物理模型试验的应用

摘 要：物理模型试验主要有四种类型，分别为底摩擦模拟试验、离心模拟试验、原型材料模拟试验及相似材料模拟试验。本文通过对物理模型试验的发展应用概况进行分析，概括总结物理模型试验类别与相应测试方法，最后就现今应用行业及研究内容作以深入剖析。

关键词：物理;模型试验;应用

物理模型试验实际上就是在实验体内放置基于实际比例缩放的模型，如实验装置、水槽、风洞及模型架等，其将相似理论作为其基础，在对诸如单值条件、动力、运动及几何等基本的相似条件予以满足的情况下，通过基于模型所开展的试验，获取一些量之间所存在的客观规律，然后再向原型上进行回推，最终便可获取针对原型规律的更加深入的了解与认识，以此对真实过程所存在的各种特征进行模拟的实验方法。

一、物理模型实验概述

对于物理模型试验而言，其依据模型材料及模型加载可划分为如下四种，即底摩擦模拟试验、离心模拟试验、原型材料模拟试验及相似材料模拟试验;而依据模型受力状态及相应空间形态又可划分为三种，即平面应力模型、平面应变模型及立体模型;如若依据相似条件可划分为两种，分别为多因素模型与单因素模型;依据实验目的可划分为三种类型，如矿山模型、土工结构模型及水工结构模型。对于相似材料模型试验而言，此乃整个物理模型试验的关键性且广泛性方式，此种模型试验所运用的力学，与原型材料的人工材料较为相似，在实验体内依据相应比例，构建一个与原型较为相似的力学结构系统，然后给予其与原型相似的工程及载荷活动，用此对原型的力学过程及其后续的结果开展研究工作。相似材料模型试验最早理论乃为原苏联学者库兹涅佐夫所提出的相似理论，基于此而构建的一整套从原本理论性的模型测试、力学分析及物理试验，转变成为现今的针对工程实践所开展的试验性的研究方法。20世纪40年代，全苏矿山研究院通过利用平面模型试验技术，对煤矿开采具体的岩层破断所具有的相应活动规律开展研究，至此，推动了相似材料模型试验的不断发展以及在定量研究方面的得以深入发展。我国在上个世纪60年代初首次建立了相似模拟实验架，建立地点为中国矿业大学矿压实验室，且逐渐向诸多部门拓展，如地质、水利、建筑、狂野及各煤炭高校及科学研究院等。而当到了现在，伴随科学技术的日趋发展，比如岩土边坡坝基稳定性问题、复杂环境下采矿与采动岩体力学问题及矿山开采与当地环境保护等问题，均利用物理模型实验方法得以解决与完善。

二、理模型试验类型及测试方法分析

物理模型试验主要包含有四种类型，即底摩擦模拟试验、离心模拟试验、原型材料模拟试验及相似材料模拟试验。无论是原型材料模型还是相似材料模拟，均将模型材质作为着眼点，依据各种模型相应建造过程，依据所选择模型材料的不同而进行相应分类。在模型实验过程中，底摩擦模拟及离心模拟则依据不同的荷载施加方式而进行分类，离心模拟在上个世纪60年代出现，乃是运用离心机的离心力模拟重力，依据相似准则，通过对具有物理性状相同的土体予以运用，最终制作出对应的模型，促使其在离心力场当中的原型及应力状态一致于原型重力场，用此对工程性状开展全面、系统化研究的测试技术。对于底摩擦模拟而言，其乃是在可定向平移的底盘上放置结构模型，利用模型与底盘之间所形成的相应摩擦力，开展具体的重力模拟，以此对工程岩体在整个重力场当中所存有的准确破坏机制开展研究。据相关数据统计可知，共对620篇论文开展统计工作，其中395篇为相似材料模拟试验，所占比例为63.8%，因此，此方面的应用乃为最多。在对煤炭行业所开展的统计结果当中，相似材料模拟试验在整个统计结果中所占比例达88.6%，10.9%原型材料模拟试验;而对于那些非煤行业当中，离心模拟试验所占比例为17.5%，原型材料模拟试验为31.2%，相似材料模拟试验为50.8%，由此可知，所采用模型实验方法具有多样性。较少运用底摩擦模拟试验。

三、应用行业分析

物理模型试验乃是一种基于实验室对现场难以直接实施观测的各种工程现象实施模拟的实验手段，在适用性上比较强。据相关统计结果可知，物理模型试验方法除了在非煤矿山的或煤矿学研究与设计当中得以应用之外，还在诸如地下工程、地质工程、水利水电工程及土木工程等行业当中予以运用。据最新数据统计可知，在不同行业当中，物理模型试验方法的应用中，矿占占比达45%，土木工程、建筑及地下工程所占比例达36%，非煤矿山为2%，地质工程为8%，水利水电工程占比为9%，由此可知，应用多为煤矿行业，土木工程及建筑则位列其次。

参考文献：

[1] 刘爱华， 彭述权， 李夕兵，等. 深部开采承压突水机制相似物理模型试验系统研制及应用[J]. 岩石力学与工程学报，2009，28（7）：1335-1341.

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