研制相似材料的方法与技术

能符合上述相似关系的材料被称为相似材料。袁文忠^[179]、杜应吉^[180]指出若在实验室开展地质力学模型试验，找到满足模型的相似材料是最重要的一个环节，并且选出的相似材料对应的力学参数必须满足相似准则，并且与工程实际岩石相一致。

1.相似材料的选取原则

模型试验成功的关键在于是否正确选取相似材料，所以在国内、外，所有进行模型试验的专家学者，如：姜耀东、陈旭光等均将研制相似材料作为非常关键的课题^[181，182]。各种原型材料均有异于其他材料的特殊属性，即便是同一种类型，在全应力-应变过程的各个阶段所展现出的力学特性也是不一致的。因此，没有任何可以通用的规律让我们遵循，以帮助我们选择相似材料。假如所要研究的课题属于理想弹性问题范畴，那么我们应该重点关注该种物理量在弹性极限范围之内所表现出的力学特性。在弹性问题范畴内，挑选满足原型材料的弹性性能并与其一致的相似材料相对容易。假如发生破坏现象，那么应该关注其整个受力过程中物理力学性质地变化。相似材料的选用一定要结合其对应的要求，针对岩土工程而言，那些构成相当复杂的岩石因其破坏机理异常特殊于是成为主要的原型材料。又因为类型相异的岩石其对应的物理性能以及力学特性相差非常大，因此找不到能同时适合全部相似条件的材料。因而，必须优先使起主导作用的参数达到其相应的相似要求，并让处于次主导作用的参数尽可能满足设计要求。为了有重点地挑选相似材料，要特别重点关注工程现场的情况并结合试验结论，达到获得材料特性的目的。

岩体是具有各向异性，并且力学特性不定的材料，不仅具有强度高且很脆的硬岩，还有相反性能的软岩。为成功模拟各种岩体，应重点研发特性可改变程度大的相似材料。由各参数的关系C_σ=C_E=C_γC_L能够看出，为满足要求，应增大C_E和C_L，减小C_γ。所以相似材料必须实现高重度、低强度、低弹性模量；可是不存在这样的材料，所以须人工制作。

2.相似材料的确定(www.xing528.com)

任何一种单独的天然材料几乎都不能全方位地模拟出原岩所具有的不同的力学特性，所以通常而言选用几种人工合成材料（如松香、酒精、水泥、白乳胶等）与天然存在的材料（如重晶石粉、铁精粉、石英砂、黏土、河砂、木屑等）根据一定的比例合成并且使用胶黏剂（如树脂、煤油、石蜡等）黏结，最终成型。由于成分比较复杂，所以混合物中各物质的成分以及配比必须在实验室通过非常多的配比试验才可以得到。

山东大学在对分岔隧道开展地质力学模型试验的研究分析期间，通过室内试验，进行了上百组的各种力学性能参数的测验，最终选用铁晶粉、重晶石粉、石膏粉、石英砂、松香以及酒精等做原材料，创造性地研发出来铁晶砂胶结相似材料。它拥有如下特点：材料获取方便，具有较高重度，便于改变性能指标，正是凭借这些优点，它才能够模拟不同的岩体。结合这次所要模拟的对象（水电站主厂房深部洞室），所模拟的原型材料（大理岩），所模拟的条件（高地应力）等要求，通过深入的研究分析之后，对之前的铁晶砂混合材料进行了修改，骨料采用铁粉和石英砂混合而成，调节剂选用重晶石粉，胶黏剂则是采用松香和酒精的混合溶液，将这些材料混合起来使用。以此来制作合适于研究高地应力条件下卸荷诱发深部洞室围岩出现时效劈裂破坏现象的模型试验的相似材料，其成分如图7-2所示。

图7-2 模型试验所用相似材料成分