FAST巖土工程模型實驗簡介

王馨語，郭 明，趙 碩

(貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽550003)

500m口徑大射電望遠(yuǎn)鏡(簡稱FAST)是采用我國科學(xué)家獨創(chuàng)的設(shè)計和我國貴州南部的喀斯特洼地的獨特地形條件進(jìn)行建設(shè)，是全球最大口徑的望遠(yuǎn)鏡。臺址位于貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮(zhèn)金科村大窩凼，為典型的喀斯特洼地，有洼地巖堆獨特的地貌特征。

在FAST臺址巖土工程分析研究中用“類谷倉效應(yīng)”來表征洼地巖堆的工程特性。用“自鎖效應(yīng)”來評述洼地保證巖堆開挖穩(wěn)定性的支護(hù)原則。本文通過相似形試驗來實現(xiàn)FAST臺址洼地巖堆的模擬，以進(jìn)行FAST臺址巖堆巖土工程分析。

1 實驗原理

根據(jù)相似理論，用適當(dāng)?shù)谋壤?1:1000)和相似材料制成與原型幾何相似的實驗對象，在模型上施加相似力系(或稱比例荷載)，使模型受力后重演原型結(jié)構(gòu)的實際工作，最后按照相似理論由模型實驗結(jié)果推算實際結(jié)構(gòu)的工作。本實驗的設(shè)計正好能夠滿足幾何相似、力學(xué)相似和材料相似的要求，即相當(dāng)于真實結(jié)構(gòu)的一種縮影。

該模型實驗中，用塑料帆布和瓦楞紙來模擬洼地基巖界面。由于洼地巖堆分為兩層，在此實驗中，用一定量的方解石來模擬上一層的松散巖堆，下部一層用體積比例為15:4:3的方解石、標(biāo)準(zhǔn)砂和石膏混合來模擬密實巖堆。

圖1 FAST臺址三維圖

實際密實巖堆厚度為2～60m，松散巖堆為0～10m，在模型設(shè)計中，由于較難滿足巖堆厚度變化條件，因此在模型設(shè)計厚度分別取為4 cm和2 cm。

根據(jù)密實和松散巖堆的厚度值，將準(zhǔn)備好的模擬巖堆材料按厚度變化堆于模擬基巖的表面(如圖2)。

圖2 FAST地表形狀模型

2 巖堆穩(wěn)定趨勢(“類谷倉效應(yīng)”)分析實驗

2.1 實驗?zāi)康?/h3>

FAST巖堆具有巖溶洼地的特殊性，與一般意義的巖堆不一樣，在重力作用下，受洼地地形控制，有側(cè)向約束，形成一個整體的閉合圈(如圖3)，具有類谷倉現(xiàn)象。通過模型試驗來模擬FAST洼地巖堆(地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地質(zhì)界面)，同時通過模型試驗驗證巖堆在其所處的自然條件下的穩(wěn)定性狀態(tài)。

圖3 FAST洼地地質(zhì)剖面圖

2.2 實驗原理

該模型實驗是討論巖堆的接觸形態(tài)(點、線、面接觸)與穩(wěn)定性的關(guān)系;明確休止角是巖堆的形態(tài)屬性;當(dāng)巖堆堆床下有釋放空間時，研究巖堆的非穩(wěn)定趨勢。

2.3 實驗過程

將制作完成的實驗?zāi)Ｐ蜏?zhǔn)備就緒，將模型基座底部圓形木片緩慢抽出，觀察模擬巖堆的穩(wěn)定情況，記錄實驗過程和現(xiàn)象，同時進(jìn)行拍照記錄。

2.4 實驗結(jié)論與分析

圖4 “類谷倉效應(yīng)”實驗過程圖

結(jié)論:巖堆的基巖與巖堆接觸面、密實巖堆和松散巖堆的分界面均是穩(wěn)定界面。巖堆滑動的趨勢面并不是穩(wěn)定界面，而是受洼地地形影響，在重力作用下由巖堆的天然安息角所控制遵循休止角法則(如圖4)。

3 完整性殼體結(jié)構(gòu)在FAST洼地工作的效應(yīng)實驗

3.1 實驗?zāi)康?/h3>

驗證完整性殼體結(jié)構(gòu)在FAST洼地支護(hù)中的穩(wěn)定性及可行性。

3.2 實驗原理

采用分段式開挖支護(hù)設(shè)計，支護(hù)結(jié)構(gòu)和被支護(hù)松散地質(zhì)體能形成自穩(wěn)效應(yīng)，在開挖其它斷面時，不會對已支護(hù)穩(wěn)定的斷面造成影響，這樣也就保證了所支護(hù)體系的穩(wěn)定性。采用1:100的比例尺模擬各部梁的尺寸從而驗證完整性支護(hù)結(jié)構(gòu)分?jǐn)嗝骈_挖方案，確定開挖方案的可行性。

3.3 實驗準(zhǔn)備工作

(1)將鋁合金材料做成橫梁(長度為0.6m)兩根，勁梁14根。

(2)設(shè)計圈梁:用鋁合金做兩根60 cm的橫梁，其中一根截成3段，每段20 cm。

(3)制作肋梁和勁梁:勁梁間距為4 cm，肋梁間距20 cm，圈梁間距為10 cm。

(4)將模擬巖堆材料在有機玻璃圓筒內(nèi)堆成一定坡度的平面，作為設(shè)計開挖斷面。

3.4 實驗步驟

(1)將第一級橫梁水平緊貼在開挖斷面的一定高度上，并用鐵釘將其錨固。

(2)將橫梁平均分為3段(每段長度對應(yīng)20 cm)，按順序第1段和第3段下部先進(jìn)行開挖，開挖高度10 cm左右;開挖完成后，立即將肋梁和勁梁按一定間距垂直固定在第一級橫梁之下，并將1、3段下部的橫梁用鐵釘錨固在肋梁和勁梁的下端。

(3)進(jìn)行第2段橫梁下部斷面的開挖，開挖完成后，立即將勁梁和肋梁按一定的間距固定在第2段橫梁之下，同時將第二級橫梁固定在肋梁和勁梁的下端。

在開挖時要先兩邊后中間，即先開挖①區(qū)的，做勁梁和肋梁。然后再開挖中間 ②區(qū)，做勁梁和肋梁，如圖5。

圖5 支護(hù)結(jié)構(gòu)施工圖

(4)觀察在每步開挖、施工過程中結(jié)構(gòu)和模擬巖堆的穩(wěn)定性，記錄實驗過程和現(xiàn)象，并進(jìn)行拍照記錄。

3.5 實驗結(jié)論與分析

圖6 整體結(jié)構(gòu)分?jǐn)嗝骈_挖過程圖

(1)由圖6可知在實驗開挖方案施工過程中，觀察到未開挖巖堆和已支護(hù)結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)不穩(wěn)現(xiàn)象，整體支護(hù)結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定狀態(tài)。模型實驗結(jié)果說明了此種開挖設(shè)計方案能滿足工程要求的施工穩(wěn)定要求，在開挖設(shè)計中此分?jǐn)嗝骈_挖方案是成立的。

圖7 不連續(xù)結(jié)構(gòu)開挖時不能形成自鎖垮塌的現(xiàn)象

(2)由圖7說明了即使在結(jié)構(gòu)自穩(wěn)條件下，如果沒有形成整體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，在開挖下級邊坡時，結(jié)構(gòu)自身也會破壞，不能夠保證巖堆和支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的穩(wěn)定性。結(jié)合實驗4.5結(jié)論分析可得到FAST場地巖堆穩(wěn)定性只能由空間格構(gòu)網(wǎng)殼的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制。

圖8 網(wǎng)狀殼體結(jié)構(gòu)擾動時的自鎖現(xiàn)象

(3)由圖8觀察到網(wǎng)狀殼體結(jié)構(gòu)所支撐的模擬巖堆不向下滑動，即使穩(wěn)定狀態(tài)下的周圍巖堆受到擾動時，網(wǎng)狀殼體結(jié)構(gòu)也能保障其整體穩(wěn)定性。這說明完整的連續(xù)網(wǎng)狀殼體結(jié)構(gòu)能維持洼地巖堆整體的穩(wěn)定性，殼體結(jié)構(gòu)的自鎖能力在此條件下能得到充分的發(fā)揮。

4 結(jié)語

(1)在FAST臺址巖土工程分析研究中得出巖堆滑動的趨勢面并不是穩(wěn)定界面，而是受洼地地形影響，在重力作用下由巖堆的天然安息角所控制并遵循休止角法則。

(2)根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，殼體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有很好的自穩(wěn)性能，當(dāng)將這種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)置于不穩(wěn)定介質(zhì)結(jié)構(gòu)中，利用其自身的穩(wěn)定性來維持不穩(wěn)定介質(zhì)的不穩(wěn)定性，從而便形成了一種"自鎖效應(yīng)".，保證了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。FAST洼地巖堆只能采取整體連續(xù)的空間支擋體系方可取得良好效果。

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