为改善拌合物的可塑性与和易性，往往加 一些膨润土，硅藻土，甘油与水的溶液， 酒精等外加料。甘油对降低变模及增加和 易性稍有作用，能减少干缩，但易于使模 型材料表面吸收空气中的水份而降低模型 表面的绝缘性能。酒精也能增加和易性且 能消除水对骨料的物理化学作用并导致快 速干燥效果。 地下洞室工程一书中表11－1列出国内外 近年来所应用的地力学模型材料的详细配 比和主要力学性能。

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地质力学模型材料和前述不考虑自重的砂～膏混 合物的共同特点是： 弹模及抗压强度低，加载设备简单易行； 变形大，量测精度易于掌握。 材料的力学性能变化幅度大，便于模拟各种复杂的地 质特性。当原型材料的变模相差十倍以上时，用这种 材料进行模拟也无困难。 其不足之处是由于材料很软，强度很低，在这种材料 的表面上贴电阻片测量应变目前尚有一定困难。 好在岩体节理发育时，可以看成是节理密集的碎 块体模型或数量众多的砌块模型，人们最感重要的还 是节理的破坏情况和关键部位的位移情况，所以70年 代以后，地质力学模型材料虽然尚处于不断发展完善 的阶段，但仍然得到了广泛的应用。
1、 几何相似 要求模型与原型的几何形状相似。为此， 必须将原型的尺寸，包括长度、宽度、高度 等都按一定的比例缩小（或放大）以做成模 型。设Lp和Lm分别代表原型和模型“长度”， 这里，Ｌ表示一个广义的长度，可以是长、 宽、高等。脚标p表示原型，脚标m表示模 型，下同。以Kl代表Ｌp和Ｌm的比值，称为 长度比尺，则几何相似要求Kl为常数，即： Kl＝Lp/Lm=const
为什么？
这不仅是因为超大型工程往往没有先例可以比 较，以及地质和地应力条件千差万别，而且不同的 数值分析方法和采用的模型不同也会给出差别较大 的结果，而在工程尚未施工时也很难对它们的差别 做出准确判断。
物理模型试验的不足
物理模型试验与其它方法相比 有它的弱点，如改变方案很不灵活， 重复性差；测量数据受仪器精度影 响大，有一定的离散性；有尺寸效 应，很难保证所有物理参数都满足 相似理论；试验工作量大、难度大、 费用高，尤其是三维模型试验更是 如此。
6.3.1 模型材料 正确选择模型材料是能否正确模拟原型的关键。 对于弹性范围的静力学研究，要求模型材料有较 大范围的线性应力～应变关系，须要考虑的仅是 弹性模量的相似。 对于考虑弹塑性性质和破坏的试验，则必须考虑 强度和变形的相似。 模型材料的选择还随着试验的目的和拥有的加载 及量测设备而异。 对于地下结构周围的岩石而言，它往往要求模型 材料的各种力学参数变化范围非常宽广。 从这些特点出发，B. Stimpson曾将前人实际应用 过的模型材料分类如下：
然而，物理模型则由于是真实的 物理实体，在基本满足相似原理的 条件下，则更能真实地反映地质构 造和工程结构的空间关系，更准确 地模拟施工过程和影响。试验结果 能给人以更直观的感觉，使人更容 易从全局上把握岩体工程整体力学 性征、变形趋势和稳定性特点，以 及各洞室或结构之间的相互关系， 从而做出相应的判断。
6、地下结构工程地质 力学模型试验
包括四个方面的问题
6.1 地下结构模型试验的意义 6.2 地下结构模型试验原理 6.3地下结构模型试验模拟技术 6.4 地下工程模型试验实例介绍

6.1 地下结构模型试验的意义
研究岩体稳定问题，包括坝基和坝肩稳定、边 坡稳定、地下结构围岩稳定问题，通常采用的方法 有工程类比法、地质结构分析法、数值模拟仿真分 析法和地质力学物理模型试验法等。对于中小型工 程，一般只采用前几种方法进行研究，但对与大型 或超大型工程，地质力学物理模型试验则是必要的。

１．不考虑容重相似的砂石膏混合物
对于不必模拟自重的模型材料来说，石膏－砂－水 的混合物是一种较为理想的材料。它的特点是价格 低，取材方便，制作简单，性能稳定，可以模拟广 泛的力学参数，也便于获得低强度，低弹模的性质。 同一配比下，含砂量对材料应力－应变关系的线型 及破坏模式有明显的影响。砂量增加时，弹模增加， 材料表现出脆性破坏特性；砂量减少时，弹模降低， 脆性减弱；砂量为零时，弹模降到最低，并表现出 典型的塑性破坏特性。

解决了三维试验中的高容重模型材料、三维初 始应力场生成、隐蔽开挖模拟及量测等关键技 术问题，使试验取得成功。这一试验研究成果 也可应用于今后我国大西南地区的其它超大型 地下水电站的研究，因而有着重要的价值和意 义。
在国家教育部组织的鉴定中，这
项研究成果被评为“总体上达到 国际领先水平”
6.2 地下结构模型试验原理





要使模型中所发生的情况，能如实反映原型中 所发生的情况，就必须根据问题的性质，找出 主要矛盾，并根据主要矛盾，去确定原型与模 型之间的相似关系和相似准则。 一般说来，地下结构问题涉及的物理量有：坐 标位置X、Y；压力P、位移Ｕ、应力σ、τ；容 重γ；时间ｔ……等。若欲使模型和原型相似， 必须满足以下两个条件： （１）各对应量成一定的比例关系； （2）各对应量所组成的数学物理方程相同。 具体说来，模型与原型应存在下列三方面的相 似：
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除干燥养护时间较长外，该材料的另一弱点是应 力～应变曲线呈塑性性质，见图。该图表示的一 组混合料是在重晶石：砂：水：甘油＝4600： 9200：2250：200固定不变的情况下，仅改变石 膏的掺量而得到的。
（2）松香酒精溶液或石蜡


它属于一种弱胶结剂，有利于降低材料的强度。它们和酒精 的溶液（石腊微溶于酒精）可以避免铁粉生锈，并使模型材 料快干，缩小养护时间。经验证明，铁粉和乳胶、环氧以及 石膏的水溶液接触，都会生锈并引起其它化学反映。当选用 铁粉作骨料时，酒精作溶液是适宜的。松香酒精溶液可使材 料具有脆性性质。饱和石腊酒精溶液可使模型材料具有塑性 性质。调整两者的比例，可以改变其组合料的应力～应变曲 线形状及其破坏性态。此种粘结剂溶液的最佳用量应是能使 均匀沾湿全部骨料颗粒表面，在压模成型时，颗粒之间既能 相互粘结，又没有多余的溶液被挤出。 但这种材料强度特性调节范围不如石膏浆那样灵活、广泛， 这是值得进一步研究的问题。

２．考虑容重相似的地质力学模型材料

当地应力场强度足够大，足以略去岩石自 重影响，或者，当地下洞室上层岩石覆盖厚度 足够厚，以致可将岩石自重化引为面力作用在 洞室周围岩体的边界时，可以忽略模型范围内 自重的相似性，采用上述石膏～砂的混合料作 为模型材料是合适的。反之，特别是对于浅埋 的地下洞室，其初始地应力场以自重应力场为 主，则应考虑自重相似，采用所谓地质力学模 型材料。
其次，也可以通过物理模型试验， 对各种数值分析结果进行一定程度 上的验证，而不必等到工程施工以 后。这无疑对于大型或超大型岩体 结构工程是有重要意义的。
与研究坝体、坝基和坝肩稳定性的 三维地质力学模型试验相比，研究地下 结构和地下洞室的岩石力学物理模型试 验则有很大的差距。到目前为止，从可 以查到的资料看，只有少数几个平面模 型试验和小型三维试验。这些试验都无 法模拟洞室的施工过程。究其原因，最 主要的则是模拟地下洞室施工过程的三 维模型试验难度太大。例如三维地应力 场的模拟原理和技术、洞室群开挖尤其 是内部洞室隐蔽开挖技术的实现、内部 物理量量测方法等等，因而几十年来一 直没有什么进展。
因面积是长度的二次方，所以面积比尺为： Ap/Am=Kl2 又因体积是长度的三次方，所以体积比为： Vp/Vm=Kl3 一般说来，模型越大，越能反映原型的实际 情况（原型实际上是Kl＝１，但往往由于各 方面的条件限制，模型又不能做得太大。通 常模拟矿山采场用Kl＝５０～１００，大型 洞室群常常采用300左右，即将原型缩小为 1/50～1/100、或1/300。

影响材料强度的主要因素是胶结剂。除利 用环氧树脂在水中的乳化作用作为胶结料以外， 所用的胶结料主要是两种：
（１）石膏浆 调整石膏用量或水膏比，可以调整材料的强度及 变模。图中所示为石膏掺量对单轴抗压强度的影响。材料在 浇注成型1～2天以后拆模，在室温下晾干，并在红外 线灯下烘烤32小时左右，直至试件不再失重为止。
Kt Kl
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在进行静力模型试验时一般不考虑时间比尺，但 是如果要考虑流变或蠕变特性，即使是静力问题 也要考虑时间比尺。

模型和原型材料的相似关系：
若原型中量纲相同的物理量用了不同的 比例关系，这种模型叫做歧变模型。但 应把歧变影响减到最小。
6.3地下结构模型试验模拟技术
室内模拟技术的主要内容是如何选择 模型材料和量测技术来实现所建立的 相似条件，然后进行模型设计的研究， 包括岩块模拟，节理或不连续面的模 拟，岩体模拟，岩体初始应力场及开 挖过程的模拟。本节仅就上述问题作 一简介。
为满足容重相以，应有容重比尺Ｋγ＝１。如能使 Ｋγ＜１，则可进一步减小所需的应力比尺Ｋ。或 减少模型尺寸。所以模拟自重应力场的地质力学 模型材料除了满足应力应变全过程的相似，内摩 擦角、凝聚力及泊桑比的相似以外，尚要求模型 材料有尽可能大的容重，较低的强度和变形模量。 提高材料容重的办法是采用大比重骨料。例如， 重晶石粉，其容重为2.72g/cm3,空隙率40％；红丹 粉，容重5.25g/cm3,空隙率40％；铁粉，可由未生 锈的铁屑中筛选，容重3.56g/cm3,空隙率47％；此 外尚有石英砂，铅及铅的氧化物如PbO及Pb3O4 但 由于铅及其氧化物有毒且价格昂贵，我国都不采 用。


这里的模型试验是指相似材料模拟试验，它 也是人们探讨和认识地下工程力学特性和规 律的途径之一。 采用模拟材料做成模型，然后在模型中开挖 洞室或隧道，观察模型的变形、位移、破坏 和应力等情况，据以分析、推测原型中所发 生的情况。这种方法，称为相似材料模拟方 法。它被用来研究地下结构和洞室的某些稳 定问题，例如估计地应力大小、顶底板相对 位移、塌落拱形状和大小、支护对地应力的 影响、地下开挖对地表的影响等等。