地下工程模型試驗新方法、新技術(shù)及工程應(yīng)用

內(nèi)容概要

地下工程模型試驗新方法、新技術(shù)及工程應(yīng)用系統(tǒng)介紹了作者近些年在地下工程地質(zhì)力學(xué)模型試驗相似材料、試驗裝置、加載系統(tǒng)、測試系統(tǒng)研制等方面提出的新方法、新技術(shù)以及這些新方法和新技術(shù)在大型地下工程模型試驗中的應(yīng)用。內(nèi)容主要包括新型鐵晶砂膠結(jié)巖土相似材料以及鹽巖地下儲氣庫介質(zhì)流變相似材料的研制方法；尺寸可調(diào)、組裝靈活方便的組合式地質(zhì)力學(xué)模型試驗臺架裝置以及可實施三維梯度非均勻加載的結(jié)構(gòu)模型試驗裝置的研制技術(shù)；具有數(shù)字化、可視化和智能化功能的高地應(yīng)力真三維加載地質(zhì)力學(xué)模型試驗系統(tǒng)的研制技術(shù)；能自動采集模型內(nèi)部任意部位位移且具有高精度的模型位移數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的研制技術(shù)；模型內(nèi)埋洞室的成腔裝置與成腔方法；高效快捷的模型分層壓實風(fēng)干制作與切槽埋設(shè)測試傳感器方法。地下工程模型試驗新方法、新技術(shù)及工程應(yīng)用還包括模型試驗的新方法和新技術(shù)在大型交通、水電、采礦和能源地下工程地質(zhì)力學(xué)試驗中的具體應(yīng)用以及相應(yīng)計算與理論分析研究成果。
地下工程模型試驗新方法、新技術(shù)及工程應(yīng)用注重方法、技術(shù)與工程實踐的緊密結(jié)合，提出的模型試驗新方法和新技術(shù)皆得以工程應(yīng)用并有效指導(dǎo)工程實踐。
地下工程模型試驗新方法、新技術(shù)及工程應(yīng)用可供從事土木、水電、交通、能源、采礦及國防等工程領(lǐng)域的科研和工程技術(shù)人員使用，也可作為高等院校相關(guān)專業(yè)研究生和本科生的教學(xué)參考書。

書籍目錄

《巖石力學(xué)與工程研究著作叢書》序《巖石力學(xué)與工程研究著作叢書》編者的話前言第1章 緒論1.1 引言1.2 地質(zhì)力學(xué)模型試驗的研究現(xiàn)狀1.3 本書主要研究內(nèi)容第2章 地質(zhì)力學(xué)模型試驗的相似條件2.1 基本概念2.2 模型試驗相似三定理2.3 地質(zhì)力學(xué)模型試驗的相似條件2.3.1 相似模型的定義2.3.2 地質(zhì)力學(xué)模型的特點2.3.3 模型試驗相似條件第3章 模型試驗新型相似材料的研制方法3.1 引言3.2 模型材料研制的基本原則3.3 鐵晶砂膠結(jié)新型巖土相似材料的研制方法3.3.1 材料選擇3.3.2 材料試件的制作方法3.3.3 材料物理力學(xué)參數(shù)試驗3.3.4 材料力學(xué)特性分析3.3.5 材料的技術(shù)特性3.4 儲氣庫介質(zhì)流變相似材料的研制方法3.4.1 工程背景3.4.2 材料力學(xué)參數(shù)試驗3.4.3 材料力學(xué)變形特征3.4.4 材料蠕變試驗及測試結(jié)果分析3.4.5 材料技術(shù)特性第4章 新型地質(zhì)力學(xué)模型試驗裝置與加載和穩(wěn)壓控制系統(tǒng)的研制技術(shù)4.1 引言4.2 組合式地質(zhì)力學(xué)模型試驗臺架裝置的研制技術(shù)4.2.1 裝置設(shè)計與構(gòu)造4.2.2 裝置技術(shù)特性4.3 三維梯度非均勻加載結(jié)構(gòu)模型試驗裝置的研制技術(shù)4.3.1 裝置設(shè)計與構(gòu)造4.3.2 裝置工作原理4.3.3 裝置技術(shù)特性4.4 高地應(yīng)力真三維加載模型試驗系統(tǒng)的研制技術(shù)4.4.1 系統(tǒng)構(gòu)造4.4.2 系統(tǒng)技術(shù)特性4.5 模型數(shù)控液壓加載與穩(wěn)壓控制系統(tǒng)的研制技術(shù)4.5.1 系統(tǒng)構(gòu)造4.5.2 系統(tǒng)控制流程4.5.3 系統(tǒng)工作原理4.5.4 系統(tǒng)技術(shù)特性4.6 模型數(shù)控氣壓加載與穩(wěn)壓控制系統(tǒng)的研制技術(shù)4.6.1 系統(tǒng)構(gòu)造4.6.2 系統(tǒng)工作原理4.6.3 系統(tǒng)技術(shù)特性第5章 大體積地質(zhì)模型制作新方法與模型位移測試新技術(shù)5.1 引言5.2 地質(zhì)模型分層壓實風(fēng)干制作與切槽埋設(shè)測試傳感器方法5.2.1 材料分層壓實試驗裝置的研制5.2.2 模型制作方法5.2.3 模型制作方法的技術(shù)特點5.3 模型內(nèi)埋洞室的成型方法5.3.1 內(nèi)埋洞室的成腔裝置5.3.2 內(nèi)埋洞室的成腔方法5.4 模型位移數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的研制技術(shù)5.4.1 系統(tǒng)工作原理5.4.2 系統(tǒng)各部分功能5.4.3 系統(tǒng)技術(shù)特性第6章 分岔隧洞圍巖穩(wěn)定與支護三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗與分析研究6.1 引言6.2 工程概況6.3 模擬范圍與相似比尺的選取6.4 模型相似材料和試驗錨桿的模擬6.4.1 相似材料配比6.4.2 模型錨桿的模擬6.5 分岔隧洞模型的制作6.5.1 模型制作工藝流程6.5.2 測試傳感器的埋設(shè)6.5.3 模型錨桿的施作6.5.4 制作完成的分岔隧洞三維試驗?zāi)Ｐ?.6 分岔隧洞模型開挖與測試6.6.1 模型加載6.6.2 模型開挖6.6.3 模型測試6.7 模型試驗結(jié)果分析6.7.1 模型Ⅰ試驗結(jié)果分析6.7.2 模型Ⅱ試驗結(jié)果分析6.7.3 分岔隧洞承載安全度的數(shù)值計算6.7.4 光纖光柵應(yīng)變傳感器測試結(jié)果分析6.7.5 洞周錨桿受力分析6.8 模型試驗與數(shù)值模擬的對比分析研究6.8.1 計算條件6.8.2 連拱段至大拱段數(shù)值計算結(jié)果分析6.8.3 小間距段至連拱段數(shù)值計算結(jié)果分析6.8.4 模型試驗、數(shù)值計算與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的相互對比6.9 研究結(jié)論第7章 深部巷道圍巖分區(qū)破裂與錨固三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗與分析研究7.1 引言7.2 預(yù)留洞室軸向壓縮破壞模型試驗研究7.2.1 模型制作7.2.2 模型加載7.2.3 試驗結(jié)果分析7.3 深部巷道圍巖分區(qū)破裂三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗研究7.3.1 分區(qū)破裂現(xiàn)象的現(xiàn)場觀測7.3.2 模型相似材料7.3.3 高壓加載結(jié)構(gòu)模型試驗系統(tǒng)7.3.4 模型加工制作7.3.5 模型開挖與測試7.3.6 模型試驗結(jié)果分析7.3.7 分區(qū)破裂地質(zhì)力學(xué)模型試驗結(jié)論7.4 分區(qū)破裂機理的理論分析研究7.4.1 圍巖應(yīng)力場分析7.4.2 圍巖應(yīng)變場分析7.4.3 分區(qū)破裂過程的能量分析7.4.4 模型分區(qū)破裂現(xiàn)象的理論解釋7.5 分區(qū)破裂巖錨支護三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗研究7.5.1 引言7.5.2 分區(qū)破裂巖錨支護地質(zhì)力學(xué)模型試驗7.5.3 錨桿對分區(qū)破裂加固作用的理論分析7.6 研究結(jié)論第8章 地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定與支護三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗與分析研究8.1 模型試驗的工程背景8.1.1 工程概況8.1.2 廠區(qū)地應(yīng)力測試結(jié)果8.1.3 廠區(qū)圍巖分類和地下洞群設(shè)計方案8.2 廠區(qū)初始地應(yīng)力場的反演8.3 帶滑動墻的自平衡式三維加載模型試驗臺架裝置的研制8.4 模型相似材料8.4.1 模型相似材料的配比8.4.2 模型錨桿和錨索的模擬8.5 模型加載、制作與開挖測試技術(shù)8.5.1 模型加載方案8.5.2 試驗?zāi)Ｐ偷闹谱?.5.3 模型量測技術(shù)8.5.4 模型超載與開挖支護8.6 模型試驗結(jié)果及與數(shù)值計算的對比分析8.6.1 數(shù)值計算模型與計算結(jié)果8.6.2 模型試驗與數(shù)值計算的對比第9章 深部層狀鹽巖地下儲氣庫運營穩(wěn)定三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗研究9.1 引言9.2 模型試驗概況9.3 鹽巖儲氣庫介質(zhì)模型相似材料9.4 儲氣庫三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗系統(tǒng)9.5 儲氣庫三維試驗?zāi)Ｐ偷闹谱鞴に嚭头椒?.6 儲氣庫三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗測試結(jié)果分析9.6.1 儲氣庫單洞模型試驗結(jié)果分析9.6.2 儲氣庫群模型試驗結(jié)果分析9.7 模型試驗研究結(jié)論參考文獻

章節(jié)摘錄

第1章 緒論 1.1 引言 19世紀是橋的世紀，20世紀是高層建筑的世紀，21世紀是人類開發(fā)利用地下空間的世紀，隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，許多在建和即將新建的大型地下工程不斷走向深部。無論是礦產(chǎn)開采的地下巷道、還是水電開發(fā)的地下洞室以及交通建設(shè)的地下隧道等都逐漸向逾千米或數(shù)千米的深部方向發(fā)展。 在深部資源開采方面，近年來，隨著國家對資源需求的日益增加，資源開采強度不斷加大，淺部資源逐漸減少，礦山開采不斷向深部發(fā)展。根據(jù)目前資源開采狀況，我國煤礦開采深度以每年8～12m的速度增加，近年，已有一批煤礦進入深部開采，如淮南丁集煤礦、新汶孫村礦、沈陽采屯礦、開灤趙各莊礦、徐州張小樓礦、北票冠山礦、北京門頭溝礦等皆已開采延伸到了地下近1000m的深度。據(jù)不完全統(tǒng)計，國外開采超千米深的金屬礦山有80余座，其中最多為南非，南非絕大多數(shù)金礦的開采深度在1000m以下。另外，俄羅斯、加拿大、美國、澳大利亞的一些有色金屬礦山采深亦超過1000m。 在交通建設(shè)方面，目前世界上埋深最深的隧道是連接法、意的勃朗峰公路隧道，全長11.6km，最大埋深2480m；目前已建成的西康鐵路秦嶺隧道全長18.46km，最大埋深1600m；秦嶺終南山特長公路隧道穿越秦嶺山脈的終南山，隧道全長18.004km，最大埋深為1640m。 在水電資源開發(fā)方面，埋深最大的法國謝拉水電站引水隧洞最大埋深2619m；我國在建中的雅礱江錦屏二級水電站四條深埋引水隧洞平均長度16.67km，最大埋深達到了2525m；規(guī)劃中的南水北調(diào)西線工程有多條長50～130km的深部引水隧洞，最大埋深達1100m。 此外，核廢料的深層地質(zhì)處理深度已達數(shù)百米乃至上千米；油氣能源儲存工程已深達一千多米；核心防護工程如北美防空司令部深達700m等。 隨著地下工程開挖深度的不斷增加，深部地下洞室圍巖的地質(zhì)賦存環(huán)境將變得越來越復(fù)雜，在高地應(yīng)力、高滲透壓、高地溫及開挖擾動條件下（簡稱“三高一擾動”），洞室圍巖將出現(xiàn)顯著的非線性變形破壞。如分區(qū)破裂現(xiàn)象就是深部巖體工程開挖時所發(fā)生的特有的破壞現(xiàn)象之一，該現(xiàn)象的表現(xiàn)特征就是在深部巖體中開挖洞室或者巷道時，在其兩側(cè)和工作面前的圍巖中會產(chǎn)生破裂區(qū)和未破裂區(qū)逐次交替的分區(qū)破裂現(xiàn)象，其中破裂區(qū)是裂縫相對密集的區(qū)域，非破裂區(qū)是裂縫相對稀疏的區(qū)域，破裂區(qū)形狀大致和巷道輪廓相似。 為保障深部地下工程的施工開挖與運營安全，亟須對深部地下洞室圍巖穩(wěn)定與支護控制進行深入研究。由于地下工程自身巖體結(jié)構(gòu)和地質(zhì)賦存環(huán)境的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的理論解析方法難以處理地下洞室這些復(fù)雜的非線性變形破壞問題。同時，鑒于數(shù)值分析方法在處理巖體破壞問題時自身具有的局限性，迄今為止，數(shù)值方法在模擬地下工程的強度破壞方面仍難以取得突破性的進展。反觀地質(zhì)力學(xué)模型試驗，以其形象、直觀、真實的特性成為研究地下工程非線性變形與強度破壞的重要手段。因此，近幾十年來，地質(zhì)力學(xué)模型試驗在水電、交通、能源和礦山工程等領(lǐng)域的地下工程中發(fā)揮了越來越重要的作用。地質(zhì)力學(xué)模型試驗是根據(jù)一定的相似原理對特定工程地質(zhì)問題進行縮尺研究的一種物理模擬方法。地質(zhì)力學(xué)模型是真實物理實體的再現(xiàn)，在基本滿足相似原理的條件下，能夠比較真實地反映地質(zhì)構(gòu)造和工程結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系，能夠比較準確地模擬巖土施工過程和把握巖土介質(zhì)的力學(xué)變形特性。地質(zhì)力學(xué)模型試驗?zāi)茌^好地模擬復(fù)雜工程的施工過程以及荷載的作用方式及時間效應(yīng)等，能夠比較真實地反映工程的受力全過程，從彈性到塑性，一直到破壞。尤其重要的是它可以比較全面真實地模擬復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，發(fā)現(xiàn)一些新的力學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律，為建立新的理論和數(shù)學(xué)模型提供依據(jù)。因此，地質(zhì)力學(xué)模型試驗不僅可以研究工程的正常受力狀態(tài)，還可以研究工程的極限荷載及破壞形態(tài)，并能對數(shù)值計算結(jié)果進行驗證和補充。正是由于地質(zhì)力學(xué)模型試驗技術(shù)具有上述獨特的優(yōu)越性，因此被國內(nèi)外巖土工程界廣泛重視和應(yīng)用。 1.2 地質(zhì)力學(xué)模型試驗的研究現(xiàn)狀 早在1936年，格恩庫茲涅佐夫就提出了相似模擬方法。從20世紀初，西歐一些國家就開始進行結(jié)構(gòu)模型試驗，并逐漸建立了相似理論，以Fumagalli為首的專家在意大利結(jié)構(gòu)模型試驗所開創(chuàng)了工程地質(zhì)力學(xué)模型試驗技術(shù)，試驗研究范圍從彈性到塑性直至最終破壞階段。隨后，葡萄牙、前蘇聯(lián)、法國、德國、英國和日本等國也開展了這方面的研究。1979年，在意大利Bergamo舉行的國際巖石力學(xué)大會上，Müller、Fumagalli和Barton等國際知名學(xué)者發(fā)表了各自在巖石物理模擬試驗方面的成果；Kulatilake等開展了節(jié)理巖體在單軸壓縮下的物理模型試驗研究；Khosrow開展了在爆破荷載作用下的節(jié)理巖體的物理模型試驗研究；Liu和Feng通過物理模型試驗對三峽大壩壩基的穩(wěn)定性進行了評估；Li等對四川金沙江流域溪洛渡水電站地下洞室群進行了高仿真的三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗研究；Castro等對礦井的分塊崩塌開采進行了大型三維物理模型試驗研究；Jong和Meguid分別對復(fù)雜條件下的隧道開挖進行了物理模型試驗研究。 在國內(nèi)，清華大學(xué)、武漢大學(xué)、四川大學(xué)、山東大學(xué)、河海大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)、西南交通大學(xué)、長江科學(xué)院、總參工程兵科研三所等單位，先后對國內(nèi)許多大型水電、交通、能源和采礦地下工程進行了地質(zhì)力學(xué)模型試驗，并取得了大量研究成果。 在模型相似材料的研究方面，韓伯鯉等以鐵粉、重晶石粉、紅丹粉為骨料，以松香酒精溶液為膠結(jié)劑，氯丁膠為附加劑，研制出MIB和MSB地質(zhì)力學(xué)模型相似材料；馬芳平等以磁鐵礦精礦粉、河砂、石膏或水泥、拌和用水及添加劑為原料，研制出NIOS地質(zhì)力學(xué)模型材料，并成功應(yīng)用于溪洛渡水電站地下洞群三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗中；張杰等采用低熔點固體石蠟作為膠結(jié)劑，研制了非親水性的固?液耦合相似材料；李樹忱等用砂和滑石粉作為骨料，石蠟作為膠結(jié)劑，研制了PSTO固流耦合相似材料；徐文勝等采用標準砂、水泥、石膏、減水劑和緩凝劑為原料，研制了巖爆相似材料；何顯松等采用重晶石粉、機油和可熔性高分子材料及多種添加劑，并配合溫控系統(tǒng)研制出了變溫相似材料；張強勇等通過大量材料配比和力學(xué)參數(shù)試驗研制出具有力學(xué)參數(shù)變化范圍廣、性能穩(wěn)定、價格低廉且無毒無害的鐵晶砂膠結(jié)巖土相似材料以及鹽巖地下儲氣庫介質(zhì)的流變相似材料。 在模型試驗系統(tǒng)的開發(fā)研究方面，李仲奎等研制了離散化多主應(yīng)力面加載及監(jiān)控系統(tǒng)，試驗系統(tǒng)由高壓氣囊、反推力板、限位千斤頂、垂直立柱、封閉式鋼結(jié)構(gòu)環(huán)梁、支撐鋼架和空氣壓縮機組成，試驗架尺寸較大，實現(xiàn)了按主應(yīng)力方向進行加載；陳霞齡等研制了平面應(yīng)變模型試驗裝置，裝置由中部固定框架和前后兩個井格式約束鋼架組成，約束鋼架可以沿縱向平移，并能繞其水平中軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)模型在處于水平位置的約束架上拼裝好之后，把約束架轉(zhuǎn)動豎立起來自動形成自重應(yīng)力場；陳安敏等［43，44］研制了巖土工程多功能模擬試驗裝置，裝置由承載框架、加載單元、縱控梁、豎向支撐、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、斜拉桿、減摩板等部分組成，可以進行平面地質(zhì)力學(xué)模型試驗、抗剪強度試驗、抗彎強度試驗，通用性較強；朱維申等研制了帶滑動墻的自平衡三維加載模型試驗裝置，裝置主要由三維鋼結(jié)構(gòu)臺架裝置和液壓加載控制系統(tǒng)組成，實現(xiàn)了模型的側(cè)向梯級非均勻加載；孫曉明等研制了真三軸軟巖非線性力學(xué)試驗系統(tǒng)，試驗系統(tǒng)由主機、液壓控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三大部分組成，能進行三軸拉壓、拉剪等多種組合試驗和不同加卸荷過程的模擬，系統(tǒng)最大壓力為450kN，最大拉力為75kN，試件最大尺寸為150mm×150mm×150mm；姜耀東等研制新型真三軸巷道模型試驗臺，試驗臺采用6個液壓枕進行加載，能夠較好地實現(xiàn)真三軸巷道模型試驗，并且具有整體剛度好、柔性加載、受載均勻、伺服穩(wěn)定的特點；蔣樹屏等研制了公路隧道結(jié)構(gòu)與圍巖綜合試驗系統(tǒng)，系統(tǒng)基于“先加載、后挖洞”的原理，采用液壓千斤頂在模型試件外部加載以模擬上覆巖土層自重應(yīng)力，用內(nèi)置千斤頂模擬開挖體應(yīng)力響應(yīng)變化；張強勇等研制了尺寸可調(diào)、組裝靈活方便的組合式地質(zhì)力學(xué)模型試驗臺架裝置以及可實施三維梯度非均勻加載的結(jié)構(gòu)模型試驗裝置；采用數(shù)控技術(shù)研制了具有數(shù)字化、可視化和智能化的高地應(yīng)力真三維加載地質(zhì)力學(xué)模型試驗系統(tǒng)（包括數(shù)控液壓加載與穩(wěn)壓控制系統(tǒng)、數(shù)控氣壓加載與穩(wěn)壓控制系統(tǒng)）以及能自動采集模型內(nèi)部任意部位位移且具有高精度的模型位移數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)。 1.3 本書主要研究內(nèi)容 本書主要是作者主持承擔(dān)完成的國家973課題（2009CB724607）、國家自然科學(xué)基金面上項目（40772173、41172268）、山東省自然科學(xué)基金項目（Y2007F52）、交通部西部交通建設(shè)科技項目的主要研究成果的體現(xiàn)。內(nèi)容包括近些年在地下工程地質(zhì)力學(xué)模型試驗研究領(lǐng)域取得的新方法、新技術(shù)以及這些新方法和新技術(shù)在實際地下工程模型試驗中的應(yīng)用。在模型試驗材料開發(fā)方面，研制了力學(xué)參數(shù)變化范圍廣、性能穩(wěn)定、價格低廉且無毒無害的鐵晶砂膠結(jié)新型巖土相似材料以及具有顯著流變特性的鹽巖地下儲氣庫介質(zhì)流變相似材料；在模型試驗裝置開發(fā)方面，研制了尺寸可調(diào)、組裝靈活方便的組合式地質(zhì)力學(xué)模型試驗臺架裝置以及可實施非均勻加載的三維梯度非均勻加載結(jié)構(gòu)模型試驗裝置；在模型試驗加載系統(tǒng)開發(fā)方面，采用數(shù)控技術(shù)研制了具有數(shù)字化、可視化和智能化的高地應(yīng)力真三維加載地質(zhì)力學(xué)模型試驗系統(tǒng)（包括數(shù)控液壓加載與穩(wěn)壓控制系統(tǒng)、數(shù)控氣壓加載與穩(wěn)壓控制系統(tǒng)）；在模型試驗測試系統(tǒng)方面，研制了能自動采集模型內(nèi)部任意部位位移且具有高精度的模型位移數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)；在大體積地質(zhì)模型的制作方面，研制了模型內(nèi)埋洞室的成腔裝置，提出了高效快捷的模型分層壓實風(fēng)干制作與切槽埋設(shè)測試傳感器的方法。上述地質(zhì)力學(xué)模型試驗的新方法和新技術(shù)已獲得10余項國家發(fā)明專利，并在國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊上公開發(fā)表。同時這些新方法和新技術(shù)也在國家大型水電、交通、采礦和能源地下工程的地質(zhì)力學(xué)試驗中得到成功應(yīng)用，模型試驗研究成果解決了工程設(shè)計和施工中的許多關(guān)鍵性技術(shù)問題，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益與社會效益。 第2章 地質(zhì)力學(xué)模型試驗的相似條件 2.1 基本概念 1.相似現(xiàn)象 在幾何相似系統(tǒng)中，進行同一性質(zhì)的物理過程，如果所有有關(guān)的物理量在其幾何對應(yīng)點及相對應(yīng)的瞬時都各自保持一定的比例關(guān)系，則將這樣的物理過程叫做相似現(xiàn)象。 相似現(xiàn)象遵循相同的物理定律，相互相似的現(xiàn)象用文字表示的物理方程式是相同的。 2.相似常數(shù) 相似常數(shù)也稱相似比尺、相似系數(shù)。在相似現(xiàn)象中，各對應(yīng)點上同種物理量的比值叫做該物理量的相似常數(shù)。通常用帶下標的C表示，例如幾何長度相似常數(shù)記作CL，時間相似常數(shù)記作Ct。 在相似現(xiàn)象中，各相似常數(shù)之間受物理定律的約束，因此這些常數(shù)往往不能任意選取。 3.相似指標 由于相似現(xiàn)象是性質(zhì)相同的物理過程，與現(xiàn)象有關(guān)的各物理量都遵循相同的物理定律，從它們共同遵循的物理方程式中得到相似常數(shù)的組合，這些組合的數(shù)值受到了物理定律的約束，這就限制了各個物理量相似常數(shù)的自由選取，這種相似常數(shù)的組合就叫做相似指標。由此可見，相似現(xiàn)象的各個相似常數(shù)之間存在著一定的關(guān)系。 4.相似模數(shù) 將相似指標中的同種物理量之比代入，便得同一體系中各物理量的無量綱組合，這種物理量的無量綱組合稱為相似模數(shù)，有時也稱為相似準則、相似判據(jù)、相似不變量。在具體問題中，各個相似模數(shù)均有它自己的物理意義。 2.2 模型試驗相似三定理 自然界中存在著許許多多的相似現(xiàn)象，稱為相似現(xiàn)象群，對相似現(xiàn)象所遵循的物理方程進行分析研究，得出了關(guān)于相似現(xiàn)象的三條普遍性結(jié)論，被稱為相似三定理。 1.相似第一定理 如果兩個現(xiàn)象相似，則它們的相似指標等于1，對應(yīng)點上相似模數(shù)（相似判據(jù)、相似準則、相似不變量）數(shù)值相等。相似第一定理表明，彼此相似的現(xiàn)象其相似常數(shù)的組合，即相似指標的數(shù)值必須等于1。 當(dāng)已知描述現(xiàn)象的物理方程時，一般可以通過將相似常數(shù)代入方程式的辦法求得相似指標。 2.相似第二定理 相似第二定理也稱作π定理，它的含義為：若物理系統(tǒng)的現(xiàn)象相似，則其相似模數(shù)方程（相似判據(jù)方程）就相同。換言之，對所有相似的現(xiàn)象來說，它們各自的相似模數(shù)之間的關(guān)系完全相同。 相似第二定理的作用在于，它表明任何物理方程均可轉(zhuǎn)換為無量綱量間的關(guān)系方程。無量綱模數(shù)方程包括相似模數(shù)、同種物理量之比和無量綱物理量自身。 3.相似第三定理 相似第三定理又稱為相似逆定理，它描述的是現(xiàn)象相似的充分必要條件，即發(fā)生在幾何相似系統(tǒng)中，物理過程用同一方程表達，包括單值量模數(shù)在內(nèi)所有的相似模數(shù)在對應(yīng)點上的數(shù)值相等。這說明，有些復(fù)雜現(xiàn)象，其物理過程要用微分方程來表達，盡管這些現(xiàn)象出現(xiàn)在幾何相似系統(tǒng)中，表達的微分方程也相同，但還不能保證這些現(xiàn)象是相似的，還要求包括單值量組成的相似模數(shù)數(shù)值在對應(yīng)點必須相等，才能保證現(xiàn)象是相似的。 相似第三定理所說的單值量條件就是得以從許多現(xiàn)象中把某個具體現(xiàn)象區(qū)分出來的條件，它包括： （1）幾何條件：凡參與物理過程的物體的幾何大小是應(yīng)當(dāng)給出的單值量條件。 （2）物理條件：凡參與物理過程的物質(zhì)的性質(zhì)是需要給出的單值量條件，例如材料的彈性模量、泊松比、容重、重力加速度等。

編輯推薦

張強勇、李術(shù)才、李勇、 陳旭光所著的《地下工程模型試驗新方法新技術(shù)及工程應(yīng)用(精)》組織我國巖石力學(xué)工程界的精英們參與本書的撰寫，來反映我國近期在巖石力學(xué)與工程領(lǐng)域研究取得的最新成果。本書內(nèi)容涵蓋巖石力學(xué)與工程的理論研究、試驗方法、實驗技術(shù)、計算仿真、工程實踐等各個方面。

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