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1、第7章相似材料模拟方法,Xian University of Science and TechnologyYu Xueyi,7.1 概述,重点：相似材料模拟实验的基本原理； 相似材料模拟实验的应用范围； 相似材料模型铺设方法； 观测点设置及数据采集、处理方法； 实验结果分析评价方法。,与现场观测研究相比，模拟研究方法有以下优点：,1） 模拟研究是在特定条件下，作了一定的简化，研究重点问题，简单易行；2） 模拟研究可以研究在实际观测中很难实施的工作。如陡峭山区的观测工作，岩体内部的观测工作等；3） 模拟研究可以根据不同的开采方案，进行反复试验，以确定最优的开采方法。而实际开采中的观测只能在特定的
2、时间地点进行。,与现场实测研究相比，模拟研究方法有以下缺点：,1） 采动地表岩层的移动变形破坏是受地质构造、采矿方法、岩体的物理力学性质、水文条件等复杂因素的影响。而如果模拟的模型简化构造的不当，会导致错误的结论；2） 模拟的岩体参数的选择与原岩状态中的岩体参数有一定的差别，除此之外，由于模拟的模型一般不能取的很大，模拟实验的边界效应很难确定。 因此模拟研究一般仅作一些定性的研究，主要研究开采引起岩层与地表移动变形的规律。在进行定量研究时，常常要用其它的方法进行配合和检查。,7.2 相似材料模拟实验,7.2.1 相似材料模拟分析基本原理模型缩小或加大；作适当的简化；相似系数确定原理；相似定理。
3、 对物理现象进行模拟的研究的依据是相似学说，相似学说对相似现象的基本性质及被研究现象之间的相似特征是用以下三个相似定理来表述：,1） 第一相似定理相似正定理。该定律表述为：“对相似的现象，其相似指标等于1或其相似判据相同”。相似现象的各对应物理量之比应当是常数，称其为相似常数，而相似指标即表示相似原理与模型之间应满足的比例关系。相似判据则表示原型与模型内各基本物理量之间应满足的比例关系。2） 第二相似定律定律。定律认为：“约束两相似现象的基本物理方程可以用量纲分析的方法转换成用相似判据方程来表达的新方程，即转换成方程。两个相似系统的方程必须相同。”,2） 第三相似定律相似逆定律。相似逆定律认为
4、：只有具有相同的单值条件和相同的主导相似判据时，现象才互相相似。单值条件相同是指：该系统激活条件相似；在被研究过程中具有根本意义的物理常数成正比例；该系统初始状态相似；在整个研究过程中，该系统边界条件相似。主导相似判据是指在系统中具有重要意义的物理常数和几何性质所组成的判据。,7.2.2 单值条件和相似判据,1）单值条件和相似判据2）几何相似模型与原型各部分的尺寸应按同样的比例缩小或放大，即满足：（7-1）式中 l长度相似常数； A面积相似常数； V体积相似常数。,3）物理相似,1)研究弹性范围内围岩的应力和变形,a)不考虑自重时主要的物理相似常数表达为：（7-2）式中 应力相似常数； E弹性
5、相似常数。根据原型与模型中应力应变曲线应当用同一方程表示的要求，应满足的相似指标为： （7-3）,b)考虑自重时，主要的物理相似常数表达为：,（7-4） 在弹性范围内，原型与模型都应满足微分平衡方程。满足该方程的相似指标为：（7-5）同时也应满足： 。,2)研究围岩的破坏过程,a) 主要的相似常数除了满足上述应力与变形的条件外，在这类问题中还应满足强度相似的要求。严格地讲，应当使模型材料与原型材料的强度曲线相似。但这一要求往往很难完全满足。通常多采用简化的办法，即取摩尔圆的包络线为直线。为保证原型与模型两直线型强度曲线的相似，只要满足 与 （7-6）或满足 与 （7-7）式中 c抗压强度相似常
6、数； t抗拉强度相似常数； c粘聚强度相似常数； 内摩擦角相似常数。,b)主要相似指标与相似判据破坏问题涉及动力学，应当满足牛顿第二定律 ，其相应的相似指标为：（7-8）相似判据为：（7-9）式中 p原型材料的容积重； m模型材料的容积重。强度极限c与t的量纲与应力一致，因而选择模型材料的强度指标，可根据以下公式计算：（7-10）（7-11）同样，粘聚强度C与是同量纲的，因此，也可按类似的公式换算，即：（7-12）摩擦角是无量纲的，所以在模型与原型中 即： 。,（3） 研究围岩在长期开采条件下的破坏过程除了应满足第（1）、（2）类问题外，另一个主要的物理量是时间。一般地讲，时间相似常数t与几何
7、相似常数l 间的关系为：（7-13） 当涉及蠕变问题时，从理论上，应使原型材料与模型材料二者的蠕变过程相似。实际上，不论对原型材料还是对模型材料，在这方面都缺乏足够的数据。因此，相似的要求几乎是不可能实现的。一些专家通过实验近似的解决了这一难题。,4）初始状态对岩体来说，最重要的初始状态是它的结构状态。为此就需要模拟：（1） 岩体结构特征；（2） 结构面的分布特征；（3） 结构面上的力学性质。在模拟各种不连续结构面时，首先应当区别哪些对所研究的问题有决定性意义。对于主要的结构面，应当按几何相似条件单独模拟。至于次要结构面，为简化起见，往往一并考虑在岩石本身的力学性质之内，可采取降低不连续面所在
8、岩石弹性模量与强度的方法来解决。5）边界条件相似模型的边界条件应与原型尽量一致。使用平面模型时，应满足“平面应变”的要求，采用各种措施保证前后表面不产生变形。模拟深部岩层时，往往用外部加载的方法来代替自重应力。根据理论分析，对于均值岩体，由于开挖而引起的应力重新分布的范围约等于开挖空间的35倍。因此用外部加载方法研究问题时，模拟的范围至少应大于开挖空间的三倍。,7.2.3 相似材料,1）选择相似材料相似材料的主要力学性质与模拟的岩层或结构相似；材料力学性能稳定，改变材料配比，可调整材料的某些性质以适应相似条件的需要，制作方便，成本低，来源丰富。组成相似材料的原材料可分为两类：骨料和胶结材料。2
9、）进行相似材料配比实验在进行相似材料实验时，先将填料和胶结物按一定的配比称量好，混合在一起，搅拌均匀。然后按总料量的比例或按主胶结物的比例，加入一定量溶有缓凝剂的水，搅匀后做成相似材料试件。加入缓凝剂的目的在于使相似材料混合物的初凝和终凝时间延长。在用石膏作为主胶结物的相似材料中，一般用硼砂或动物胶作缓凝剂。相似材料试件做成后，必须晾干才能测定其力学性质。试件干燥时间一般为310d。试件干燥后就可进行强度和变形性质的测定。试件可以做成圆柱形、方柱形、立方体形等。,3）绘制相似材料配比图表,表7.1相似材料配比表,表7.1相似材料配比表,表7.2相似材料配比表,4）制作模型的工艺过程,根据实验的
10、要求，可制作不同尺寸的平面或立体模型。目前相似模拟实验大多采用平面模型，模型制作工艺包括下列过程： （1）模型设计模型设计包括：搜集研究地区的地质柱状图、岩石物理力学性质和开采计划等有关地质采矿资料，确定与研究任务相适应的模型比例尺和重度比，拟定模型铺设、观测和开采方案，以及备料和实验人员安排。 （2）计算相似材料用量 a）根据地质柱状图上各岩层的物理力学性质、模型比例尺和重度比，计算相似材料的物理力学性质。 b）根据上述算出的相似材料物理力学性质，在配比表7.1中选择较接近的比例 c）根据确定的材料比例，按下式确定各分层材料的总量,7.2.4 模型的铺设,铺设模型的步骤如下：（1）装好模型架
11、，铺设好最下部的模板；（2）将每一分层所需要的各种材料分别称好，倒入搅拌机中搅拌均匀；将所需的水（含缓凝剂）倒入搅拌机中，与材料混合搅匀；（3）将搅拌好的材料倒入模型中，用刮板把材料摊平，再在材料上方放一块薄胶皮，用金属棍子在胶皮上来回滚压，把材料压实；（4）为保证初始条件相似，在刚铺好的每一分层岩层中，用刻刀按一定间隔切割裂隙，随后用木碾子或木块轻轻地将层面压平，并撒一些云母粉（用量约为0.046 g/cm2），起隔层的作用。然后铺设下一分层；（5）一直往上铺设，护板随之增高，直到所需高度为止。1）模型的开采 2）模型的观测,7.2.5 相似材料模拟法在采矿工程中的应用实例,1）实验对象 2）实验目的 3）模型采用的相似条件 4）相似材料的配比 5）测点布置及测试方法 （1）测点布置 （2）测试方法压力传感器采用直径28mm的BW型箔式微型压力盒，它与YJD-17型静动态电阻应变仪，P20R-17型预调平衡箱，PZ型数字直流电压表配合，由数字电压表直接读出微应变。位移传感器采用YHD-50型位移计。 6）观测结果及主要结论,谢 谢 ！,
