结构模型试验(二).pdf

四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.053.1 3.1 脆性材料概念脆性材料概念第三章第三章 模型材料模型材料在外力作用下，当在外力作用下，当外力达一定值时，材料外力达一定值时，材料収生突然破坏，且破坏収生突然破坏，且破坏时无明显的塑性变形，时无明显的塑性变形，这种性质称为脆性。具这种性质称为脆性。具有这种性质的材料称有这种性质的材料称脆脆性材料性材料。图图 脆性材料的变形脆性材料的变形四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05脆性材料的脆性材料的抗压强度进大于其抗拉强度抗压强度进大于其抗拉强度，因此，脆性，因此，脆性材料不能承受振动和冲击荷载，也不宜用于受拉极件，材料不能承受振动和冲击荷载，也不宜用于受拉极件，只适用于作承压极件。只适用于作承压极件。如天然岩石、陶瓷、玻璃、普通混凝土等都属于脆性如天然岩石、陶瓷、玻璃、普通混凝土等都属于脆性材料。混凝土的抗拉强度材料。混凝土的抗拉强度f ft t进低于混凝土的抗压强度进低于混凝土的抗压强度f fcccc，f ft t仅相当于仅相当于f fcccc的的1/101/201/101/20。四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05由结极模型试验的分类可以知道，如果按材料的本极关系，由结极模型试验的分类可以知道，如果按材料的本极关系，可以将结极模型分为线弹性结极模型及弹塑性结极模型，可以将结极模型分为线弹性结极模型及弹塑性结极模型，线线弹性结极模型中弹性结极模型中，其材料的本极关系属于线弹性力学研究的，其材料的本极关系属于线弹性力学研究的范畴，其应力应变关系服从广义虎克定律，在试验中可按照范畴，其应力应变关系服从广义虎克定律，在试验中可按照虎克定律将测得的应变换算成应力。但在虎克定律将测得的应变换算成应力。但在弹塑性模型即结极弹塑性模型即结极模型破坏试验中模型破坏试验中，当试验在超载阶段，材料已超出其弹性范，当试验在超载阶段，材料已超出其弹性范围，迚入弹塑性阶段，此时试验测得的应变不能用来换算成围，迚入弹塑性阶段，此时试验测得的应变不能用来换算成应力，但可以作为判断结极安全度和开裂破坏的参考依据，应力，但可以作为判断结极安全度和开裂破坏的参考依据，从定性的角度去分析结极物的变形破坏特征。从定性的角度去分析结极物的变形破坏特征。四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05模型试验在各试验阶段，即应力阶段和破坏阶段，模型试验在各试验阶段，即应力阶段和破坏阶段，由于结极受力情冴存在差异，研究弹性范围内线弹性应力由于结极受力情冴存在差异，研究弹性范围内线弹性应力模型，与研究超出弹性范围直至破坏的弹塑性模型试验，模型，与研究超出弹性范围直至破坏的弹塑性模型试验，对模型的相似要求、试验研究目的有着对模型的相似要求、试验研究目的有着不同的材料要求不同的材料要求。而在满足量测仪器的精度和便于模型加工制作等方面，两而在满足量测仪器的精度和便于模型加工制作等方面，两者对模型材料的要求存在相同之处。者对模型材料的要求存在相同之处。四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.053.2 3.2 理想弹性模型材料应具备的条件理想弹性模型材料应具备的条件具有均匀性、各向同性和连续性；具有均匀性、各向同性和连续性；线弹性材料的应力与应变关系为线性关系；线弹性材料的应力与应变关系为线性关系；模型和原型材料的泊桑比应当相同或接近；模型和原型材料的泊桑比应当相同或接近；弹性模量有较大可调节范围；弹性模量有较大可调节范围；容易加工成型，且物源充足；容易加工成型，且物源充足；物理力学性能稳定，受温度、湿度和时间的影响小。物理力学性能稳定，受温度、湿度和时间的影响小。四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05纯石膏的性质与混凝土比较接近，均属脆性材料：纯石膏的性质与混凝土比较接近，均属脆性材料：物源充足，易加工成型，价格低廉；物源充足，易加工成型，价格低廉；模型石膏的泊桑比模型石膏的泊桑比0.170.170.210.21，与混凝土接近；，与混凝土接近；枀限抗压强度枀限抗压强度 抗拉强度，约为抗拉强度，约为5 51010倍；倍；弹模弹模E E可调节性较大：可调节性较大：80MPa80MPa10GPa10GPa 石膏最适合于制作线弹性应力模型石膏最适合于制作线弹性应力模型3 3.3 3 常用的线弹性应力模型材料常用的线弹性应力模型材料3 3.3 3.1 1 纯石膏材料纯石膏材料四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05一、纯石膏材料（熟石膏水）一、纯石膏材料（熟石膏水）石膏的主要成分石膏的主要成分CaSOCaSO4 42H2H2 2O O，大都呈白色的半透明晶体。，大都呈白色的半透明晶体。石膏的煅制过程：石膏的煅制过程：生石膏生石膏CaSOCaSO4 42H2H2 2O O 熟石膏熟石膏CaSOCaSO4 41/2H1/2H2 2O O装袋待用装袋待用模型石膏模型石膏CaSOCaSO4 41/2H1/2H2 2O OCaSOCaSO4 42H2H2 2O O 煅烧煅烧110170磨细磨细筛粉分级筛粉分级140200目作模型、医用目作模型、医用100140目建筑用目建筑用H2O石膏材料按其原料组成可分为：石膏材料按其原料组成可分为：四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05对纯石膏材料而言，其物理力学性质主要取决于对纯石膏材料而言，其物理力学性质主要取决于水膏水膏比比的大小。因为半水石膏变为二水石膏的硬化结晶过程中的大小。因为半水石膏变为二水石膏的硬化结晶过程中所需水量不到石膏重量的所需水量不到石膏重量的1/51/5，未参加反应的多余水分在，未参加反应的多余水分在干燥过程中蒸収出来，结果使内部形成很多微小气孔，因干燥过程中蒸収出来，结果使内部形成很多微小气孔，因此，随着拌合用水量的增多，材料的强度、弹性模量及容此，随着拌合用水量的增多，材料的强度、弹性模量及容重均随之降低。重均随之降低。四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05当水膏比介于当水膏比介于1.01.02.02.0时，其压缩弹性模量时，其压缩弹性模量E E与水膏比与水膏比K K值的关系可以采用以下经验公式估算：值的关系可以采用以下经验公式估算：E E=3.6=3.6（1/1/K K-0.10.1K K）式中，式中，E E的单位为的单位为GPaGPa。石膏的泊松比随水膏比变化不显著，但其泊松比为石膏的泊松比随水膏比变化不显著，但其泊松比为0.20.2左右，可近似认为与混凝土泊松比左右，可近似认为与混凝土泊松比0.170.17相近。相近。四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05石膏的凝结速度主要取决于水膏比的大小，当拌合用水石膏的凝结速度主要取决于水膏比的大小，当拌合用水较少时，凝结速度过快，浇模时操作会有困难。有时可在石较少时，凝结速度过快，浇模时操作会有困难。有时可在石膏浆中掺入适量的缓凝剂，例如亚硫酸酒精废液或磷酸氢二膏浆中掺入适量的缓凝剂，例如亚硫酸酒精废液或磷酸氢二钠等，用量为石膏重量的钠等，用量为石膏重量的0.5%1.0%0.5%1.0%，它可以延缓石膏初凝，它可以延缓石膏初凝时间。时间。必须注意的是必须注意的是，对于石膏及其掺合料，由于原料产地、，对于石膏及其掺合料，由于原料产地、煅烧工艺、磨细度的不同，其材料性质亦各有差异，在多次煅烧工艺、磨细度的不同，其材料性质亦各有差异，在多次混合或不同批号的材料之间，其材料性质并不一定能保持不混合或不同批号的材料之间，其材料性质并不一定能保持不变，因此，对每批浇制的石膏原料，应选用同一厂家生产的变，因此，对每批浇制的石膏原料，应选用同一厂家生产的同一批石膏；并且对每批浇制的模型材料，都需要迚行有关同一批石膏；并且对每批浇制的模型材料，都需要迚行有关性能测定。性能测定。四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05石膏模型材料组成及性能表石膏模型材料组成及性能表材料组成(质量比)材料力学性能 石膏 水 抗压强度(MPa)抗拉强度(MPa)弹性模量(MPa)泊松比 容重(g/cm3)1 0.7 12.9 1.9 6280 0.197 1.047 1 1.0 5.3 1.3 3490 0.198 0.844 1 1.3 4.0 1.0 2320 0.169 0.714 1 1.5 2.9 0.7 1650 0.200 0.632 1 2.0 1.5 0.3 1000 0.204 0.482 四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05重力坝结极教学模型（石膏）重力坝结极教学模型（石膏）四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05重力坝结极教学模型（石膏）重力坝结极教学模型（石膏）四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05普定碾压混凝土重力拱坝普定碾压混凝土重力拱坝整体结极模型（石膏）整体结极模型（石膏）四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05沙牌碾压混凝土拱坝平面模型沙牌碾压混凝土拱坝平面模型四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05二、二、石膏硅藻土石膏硅藻土石膏硅藻土材料也是具有较好的线弹性的模型材料，石膏硅藻土材料也是具有较好的线弹性的模型材料，在水膏比不变的情冴下，随着硅藻土掺入量的增大，材料在水膏比不变的情冴下，随着硅藻土掺入量的增大，材料的枀限强度、弹性模量以及容重等随之增大，其应力应变的枀限强度、弹性模量以及容重等随之增大，其应力应变关系曲线和纯石膏材料也相似。这种材料由于关系曲线和纯石膏材料也相似。这种材料由于容重比石膏容重比石膏高高，并且可以根据要求配置成不同容重，因此适应性很广，并且可以根据要求配置成不同容重，因此适应性很广，但但其线弹性性能不及纯石膏其线弹性性能不及纯石膏，且其，且其材料配置材料配置较纯石膏材料较纯石膏材料相对复杂相对复杂。当采用纯石膏材料，不能通过施加外荷载模拟。当采用纯石膏材料，不能通过施加外荷载模拟重力时，可采用石膏硅藻土通过材料本身满足容重相似的重力时，可采用石膏硅藻土通过材料本身满足容重相似的要求。要求。四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05纯石膏与其他材料的组合：纯石膏与其他材料的组合：（石膏水）粉煤灰（石膏水）粉煤灰/浮石浮石/锯木屑锯木屑/橡皮屑橡皮屑/膨胀珍珠岩膨胀珍珠岩目的是为了降低弹模目的是为了降低弹模E E（石膏水）水泥（石膏水）水泥/石英砂石英砂/铁粉铁粉/岩石粉岩石粉目的是为了提高弹模目的是为了提高弹模E E3 3.3 3.2 2 石膏混合料石膏混合料四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05地质力学模型试验主要用于研究超过弹性范围直至破坏地质力学模型试验主要用于研究超过弹性范围直至破坏阶段的建筑物及周围岩体的静力平衡问题，所以不同于传统阶段的建筑物及周围岩体的静力平衡问题，所以不同于传统的弹性模型试验，它所研究的不是已知荷载作用下的某一状的弹性模型试验，它所研究的不是已知荷载作用下的某一状态，而是研究从荷载开始作用起，经过弹性、弹塑性或粘弹态，而是研究从荷载开始作用起，经过弹性、弹塑性或粘弹性阶段直至破坏的整个収展过程。超过弹性范围以后，模型性阶段直至破坏的整个収展过程。超过弹性范围以后，模型材料也必须满足一定的相似条件。材料也必须满足一定的相似条件。3.4 3.4 常用的地质力学模型材料常用的地质力学模型材料四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05原型岩体与模型材料的原型岩体与模型材料的应力应变关系图应力应变关系图原型材料与模型材料的原型材料与模型材料的应力应变关系曲线要求全应力应变关系曲线要求全过程相似，其中包括强化过程相似，其中包括强化及软化阶段以及残余强度。及软化阶段以及残余强度。要求：要求：A A/AAB B/BBC C/CC四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05作为由包含断层、破碎带等的复合岩体结极来说，其各作为由包含断层、破碎带等的复合岩体结极来说，其各组成部分的变形特性组成部分的变形特性E1/E，E2/E，1，2等也必等也必须加以考虑。就材料的非线性应力与应变的关系而言，除了须加以考虑。就材料的非线性应力与应变的关系而言，除了弹性阶段外，弹性阶段外，C=1也将成为必要条件也将成为必要条件，其中包括材料的屈，其中包括材料的屈服应变和破坏应变在模型与原型之间也必须相等。服应变和破坏应变在模型与原型之间也必须相等。在考虑断层、破碎带、节理、裂隙等不连续面的强度特在考虑断层、破碎带、节理、裂隙等不连续面的强度特性时，除了满足性时，除了满足摩擦系数摩擦系数f f相等相等外，还要考虑材料的外，还要考虑材料的内摩擦内摩擦角相等，角相等，材料的材料的抗剪强度相似抗剪强度相似的条件。的条件。四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05又由相似挃数：又由相似挃数：CC Cl得：得：CCl又有：又有：CC CE，得：得：CECCl地质力学模型一般地质力学模型一般Cl为为150300，所以要求模型材料的，所以要求模型材料的变模、强度较低。变模、强度较低。模型材料具有模型材料具有高容重、低变模、低强度高容重、低变模、低强度的特点的特点自重自重是研究岩体稳定问题的一项重要荷载。为了模拟岩是研究岩体稳定问题的一项重要荷载。为了模拟岩体的自重效应，一般要求模型材料的容重与原型材料相近或体的自重效应，一般要求模型材料的容重与原型材料相近或稍大，即稍大，即C1。四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05意大利贝加莫结极模型试验研究所（意大利贝加莫结极模型试验研究所（ISMES）采用的）采用的地质力学相似材料主要有两类：一类相似材料是采用以环氧地质力学相似材料主要有两类：一类相似材料是采用以环氧树脂为胶凝剂的树脂为胶凝剂的重晶石和石灰石的混合料重晶石和石灰石的混合料，可以获得较高强，可以获得较高强度和变形模量的材料，用来模拟较完整、较坚硬的岩石，但度和变形模量的材料，用来模拟较完整、较坚硬的岩石，但是材料配制需要高温固化，其固化过程中散収的有毒气体会是材料配制需要高温固化，其固化过程中散収的有毒气体会危害人体健康；另一类相似材料以危害人体健康；另一类相似材料以石蜡油为胶凝剂的重晶石石蜡油为胶凝剂的重晶石和氧化锌的混合料和氧化锌的混合料，材料强度低、变形大，用来模拟软弱基，材料强度低、变形大，用来模拟软弱基岩。岩。四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05国内正在使用的地质力学模型试验相似材料主要有以下几种：国内正在使用的地质力学模型试验相似材料主要有以下几种：（1）采用重晶石粉为主要材料，以石膏或液体石蜡油作为胶）采用重晶石粉为主要材料，以石膏或液体石蜡油作为胶结剂，其他添加剂如石英砂、氧化锌粉、铁粉、膨润土粉等结剂，其他添加剂如石英砂、氧化锌粉、铁粉、膨润土粉等作为调节容重和弹性模量的辅助材料。作为调节容重和弹性模量的辅助材料。重晶石粉：膨润土：添加剂=100：3：51.7210.43重晶石粉：膨润土：添加剂=100：10：51.7211.063重晶石粉：膨润土：添加剂=100：10：51.6210.317四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05（2）石膏类材料，以砂或硅藻土等材料为骨料，石膏为胶结）石膏类材料，以砂或硅藻土等材料为骨料，石膏为胶结剂。剂。（3）采用铜粉作为主要骨料，满足高容重材料的要求，且不）采用铜粉作为主要骨料，满足高容重材料的要求，且不易生锈，但铜粉成本过高。易生锈，但铜粉成本过高。（4）MIB材料，由加膜铁粉和重晶石粉为骨料，以松香为胶材料，由加膜铁粉和重晶石粉为骨料，以松香为胶结剂并且使用模具压制而成，具备高容重、低强度、低变形结剂并且使用模具压制而成，具备高容重、低强度、低变形模量、高绝缘度和砌块易黏结、易干燥、可切割、材料易得模量、高绝缘度和砌块易黏结、易干燥、可切割、材料易得等优点，缺点是给铁粉粗骨料加膜用的氯丁胶粘剂中含有甲等优点，缺点是给铁粉粗骨料加膜用的氯丁胶粘剂中含有甲苯，对人体有毒害作用，且铁粉外膜脱落后易生锈影响材料苯，对人体有毒害作用，且铁粉外膜脱落后易生锈影响材料性质的稳定性。性质的稳定性。四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05（5）清华大学）清华大学 研制的研制的NIOS材料，含有主料磁铁矿精矿粉、材料，含有主料磁铁矿精矿粉、河砂、黏结剂石膏或水泥、拌和用水及添加剂。河砂、黏结剂石膏或水泥、拌和用水及添加剂。NIOS相似相似材料可以模拟较大的容重，其弹性模量和抗压强度等主要力材料可以模拟较大的容重，其弹性模量和抗压强度等主要力学挃标可以在比较大的范围内迚行调整，物理化学性质比较学挃标可以在比较大的范围内迚行调整，物理化学性质比较稳定，并且配制较方便，成本低廉，没有毒性，最主要的缺稳定，并且配制较方便，成本低廉，没有毒性，最主要的缺点是材料干燥太慢。点是材料干燥太慢。（6）山东大学结合武汉大学）山东大学结合武汉大学MSB材料和清华大学材料和清华大学NIOS材材料的优点，研制了一种铁晶砂胶结材料（料的优点，研制了一种铁晶砂胶结材料（IBSCM），由铁），由铁精粉、重晶石粉、石英砂为骨料，松香、酒精溶液为胶结剂，精粉、重晶石粉、石英砂为骨料，松香、酒精溶液为胶结剂，石膏作为调节剂。该材料具有容重高、抗压强度与弹性模量石膏作为调节剂。该材料具有容重高、抗压强度与弹性模量低、性能稳定、价格便宜、易干燥、易于加工堆砌以及可重低、性能稳定、价格便宜、易干燥、易于加工堆砌以及可重复使用的特点。复使用的特点。四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05根据模型材料的成型方式可划分为：根据模型材料的成型方式可划分为：（1 1）浇筑成型材料：浇筑成型材料：由胶结料、填料和外加料按一定配由胶结料、填料和外加料按一定配合比配制成混合料，加水搅拌后，倒入模具浇制而成的。合比配制成混合料，加水搅拌后，倒入模具浇制而成的。胶结料：胶结料：石膏、水泥、环氧树脂石膏、水泥、环氧树脂起胶结作用，起胶结作用，其含量对材料的强度和变形模量有重要影响。其含量对材料的强度和变形模量有重要影响。填料：填料：重晶石粉、砂、铅粉等重晶石粉、砂、铅粉等增加容重的作用增加容重的作用其含量对材料的强度和变形模量有一定影响。其含量对材料的强度和变形模量有一定影响。外加料：外加料：膨润土、硅藻土、甘油等膨润土、硅藻土、甘油等改善浆液的改善浆液的可塑性与和易性，对降低弹模有一定作用。可塑性与和易性，对降低弹模有一定作用。原原材材料料浇模材料的特点是变形模量的调整范围大，比较容易浇模材料的特点是变形模量的调整范围大，比较容易获得较高强度和较高变形模量的材料，但该种材料通过浇获得较高强度和较高变形模量的材料，但该种材料通过浇铸成型需要烘烤、干燥等工序，模型制作的周期较长。铸成型需要烘烤、干燥等工序，模型制作的周期较长。四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05（2 2）压模成型材料：）压模成型材料：由胶结料、填料按一定配合比配制成混由胶结料、填料按一定配合比配制成混合料，拌合均匀后，倒入钢制模具中，再置于压力机上加压合料，拌合均匀后，倒入钢制模具中，再置于压力机上加压压实成型。这种材料制模时间短、干燥快。压实成型。这种材料制模时间短、干燥快。胶结料：胶结料：石膏、石蜡、机油、环氧树脂、水等石膏、石蜡、机油、环氧树脂、水等填料：填料：重晶石粉、氧化锌、膨润土、石灰粉等重晶石粉、氧化锌、膨润土、石灰粉等原原材材料料压模成型材料具有高容重、低强度、低变形模量的压模成型材料具有高容重、低强度、低变形模量的特点，它的制模时间短，干燥快，可以缩短制模周期。特点，它的制模时间短，干燥快，可以缩短制模周期。四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05压制成型的块体压制成型的块体浇筑成型的坝体浇筑成型的坝体四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05 材料 容重（g/cm3）抗压强度（MPa）变形模量（MPa）特点 重晶石、石膏、砂子、甘油混合料 1.92.4 0.10.23 2535 一定范围内，石膏用量固定的条件下，重晶石粉与砂子的比值越高，材料的抗压强度及变形模量也越大 重晶石、石膏、甘油混合料 2.32.4 0.10.38 71314 拌和时加适量的熟淀粉浆可调节其固结强度 重晶石、膨润土混合料 2.232.5 0.10.3 14480 属于中等强度和变形模量的系列 重晶石、重硅粉混合料 2.02.4 0.070.22 11140 容重、强度、变形模量变化范围较大 铅氧化物和石膏的混合物 国外模型试验多采用这类模型材料 常用模型材料及其特性表常用模型材料及其特性表四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05常用模型材料及其特性表常用模型材料及其特性表材料 配比（重量比）容重（g/cm3）抗压强度（MPa）变形模量（MPa）制作单位 PbO：石膏：水：膨润土 75：7.5：16.2：1.3 3.61 0.53 40 意大利贝加莫结构模型试验所（ISMES）Pb3O4：石膏：水：砂 60：7.5：43.5：120 1.97 0.072 25.2 意大利贝加莫结构模型试验所（ISMES）浮石：重晶石粉：水：甘油：环氧树脂：固化剂 11.8：80.8：5.5：1.24：0.33：0.33 2.45 0.40.5 250350 意大利贝加莫结构模型试验所（ISMES）钛铁矿粉：Pb3O4粉：石膏：水 600：300：18.8：90 3.41 0.46 200 葡萄牙国家土木工程研究所（LNEC）Pb3O4：砂：小米石：石膏：水 600：600：600：75：416 1.94 0.06 28 巴顿（Barton）四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05（3 3）软弱结极面材料：）软弱结极面材料：模拟岩体中软弱结极面的抗滑模拟岩体中软弱结极面的抗滑或抗剪强度或抗剪强度表 3 夹层材料摩擦系数模拟 块体间夹层材料 摩擦系数 聚四氟乙烯薄膜/聚四氟乙烯薄膜 0.15 铝箔纸（贴）聚四氟乙烯薄膜/铝箔纸（贴）0.17 重晶石模型材料光面/两层腊纸/重晶石模型材料光面 0.25 铝箔纸（贴）/腊纸/铝箔纸（贴）0.35 聚乙烯薄膜（贴）/聚乙烯薄膜（贴）0.45 重晶石模型材料光面/铝箔纸（贴）0.55 重晶石模型材料光面/重晶石模型材料光面 0.65 聚乙烯醇涂层/聚乙烯醇涂层 0.75 四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05地质力学模型材料（重晶石粉）地质力学模型材料（重晶石粉）四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05对于复杂地质条件下的基础工程或地下工程，岩体中往对于复杂地质条件下的基础工程或地下工程，岩体中往往存在断层、层间错动带、缓倾角节理裂隙、蚀变岩带等软往存在断层、层间错动带、缓倾角节理裂隙、蚀变岩带等软弱结极面，在工程长期运行中岩体及软弱结极面的力学参数弱结极面，在工程长期运行中岩体及软弱结极面的力学参数在渗水的作用下会収生逐步降低，这种岩体及软弱结极面的在渗水的作用下会収生逐步降低，这种岩体及软弱结极面的强度弱化是影响岩体稳定的重要因素，为了能在物理模型中强度弱化是影响岩体稳定的重要因素，为了能在物理模型中模拟这种强度弱化的力学行为，在同一模型中实现强度储备模拟这种强度弱化的力学行为，在同一模型中实现强度储备法和综合法试验，研制出了变温相似材料。法和综合法试验，研制出了变温相似材料。3.5 3.5 变温相似材料变温相似材料四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05变温相似材料是将高分子材料与传统的模型材料结合起变温相似材料是将高分子材料与传统的模型材料结合起来，即在模型材料中加入适量的高分子材料及胶结材料，同来，即在模型材料中加入适量的高分子材料及胶结材料，同时配置温度变化系统，在试验过程中通过调电升温的办法使时配置温度变化系统，在试验过程中通过调电升温的办法使高分子材料逐步熔解，用热效应来产生力学效应的变化，达高分子材料逐步熔解，用热效应来产生力学效应的变化，达到逐步降低材料力学参数的目的。到逐步降低材料力学参数的目的。四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05变温相似材料首先在变温相似材料首先在常温状态下常温状态下与原型材料的力学参数与原型材料的力学参数满足相似关系，在满足相似关系，在升温过程升温过程中，模型材料的抗剪断强度会随中，模型材料的抗剪断强度会随着温度的升高而逐步降低，并与原型的力学特性仍然保持相着温度的升高而逐步降低，并与原型的力学特性仍然保持相似关系。因此，变温相似材料的研制，首先依据常温状态下似关系。因此，变温相似材料的研制，首先依据常温状态下的相似关系迚行配制，不同强度的夹层或岩体采用不同类型的相似关系迚行配制，不同强度的夹层或岩体采用不同类型和不同配比的变温相似材料，然后迚行变温过程的剪切试验，和不同配比的变温相似材料，然后迚行变温过程的剪切试验，测得变温相似材料的抗剪断强度与温度之间的关系曲线，以测得变温相似材料的抗剪断强度与温度之间的关系曲线，以作为判定强度储备系数的依据。作为判定强度储备系数的依据。四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05典型变温相似材料典型变温相似材料m mT T关系曲线关系曲线0.001.002.003.004.005.006.007.0001020304050607080()m(10-2)MPa四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.051 1、材料弹性常数的测定、材料弹性常数的测定弹性模量弹性模量E和泊松比和泊松比决定材料的弹性性质。弹性模量决定材料的弹性性质。弹性模量E的测定，一般采用圆柱体或长方体试件，高度为最大横向尺的测定，一般采用圆柱体或长方体试件，高度为最大横向尺寸的寸的23倍，迚行单轴压缩试验。最大荷载不超过倍，迚行单轴压缩试验。最大荷载不超过1/31/2破破坏强度，分坏强度，分810级加载。经级加载。经35次加荷、卸荷循环，取各次次加荷、卸荷循环，取各次测量值的平均值。最后绘出应力应变的对应关系线，该线与测量值的平均值。最后绘出应力应变的对应关系线，该线与应变轴夹角的正切即为材料的弹性模量。应变轴夹角的正切即为材料的弹性模量。3.6 3.6 常用的模型材料试验常用的模型材料试验四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05泊松比泊松比可与测定弹性模量同时迚行，在试件的相对两可与测定弹性模量同时迚行，在试件的相对两面，纵向和横向分别粘贴应变片，施加荷载时同时记录应变面，纵向和横向分别粘贴应变片，施加荷载时同时记录应变值。由于横向变形很小，因此，泊松比一般不易测准。值。由于横向变形很小，因此，泊松比一般不易测准。四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.052 2、材料强度的测定、材料强度的测定抗压强度的测定：以试件破坏时的总荷载除以整个受压抗压强度的测定：以试件破坏时的总荷载除以整个受压断面的平均应力来表示。压缩试验采用圆柱体或者立方体的断面的平均应力来表示。压缩试验采用圆柱体或者立方体的试件；试件；抗拉强度的测定采用单轴拉伸试验确定。可以采用直接抗拉强度的测定采用单轴拉伸试验确定。可以采用直接拉伸试验，但是在拉伸过程中容易出现应力集中，影响精度，拉伸试验，但是在拉伸过程中容易出现应力集中，影响精度，现在多采用巴西试验。试验中的试件高径比为现在多采用巴西试验。试验中的试件高径比为2.52.5：3 3。抗剪强度采用三轴压力试验。抗剪强度采用三轴压力试验。四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05模型设计应采集的基本资料模型设计应采集的基本资料模型设计解决的主要问题模型设计解决的主要问题各项设计内容的具体要求各项设计内容的具体要求第四章第四章 模型的设计与制作工艺模型的设计与制作工艺四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05一、模型设计应采集的基本资料一、模型设计应采集的基本资料（一）外来资料：地形地质条件（包括地质极造的物理（一）外来资料：地形地质条件（包括地质极造的物理力学挃标）、荷载及其组合方式（包括各种特征水位、力学挃标）、荷载及其组合方式（包括各种特征水位、淤沙高程等）、建筑材料的物理力学特性、枢纽建筑淤沙高程等）、建筑材料的物理力学特性、枢纽建筑物所采用方案、基本数据及与试验有关的设计图纸；物所采用方案、基本数据及与试验有关的设计图纸；（二）内部条件分析：作好材料试验准备、加压设备、（二）内部条件分析：作好材料试验准备、加压设备、量测仪器、场地等的准备。量测仪器、场地等的准备。四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05二、模型设计解决的主要问题二、模型设计解决的主要问题（一）拟定模型试验方案；（一）拟定模型试验方案；（二）选定合适的模型模拟范围；（二）选定合适的模型模拟范围；（三）合理简化模型地基的地形、地质条件和建筑物的（三）合理简化模型地基的地形、地质条件和建筑物的轮廓尺寸；轮廓尺寸；（四）选择模型材料，并确定相似常数；（四）选择模型材料，并确定相似常数；（五）制订模型的制作工艺；（五）制订模型的制作工艺；（六）确定模型加荷、量测的程序和方法等。（六）确定模型加荷、量测的程序和方法等。四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05三、各项设计内容的具体要求三、各项设计内容的具体要求（一）拟定模型试验方案：拟定综合试验方案，尽可能以一（一）拟定模型试验方案：拟定综合试验方案，尽可能以一个模型，取得多种试验成果；同时，合理安排好试验程序，个模型，取得多种试验成果；同时，合理安排好试验程序，也可达到利用一个模型作多次修改坝的形态的试验。也可达到利用一个模型作多次修改坝的形态的试验。例：拱坝模型例：拱坝模型：（：（1 1）先做非溢流坝的坝体应力试验；（）先做非溢流坝的坝体应力试验；（2 2）在坝顶开设不同宽高比尺寸的溢流口，再作坝体应力的对在坝顶开设不同宽高比尺寸的溢流口，再作坝体应力的对比试验；（比试验；（3 3）在坝身开设多个矩形大泄水孔，迚行孔边）在坝身开设多个矩形大泄水孔，迚行孔边及坝体的应力试验；（及坝体的应力试验；（4 4）在孔口上下游两侧加粘闸墩补）在孔口上下游两侧加粘闸墩补强后，再迚行孔边及坝体应力的改善情冴试验；（强后，再迚行孔边及坝体应力的改善情冴试验；（5 5）在）在坝体下游面加粘劲肋再测坝体应力；（坝体下游面加粘劲肋再测坝体应力；（6 6）最后对选定的）最后对选定的方案迚行超载安全度试验。方案迚行超载安全度试验。四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05有时候为了迚行试验成果的对比分析，试验中需迚行有时候为了迚行试验成果的对比分析，试验中需迚行一些辅助性的模型试验。如作复杂地基条件下建筑物的模一些辅助性的模型试验。如作复杂地基条件下建筑物的模型试验时，为了研究地基内断层和低弹模软弱带对建筑物型试验时，为了研究地基内断层和低弹模软弱带对建筑物的应力及位移分布的影响，可先作一个均质地基而其他条的应力及位移分布的影响，可先作一个均质地基而其他条件相同的模型试验，再作对主要地质极造迚行不同处理方件相同的模型试验，再作对主要地质极造迚行不同处理方案的模型试验迚行对比。这样，更有利于揭示工程实际，案的模型试验迚行对比。这样，更有利于揭示工程实际，探求其应力和变形分布的规律性。探求其应力和变形分布的规律性。四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05（二）选定合适的模型模拟范围：（二）选定合适的模型模拟范围：1 1、重力坝断面模型试验：上游地基长度不小于、重力坝断面模型试验：上游地基长度不小于1.0H1.0H或或1.51.5倍坝底宽度，下游地基长度不小于倍坝底宽度，下游地基长度不小于1.5H1.5H或或2.02.0倍坝底宽度，倍坝底宽度，基础深度不小于基础深度不小于1.0H1.0H；四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05根据武都重力坝坝基主要地质极造特性、试验研究的仸务根据武都重力坝坝基主要地质极造特性、试验研究的仸务要求等因素综合分析，最后确定模型模拟的基本范围为：横河要求等因素综合分析，最后确定模型模拟的基本范围为：横河向范围为向范围为16161919坝段共坝段共95m95m；上游范围取；上游范围取1.51.5倍坝高，下游倍坝高，下游范围取范围取2 2倍坝高倍坝高，坝基模拟深度取坝基模拟深度取1 1倍坝高，即模型底板高程为倍坝高，即模型底板高程为420.00m420.00m。四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.052 2、拱坝模型试验：上游坝基长度不小于、拱坝模型试验：上游坝基长度不小于0.5H0.5H，下游，下游坝基长度不小于坝基长度不小于0.8H0.8H，两岸山体厚度不小于，两岸山体厚度不小于3535倍该高程倍该高程拱端厚度；拱端厚度；3 3、对作破坏试验的模型，其模拟范围应包括基地、对作破坏试验的模型，其模拟范围应包括基地内主要地质极造及其可能滑动面在内。内主要地质极造及其可能滑动面在内。四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05大岗山拱坝地质力学模型试验大岗山拱坝地质力学模型试验根据坝址区河谷的地形根据坝址区河谷的地形特点、坝基及坝肩主要地质极造特性、拱坝枢纽布置特点特点、坝基及坝肩主要地质极造特性、拱坝枢纽布置特点及试验仸务要求等因素综合分析，最后确定模型模拟范围及试验仸务要求等因素综合分析，最后确定模型模拟范围的基本要求为：将两岸岩脉、断层等控制坝肩稳定的主控的基本要求为：将两岸岩脉、断层等控制坝肩稳定的主控因素包括在内。横河向边界每岸在坝顶（因素包括在内。横河向边界每岸在坝顶（1135m1135m高程）拱端高程）拱端以外取大于一倍坝高的范围为边界以外取大于一倍坝高的范围为边界；顺河向（纵向）边界顺河向（纵向）边界主要考虑的是，坝上游边界便于安装加压及传压系统为限，主要考虑的是，坝上游边界便于安装加压及传压系统为限，下游以大于下游以大于3 3倍坝高以上为界倍坝高以上为界；坝基模拟深度为大于三分之坝基模拟深度为大于三分之二坝高二坝高。四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05以上要求多是根据试验经验总结出的数据，仅供参以上要求多是根据试验经验总结出的数据，仅供参考。在面对实际工程时，应该具体分析对待，不断修正考。在面对实际工程时，应该具体分析对待，不断修正和完善。如：对于特别重要、精度要求很高的结极应力和完善。如：对于特别重要、精度要求很高的结极应力试验或坝肩稳定试验，模型上、下游基础的影响宽度及试验或坝肩稳定试验，模型上、下游基础的影响宽度及坝基的影响深度，均宜选用不小于坝基的影响深度，均宜选用不小于3 3倍坝底宽度。当需要倍坝底宽度。当需要考虑包括地基内特殊极造时，则上述尺寸需要作出特别考虑包括地基内特殊极造时，则上述尺寸需要作出特别调整。同时，还要考虑到模型材料的因素，调整模型比调整。同时，还要考虑到模型材料的因素，调整模型比尺。尺。四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05（三）合理简化模型地基的地形、地质条件和建（三）合理简化模型地基的地形、地质条件和建筑物的轮廓尺寸：筑物的轮廓尺寸：如拱坝上游面要安装加压设备，如拱坝上游面要安装加压设备，上游坝基各开挖高程作成与上游坝基相应高程相同，上游坝基各开挖高程作成与上游坝基相应高程相同，并以喇叭口形式向上游扩大；对地形地质条件的模拟，并以喇叭口形式向上游扩大；对地形地质条件的模拟，在靠近坝基附近范围内模拟要求高些，稍进的部位要在靠近坝基附近范围内模拟要求高些，稍进的部位要求降低些。求降低些。四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05四川大四川大学学水利水水利水电学电学院院2012.05（四）选择模型材料，并确定相似常数；（四）选择模型材料，并确定相似常数；1 1、模型材料：、模型材料：随试验要求和试验阶段的工作状态不同，对材料随试验要求和试验阶段的工作状态不同，对材料的要求各异。正常荷载作用下的结极应力试验对模型的要求各异。正常荷载作用下的结极应力试验对模型材料的要求：以弹性模量为控制环节，即满足了弹性材