直接进行较大尺寸岩土试件的试验存在很多困难，这主要表现在大尺寸的天然岩土样的采集、加工和试验加载等条件的限制，因此，有必要进行模型试验相似材料的研究［107］。在岩土体结构工程的模型试验中，要体现自重应力场的影响和在模型体内埋设电阻应变计等测量元件，所使用的相似材料必须具备高容重、低强度、低变形模量、高绝缘度和可变化的内摩擦角等特点，才能达到全相似和缩小模型尺度的目的［108］。
模型试验选用的材料大多为混合物，基本上由两类材料组成：①骨料，如砂、矿渣、晶态硅灰等；②胶凝材料，如石膏、水泥、环氧树脂和石蜡等。除此之外，还可以掺加松香酒精溶液、甘油、减水剂、缓凝剂等，这些材料可以改进混合物的物理和力学性能［109］。
参考前有试验资料［110］，本试验选取了石英砂、重晶石、石膏、机油和水作为相似材料，具体配合比见表5-3。
表5-3 相似材料配合比
试验模拟的围岩级别为Ⅴ级，相关材料物理力学参数可按《公路隧道设计规范》（JTG D70—2004）中关于Ⅴ级围岩的建议值取值。由相似关系可确定模型中围岩相似材料所需要的几个关键物理参数，见表5-4。
表5-4 围岩及围岩相似材料物理力学参数表(www.xing528.com)
试验中选用石膏作为隧道衬砌的模型相似材料，使用成品钢丝网模拟混凝土中的钢筋（图5-2）。在确定模型衬砌的膏水比时通过正交试验，按照不同的膏水比将石膏和水混合后注入模具制成标准的圆柱体试件，养护、干燥后放入万能试验机中进行抗压试验，测出不同膏水比试样对应的弹性模量，最终根据试验中的材料相似比来确定合适的膏水比。由《公路隧道设计规范》（JTG D70—2004）中查出实际工程中使用的C25混凝土的弹性模量为28.0GPa，再由本试验采用的弹性模量相似比为1∶20，可得到选用石膏模型的弹性模量为1.4GPa，进而可以确定出试验中合适的膏水比。试验中为了模拟实际隧道的初期衬砌和二次衬砌之间的防水层，在衬砌外包裹了一圈聚乙烯厚膜（图5-3）。
图5-2 衬砌制作过程（模具和钢丝网）图片
图5-3 制作出的衬砌图片
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