相似模擬作用

在巖體壓力模擬研究中，模擬實(shí)驗(yàn)可以起到以下作用：

（1）輔助現(xiàn)場(chǎng)巖體壓力實(shí)測(cè)的研究，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)一般需要較多的人力、物力，工作量大、耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)，不能直觀地了解嗣巖中發(fā)生的應(yīng)力變化和破壞過(guò)程以及內(nèi)部狀態(tài)，觀察還常常受到生產(chǎn)工作的制約甚至影響生產(chǎn)。而用模型研究時(shí)，可以大致了解圍巖的全面情況和變化過(guò)程，能清楚、方便地研究大范圍巖體內(nèi)的應(yīng)力分布狀態(tài)和變形規(guī)律。

（2）給工程施工的新技術(shù)、新工藝以及施工技術(shù)的新方案的工業(yè)試驗(yàn)提供有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)，不論是在礦山生產(chǎn)中，還是在地下工程實(shí)踐中，每一項(xiàng)重大的、新的技術(shù)方案都必須經(jīng)過(guò)工業(yè)試驗(yàn)。一般情況下，工業(yè)試驗(yàn)需要較多的人力、物力和財(cái)力，并牽涉到與正常生產(chǎn)的關(guān)系等問(wèn)題，因此，工業(yè)試驗(yàn)前對(duì)新方案必須有一定把握，模型實(shí)驗(yàn)可以幫助了解所實(shí)施新方案的可靠性，為工業(yè)試驗(yàn)作準(zhǔn)備。

（3）幫助解決用理論分析方法尚不能解決的一些巖體壓力問(wèn)題。 近年來(lái)，雖然理論分析方法有很大發(fā)展，但對(duì)某些個(gè)別（特殊）斷面形狀巷道周邊的應(yīng)力分布，特別是地壓活動(dòng)的規(guī)律，尚需通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查觀測(cè)綜合分析獲得。

必須指出，模擬研究有一定的局限性，這是因?yàn)閹r體的力學(xué)性質(zhì)以及地壓活動(dòng)規(guī)律比較復(fù)雜，完全、準(zhǔn)確地模擬它們較難做到。當(dāng)然，模型畢竟不是原型，不可能也沒(méi)有必要在一切方面都做到相似，應(yīng)當(dāng)根據(jù)所研究的內(nèi)容確定相似條件，而相似模擬實(shí)驗(yàn)的成功關(guān)鍵在于抓住研究問(wèn)題的本質(zhì)，以相似理論為依據(jù)，采用先進(jìn)的試驗(yàn)設(shè)備和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，從模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來(lái)推測(cè)在原型可能出現(xiàn)的力學(xué)現(xiàn)象。另外，模擬技術(shù)還不夠完善。有些模型實(shí)驗(yàn)是基于某些假設(shè)上，如果在模擬研究中做了一些不當(dāng)?shù)男薷?，或者某些基本因素達(dá)不到相似條件，就難以由模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果去推斷原型可能出現(xiàn)的地壓現(xiàn)象。這樣，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室模擬的綜合研究就是非常重要。

相似模擬研究是一種重要的科學(xué)研究手段，是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)按相似原理制作與原型相似的模型，借助測(cè)試儀表觀測(cè)模型內(nèi)力學(xué)參數(shù)及其分布規(guī)律，利用在模型上研究的結(jié)果，借以推斷原型中可能發(fā)生的力學(xué)現(xiàn)象以及巖體壓力分布的規(guī)律，從而解決巖體工程生產(chǎn)中的實(shí)際問(wèn)題。這種研究方法具有直觀、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、快速以及實(shí)驗(yàn)周期短等優(yōu)點(diǎn)。而且能夠根據(jù)需要，通過(guò)固定某些參數(shù)，改變另一些參數(shù)來(lái)研究巷（隧）道圍巖應(yīng)力和采礦工作面附近支撐壓力在空間與時(shí)間上的分布規(guī)律和變化情況以及某些參數(shù)對(duì)巖體壓力的影響，這在現(xiàn)場(chǎng)條件下是難以實(shí)現(xiàn)的。

各種科研問(wèn)題的研究方法，通常有理論分析、實(shí)際觀測(cè)與模擬實(shí)驗(yàn)三種。模擬實(shí)驗(yàn)與前兩種研究方法相比，其優(yōu)點(diǎn)為可人為控制和改變實(shí)驗(yàn)條件，從而可確定單因素或多因素對(duì)比研究問(wèn)題影響的規(guī)律，實(shí)驗(yàn)效應(yīng)直觀清楚、實(shí)驗(yàn)周期短、見(jiàn)效快、費(fèi)用低。

20世紀(jì)60年代以來(lái)，模擬實(shí)驗(yàn)被我國(guó)廣泛應(yīng)用于水利、采礦、地質(zhì)、鐵道以及巖土工程等部門(mén)，并取得了顯著的技術(shù)成就和經(jīng)濟(jì)效益，已成為一種有力的科學(xué)研究手段。相似材料模擬已成為國(guó)內(nèi)外進(jìn)行重大巖體工程可行性研究不可缺少的方法之一。

20世紀(jì)80年代初，清華大學(xué)水利系就為葛洲壩水庫(kù)的建設(shè)進(jìn)行了相似材料模擬實(shí)驗(yàn)研究，建筑系統(tǒng)也采用模擬實(shí)驗(yàn)方法研究上海黃浦江邊的高層建筑物受臺(tái)風(fēng)的影響。在礦業(yè)方面，重慶大學(xué)礦山工程物理研究所以松藻礦務(wù)局打通煤礦南盤(pán)區(qū)工作面為模擬對(duì)象對(duì)上覆巖層冒落帶、裂隙帶與沉降帶的寬度與巖層移動(dòng)角以及回采工作面前后方與兩側(cè)（上下方）的壓力分布規(guī)律及影響范圍進(jìn)行了探討；武漢工業(yè)大學(xué)就湖南邵東石膏礦采場(chǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行了相似材料模擬；重慶大學(xué)資環(huán)學(xué)院對(duì)四川自貢長(zhǎng)業(yè)鹽礦巖鹽溶腔穩(wěn)定性進(jìn)行了相似模擬，探討了1000 m采深溶腔圍巖應(yīng)力分布規(guī)律和溶腔極限跨距等特性。

同時(shí)針對(duì)層狀復(fù)合巖體力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行相似模擬研究，用因次理論分析了處于彈性和黏彈性狀態(tài)下的單一巖層和層狀復(fù)合巖體模擬實(shí)驗(yàn)的相似問(wèn)題；長(zhǎng)沙礦山研究院為了研究長(zhǎng)錨索預(yù)控頂、連續(xù)分條開(kāi)采，尾砂充填采礦法的采場(chǎng)地壓顯現(xiàn)規(guī)律，以湘西金礦沃西礦區(qū)實(shí)驗(yàn)采場(chǎng)的錨桿護(hù)頂及錨桿與錨索聯(lián)合護(hù)頂為原型進(jìn)行了相似模擬實(shí)驗(yàn)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析和檢驗(yàn)在上述采礦方法和護(hù)頂條件下的采場(chǎng)穩(wěn)定程度；焦作工學(xué)院材料工程系以義馬常村煤礦開(kāi)采條件為地質(zhì)原型，采用中比例相似材料模型研究了近距離煤層上層煤開(kāi)采時(shí)頂板巖層移動(dòng)的特征；中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)研究所采用混凝土塊和亞黏土型軟弱材料對(duì)某露天礦地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相似模擬，研究了邊坡破壞的形式與變形破壞的特征；重慶交通科研設(shè)計(jì)院利用相似模擬方法研究公路隧道施工力學(xué)形態(tài)，探討了公路隧道圍巖在隧道施工中位移的發(fā)展過(guò)程，隧道圍巖最終位移及圍巖的穩(wěn)定性；中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所根據(jù)氣、液兩相流體同心環(huán)狀流線(xiàn)性穩(wěn)定性分析的結(jié)果，對(duì)微重力氣、液兩相流地面模擬實(shí)驗(yàn)所應(yīng)遵循的相似模擬準(zhǔn)則進(jìn)行了研究，取得了一個(gè)新的重力無(wú)關(guān)性準(zhǔn)則。以上所列舉相似模擬實(shí)驗(yàn)只是眾多模擬實(shí)驗(yàn)的很少一部分，這足以說(shuō)明相似模擬在國(guó)內(nèi)的廣泛應(yīng)用。

相似模擬實(shí)驗(yàn)是以相似理論、因次分析為依據(jù)的實(shí)驗(yàn)研究方法，由于模擬實(shí)驗(yàn)可人為控制和改變實(shí)驗(yàn)條件，從而可確定單因素或多因素對(duì)巖體壓力影響的規(guī)律。

相似模擬實(shí)驗(yàn)是20世紀(jì)30年代由蘇聯(lián)庫(kù)茲涅佐夫提出的，并在全蘇聯(lián)礦山測(cè)量和煤炭研究院等應(yīng)用。隨后在德國(guó)、波蘭、日本、澳大利亞以及美國(guó)等國(guó)家也得到廣泛應(yīng)用。發(fā)展至今已成為國(guó)外礦業(yè)界的一種重要的研究手段。

我國(guó)1958年率先在北京礦業(yè)學(xué)院（現(xiàn)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)）的礦壓實(shí)驗(yàn)室建立了相似模擬實(shí)驗(yàn)架，并逐步擴(kuò)大到煤炭科學(xué)研究院、各煤炭高校以及冶金、水利、礦業(yè)、地質(zhì)、鐵道以及巖土工程等部門(mén)。20世紀(jì)60年代相似材料模擬技術(shù)在國(guó)內(nèi)獲得了廣泛應(yīng)用。在礦業(yè)系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)主要利用平面應(yīng)力相似模擬實(shí)驗(yàn)為主，通過(guò)平面應(yīng)力模擬實(shí)驗(yàn)架重點(diǎn)從宏觀及定性的角度來(lái)研究礦山開(kāi)采過(guò)程中上覆巖層的移動(dòng)規(guī)律，開(kāi)采過(guò)程同巖層移動(dòng)之間的相互關(guān)系等。在水利水電建設(shè)上，水利部門(mén)為葛洲壩水庫(kù)的建設(shè)進(jìn)行了相似模擬研究，建筑系統(tǒng)也采用模擬實(shí)驗(yàn)方法研究了上海黃浦江邊的高層建筑物受臺(tái)風(fēng)的影響。

對(duì)于實(shí)際處于三向應(yīng)力狀態(tài)的研究對(duì)象——巖體，通過(guò)適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化常把有關(guān)問(wèn)題簡(jiǎn)化成平面問(wèn)題來(lái)處理往往無(wú)法達(dá)到“仿真”的目的。因此，應(yīng)采用立體模擬實(shí)驗(yàn)較為可靠，研究結(jié)果較接近實(shí)際，于是進(jìn)入20世紀(jì)70年代后期及80年代以后，國(guó)內(nèi)外相繼出現(xiàn)了平面應(yīng)變相似模擬實(shí)驗(yàn)架、立體模擬實(shí)驗(yàn)裝置。俄羅斯、德國(guó)、波蘭等國(guó)均建有立體模型。

國(guó)內(nèi)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、重慶大學(xué)等單位也都建有平面應(yīng)變模擬及簡(jiǎn)易的立體模 擬實(shí)驗(yàn)裝置。如德國(guó)（當(dāng)時(shí)聯(lián)邦德國(guó)）埃森巖石力學(xué)研究中心的10m×2m×2rn的立體模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，重慶大學(xué)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(yáng)工程兵部隊(duì)的0.5m×0.5m×0.2m臥式布置的平面應(yīng)變實(shí)驗(yàn)臺(tái)，以及中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的立式平面應(yīng)變相似模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)和平板式模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)。這些設(shè)備對(duì)當(dāng)時(shí)有關(guān)模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)揮了重要作用。通過(guò)相似模擬實(shí)驗(yàn)取得了不少研究成果，如著名的“砌體梁”理論、地下開(kāi)采引起上覆巖層“三帶”形成的規(guī)律以及地壓顯現(xiàn)與巖層斷裂的規(guī)律等。在很大程度上都是借助相似模擬實(shí)驗(yàn)方法而得出的。

從發(fā)展的眼光看相似材料模擬，仍存在以下問(wèn)題尚需研究解決：

（1）由于以往的相似模擬實(shí)驗(yàn)大多為平面模擬實(shí)驗(yàn)，而平面模型無(wú)橫向尺寸，因此一些與橫向尺寸有關(guān)的實(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行模擬研究，同時(shí)由于對(duì)平面模型的邊界條件做了很大的簡(jiǎn)化，模擬結(jié)果往往也與實(shí)際情況存在著較大的差異。

（2）現(xiàn)有的立體實(shí)驗(yàn)裝置也往往只能進(jìn)行單一類(lèi)型的模擬實(shí)驗(yàn)，由于巖體工程所關(guān)注和擾動(dòng)的對(duì)象是天然的巖體，包含有多種礦物成分組成的性質(zhì)不同的巖石塊體和具有結(jié)構(gòu)面特征的節(jié)理裂隙，巖體是非均質(zhì)、各向異性、不連續(xù)和隨機(jī)性較強(qiáng)的天然集合體，對(duì)于這樣一個(gè)影響因素眾多、物理過(guò)程十分復(fù)雜、受人為擾動(dòng)嚴(yán)重的力學(xué)問(wèn)題。必須開(kāi)展多因素的模擬研究。

（3）現(xiàn)有的立體模型大多無(wú)水平方向的加力機(jī)構(gòu)，只有通過(guò)水平向約束產(chǎn)生被動(dòng)的支反力。一方面水平應(yīng)力受制于垂直載荷，不能實(shí)現(xiàn)人為單獨(dú)調(diào)節(jié)；另一方面在材料平面各向同性條件下，兩個(gè)水平方向的應(yīng)力相同，不能實(shí)現(xiàn)真正的三軸實(shí)驗(yàn)。

（4）實(shí)驗(yàn)架模型頂部用千斤頂向剛性板的加載方式，使得千斤頂壓頭處受力大，而外緣受力小，加載不勻。當(dāng)加載面處的巖層出現(xiàn)彎曲下沉現(xiàn)象時(shí)，加載剛性板不能隨之移動(dòng)，形成下沉位置處力加不上去，而下沉邊緣產(chǎn)生應(yīng)力集中，這是三維及平面相似模型都普遍存在的問(wèn)題。

（5）模型內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變、位移測(cè)量尚未很好地解決，傳統(tǒng)的壓力盒測(cè)壓的方式由于傳感器尺寸偏大，對(duì)模型內(nèi)部原始應(yīng)力場(chǎng)的擾動(dòng)大，不適用于立體模型的內(nèi)部參數(shù)測(cè)量。 2100433B

模擬相似原理（analogical principle of simulation）：為了使地球物理模擬得到的地球物理場(chǎng)的特征與野外實(shí)際觀測(cè)的物理場(chǎng)特征基本一致，應(yīng)遵循這樣的準(zhǔn)則：模型的物理過(guò)程與原型的物理過(guò)程可用同一量綱為一的物理方程描述；描述原型和模型的物理過(guò)程的方程組中的同名物理參數(shù)應(yīng)該相同（相似）；并滿(mǎn)足模擬相似性條件，這稱(chēng)為模擬相似原理。 2100433B

（1）幾何相似

幾何相似是指模型與其原型形狀相同，但尺寸可以不同，而一切對(duì)應(yīng)的線(xiàn)性尺寸成比例，這里的線(xiàn)性尺寸可以是直徑、長(zhǎng)度及粗糙度等。如用下標(biāo)p和m 分別代表原型和模型，則

線(xiàn)性比例常數(shù)可表示為 Cl=lp/lm

面積比例常數(shù)可表示為 Ca=Ap/Am=Cl^2

體積比例常數(shù)可表示為 Cv=Vp/Vm=Cl^3

（2）運(yùn)動(dòng)相似

運(yùn)動(dòng)相似是指對(duì)不同的流動(dòng)現(xiàn)象，在流場(chǎng)中的所有對(duì)應(yīng)點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的速度和加速度的方向一致，且比值相等，也就是說(shuō)，兩個(gè)運(yùn)動(dòng)相似的流動(dòng)，其流線(xiàn)和流譜是幾何相似的。

速度比例常數(shù)可表示為 Cv=Vp/Vm；

由于時(shí)間的量綱是l/V，因此時(shí)間比例常數(shù)為 Ct=tp/tm=(lp/Vp)/ (lm/Vm)=Cl/Cv

由此加速度比例常數(shù)Ca=ap/am=Cv/Ct=CI/Ct^2

（3）動(dòng)力相似動(dòng)力相似即對(duì)不同的流動(dòng)現(xiàn)象，作用在流體上相應(yīng)位置處的各種力，如重力、壓力、粘性力和彈性力等，它們的方向?qū)?yīng)相同，且大小的比值相等，也就是說(shuō)，兩個(gè)動(dòng)力相似的流動(dòng)，作用在流體上相應(yīng)位置處各力組成的力多邊形是幾何相似的。

一般地說(shuō)，作用在流體微元上的力有重力Fg、壓力Pp、粘性力Fv、彈性力Fe和表面張力Ft。如果流體是作加（減）速運(yùn)動(dòng)，則加上慣性力Fi后，上述各力就會(huì)組成一個(gè)力多邊形，因此Fg Fp Fv Fe Ft Fi=0。

當(dāng)然，在許多實(shí)際問(wèn)題中，上述各力并非同等重要，有時(shí)有些力可能不存在或者小得可以忽略不計(jì)，例如Fe和Ft，見(jiàn)圖。如果在滿(mǎn)足幾何相似及運(yùn)動(dòng)相似的兩個(gè)流動(dòng)現(xiàn)象中，作用在任何流體微元上的力有Fg、Fp、Fv和Fi等，于是，如果這些力滿(mǎn)足以下條件，則說(shuō)兩個(gè)現(xiàn)象是動(dòng)力相似的。

動(dòng)力比例常數(shù)可表示為：Cf=Fgp/Fgm= Fpp/Fpm= Fvp/Fvm= Fip/Fim=…

滿(mǎn)足以上相似條件時(shí)，兩個(gè)流動(dòng)現(xiàn)象（或流場(chǎng)）在力學(xué)上就是相似的。這三種相似條件中，幾何相似是運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似的前提和依據(jù)，動(dòng)力相似是則是流動(dòng)相似的主導(dǎo)因素，而運(yùn)動(dòng)相似只是幾何相似和動(dòng)力相似的表征；三者密切相關(guān)，缺一不可。

本書(shū)系統(tǒng)介紹了模型試驗(yàn)的相似理論、相似材料性質(zhì)及配比、試驗(yàn)裝備、加載及測(cè)試系統(tǒng)、大體積模型鋪設(shè)工藝等方面新的成果，以及這些新成果在盾構(gòu)施工煤礦長(zhǎng)距離斜井、煤層開(kāi)采對(duì)盾構(gòu)斜井穩(wěn)定性影響模擬試驗(yàn)中的應(yīng)用。內(nèi)容主要包括基本相似理論及地下工程模型試驗(yàn)相似條件；基于不同配比相似材料試件的正交試驗(yàn)提出的相似材料配比經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法；相似材料物理力學(xué)特性及影響因素；模擬含水地層特性的新型相似材料配比確定；伺服電機(jī)多頭加載三維模型試驗(yàn)臺(tái)及其測(cè)量控制系統(tǒng)研制；盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)煤礦斜井、預(yù)制管片支護(hù)、煤層開(kāi)采對(duì)斜井穩(wěn)定性影響的相似模擬試驗(yàn)方法及結(jié)果分析，煤層開(kāi)采引起含水層疏排放對(duì)地層沉降變形和斜井穩(wěn)定性影響的相似模擬方法及結(jié)果分析。本書(shū)在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)加載、基于原型物理力學(xué)參數(shù)和相似比定量確定、相似材料配比、盾構(gòu)掘進(jìn)與管片支護(hù)模擬、含水地層疏排水相似模擬方面進(jìn)行了新的探索，對(duì)于地下工程、采礦工程中的相似模擬研究有一定參考價(jià)值。

本書(shū)可供從事隧道與地下工程、采礦工程領(lǐng)域科研和工程技術(shù)人員參考，也可作為高等學(xué)校相關(guān)專(zhuān)業(yè)研究生教學(xué)參考書(shū)。