孫文杰，程國祥，廖永暉，海成龍，陳懷教

（金川鎳鈷研究設(shè)計院有限責任公司，甘肅 金昌 737100）

離心模擬試驗對模擬自重為主要荷載的巖土結(jié)構(gòu)物的破壞機理特別有效，是以小比尺離心模擬試驗采用與原型相同的材料，在離心機形成高加速度場中達到與原型相同的應(yīng)力水平，從而使模型與原型的應(yīng)力應(yīng)變相等，變形相似，破壞機理相同，能再現(xiàn)原型特性，具有可以減小模型尺寸，大大縮短試驗時間，建立各種非均質(zhì)模型，模擬各種復(fù)雜工程的狀況，從而提高了模型的預(yù)測能力［1-4］。

本次試驗的目的是利用土工離心機模擬簡化六角形采場上部充填體的受力、變形和破壞規(guī)律。通過離心機模型試驗得到采場模型隨著離心機加速度的變化規(guī)律。

由于針對六角形采場充填體的離心模擬試驗國內(nèi)外還未有專家學(xué)者進行研究過［5-7］，在國內(nèi)外六角形采場充填體強度的研究中還屬于空白，沒有相關(guān)的研究成果進行參考，因此，第一階段的離心模擬試驗主要為探索性試驗，充填體強度采用5 MPa。

1 試驗設(shè)備及主要的試驗參數(shù)

1.1 試驗設(shè)備

本次試驗采用清華大學(xué)土工離心機，該試驗機1993年建成，已經(jīng)做過大量的各類離心模擬試驗，完全可以滿足本次試驗的要求。

該離心機的設(shè)計最大加速度為250 g，但在試驗過程中，由于受輔助設(shè)施的影響，若加速度過高，容易影響輔助設(shè)備的工作效率，根據(jù)以往的試驗經(jīng)驗，最大加速度在100 g左右時，輔助設(shè)備能夠正常運作，同時考慮模型箱的尺寸，最終確定本次離心模擬試驗的最大離心加速度為100 g。

土工離心試驗相似比的基本原則是滿足模型和原型應(yīng)力的相似性，為了保證模型和原型應(yīng)力相同，原型和模型各物理量之間必須具有一定的相似比例關(guān)系。

1.2 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)

采場最大寬度為六角形采場中部兩個鑿巖巷道內(nèi)側(cè)的距離，與數(shù)值模擬中所闡述的采場寬度有所不同，兩者相差一個鑿巖巷道的寬度。如圖1所示。

圖1 采場寬度

1.3 模型試驗

根據(jù)確定的采場尺寸方案，對整個離心試驗?zāi)Ｐ偷某叽邕M行計算，結(jié)合清華大學(xué)離心試驗機模型箱的尺寸和離心模擬試驗要求，最終確定了模具的內(nèi)部凈尺寸為50 cm×60 cm×20 cm（長×寬×高）。

整個模具的材質(zhì)采用具有較高剛度的高端有機玻璃，有機玻璃的厚度為25 mm，模型中部預(yù)留六角形采場。六角形采場的模型材料同樣采用有機玻璃，考慮六角形采場在離心模擬試驗時需要拆除，模擬開挖過程，為了拆卸方便，避免對充填體模型產(chǎn)生較大的人為擾動從而影響充填體的強度，六角形采場由六塊相互獨立的有機玻璃板組成，有機玻璃板之間采用螺栓連接，方便拆卸。

為了在充填體澆筑過程中，使充填體快速沉淀和強度均勻，在模型的一側(cè)布置了直徑5 mm的濾水孔，濾水孔的布置間隔為50 mm×50 mm，在模具內(nèi)側(cè)布置濾水孔的一側(cè)粘貼濾紙，防止在濾水過程中水泥隨濾水一同流出，影響充填體的強度。

模具采用內(nèi)外兩層有機玻璃板，外板厚度為25 mm，內(nèi)板厚度為5 mm，在要布置標記點的一側(cè)不設(shè)置內(nèi)板，外板在離心模擬試驗時需要拆除，為了拆卸方便，模型四周與底部的外板相互獨立，之間采用直徑為6 mm的螺栓連接，方便拆除。內(nèi)板由于不需要拆除，因此內(nèi)板設(shè)計為一個整體，與充填體直接接觸。整個模具的精度要求為：尺寸的精度誤差≤1 mm，有機玻璃外板剛度變形≤1%。制作完成的整體模具如圖2所示。

圖2 物理模型

2 離心模型試驗結(jié)果分析

首先以5 g／min的加載速度緩慢加載至100 g，加至100 g后，穩(wěn)定10 min，觀察模型的變化和破壞情況，模型未發(fā)生明顯的失穩(wěn)破壞。緩慢降低離心加速度至1 g，拆下模型，觀察模型的變形情況。結(jié)果圖如圖3所示。

圖3 離心模型試驗位移分布結(jié)果圖（單位：mm）

試驗過程中，隨著離心機加速度的提高，重力由1 g逐步增加至100 g，采場周圍出現(xiàn)明顯的位移變化。在5 g時，物理模型最大位移為2.4 mm；25 g時，最大位移為5.2 mm；50 g時，最大位移為9.8 mm；75 g時，最大位移為15.5 mm；90 g時，最大位移為17 mm；100 g時，最大位移為20.2 mm。

隨著加載加速度的增加，物理模型中產(chǎn)生的位移接近線性增大，得到的線性擬合曲線如圖4所示。通過擬合曲線可以推斷出模型隨著離心加速度的變化產(chǎn)生位移變化的規(guī)律。

圖4 離心加速度與位移擬合曲線

物理模型試驗中的分析試樣未發(fā)生破壞的原因，主要是由于充填體強度比較高，且六角形采場上部應(yīng)力拱的存在，使得離心模擬試驗附加的重力難以使采場發(fā)生破壞。

3 結(jié) 論

采用物理模型試驗，開展了六角形采場充填體的離心模擬試驗研究，得到了以下結(jié)論：

1.隨著離心機加速度的提高，重力由1 g逐步增加至100 g，采場周圍出現(xiàn)明顯的位移變化。

2.隨著加載加速度的增加，物理模型中產(chǎn)生的位移接近線性增大。

3.六角形采場上部應(yīng)力拱的存在，使得離心模擬試驗附加的重力難以使采場發(fā)生破壞。