值量條件就是得以從許多現(xiàn)象中把某個(gè)具體現(xiàn)象區(qū)分出來的條件，它包括： （1）幾何條件：凡參與物理過程的物體的幾何大小是應(yīng)當(dāng)給出的單值量條件。 （2）物理?xiàng)l件：凡參與物理過程的物質(zhì)的性質(zhì)是需要給出的單值量條件，例如材料的彈性模量、泊松比、容重、重力加速度等。

編輯推薦

張強(qiáng)勇、李術(shù)才、李勇、 陳旭光所著的《地下工程模型試驗(yàn)新方法新技術(shù)及工程應(yīng)用(精)》組織我國巖石力學(xué)工程界的精英們參與本書的撰寫，來反映我國近期在巖石力學(xué)與工程領(lǐng)域研究取得的最新成果。本書內(nèi)容涵蓋巖石力學(xué)與工程的理論研究、試驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)技術(shù)、計(jì)算仿真、工程實(shí)踐等各個(gè)方面。

圖書封面

評論、評分、閱讀與下載

---

    地下工程模型試驗(yàn)新方法、新技術(shù)及工程應(yīng)用 PDF格式下載

---