FAST巖土工程模型實驗簡介

王馨語，郭 明，趙 碩

(貴州大學 資源與環境工程學院，貴陽550003)

500m口徑大射電望遠鏡(簡稱FAST)是采用我國科學家獨創的設計和我國貴州南部的喀斯特洼地的獨特地形條件進行建設，是全球最大口徑的望遠鏡。臺址位于貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮金科村大窩凼，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”來表征洼地巖堆的工程特性。用“自鎖效應”來評述洼地保證巖堆開挖穩定性的支護原則。本文通過相似形試驗來實現FAST臺址洼地巖堆的模擬，以進行FAST臺址巖堆巖土工程分析。

1 實驗原理

根據相似理論，用適當的比例(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構的實際工作，最后按照相似理論由模型實驗結果推算實際結構的工作。本實驗的設計正好能夠滿足幾何相似、力學相似和材料相似的要求，即相當于真實結構的一種縮影。

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、標準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，在模型設計中，由于較難滿足巖堆厚度變化條件，因此在模型設計厚度分別取為4 cm和2 cm。

根據密實和松散巖堆的厚度值，將準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 巖堆穩定趨勢(“類谷倉效應”)分析實驗

2.1 實驗目的

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，有側向約束，形成一個整體的閉合圈(如圖3)，具有類谷倉現象。通過模型試驗來模擬FAST洼地巖堆(地質結構和地質界面)，同時通過模型試驗驗證巖堆在其所處的自然條件下的穩定性狀態。

圖3 FAST洼地地質剖面圖

2.2 實驗原理

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

2.3 實驗過程

將制作完成的實驗模型準備就緒，將模型基座底部圓形木片緩慢抽出，觀察模擬巖堆的穩定情況，記錄實驗過程和現象，同時進行拍照記錄。

2.4 實驗結論與分析

圖4 “類谷倉效應”實驗過程圖

結論: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定界面。巖堆滑動的趨勢面并不是穩定界面，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 完整性殼體結構在FAST洼地工作的效應實驗

3.1 實驗目的

驗證完整性殼體結構在FAST洼地支護中的穩定性及可行性。

3.2 實驗原理

采用分段式開挖支護設計，支護結構和被支護松散地質體能形成自穩效應，在開挖其它斷面時，不會對已支護穩定的斷面造成影響，這樣也就保證了所支護體系的穩定性。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結構分斷面開挖方案，確定開挖方案的可行性。

3.3 實驗準備工作

(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堆成一定坡度的平面，作為設計開挖斷面。

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20 cm)，按順序第1段和第3段下部先進行開挖，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區的，做勁梁和肋梁。然后再開挖中間 ②區，做勁梁和肋梁，如圖5。

圖5 支護結構施工圖

(4)觀察在每步開挖、施工過程中結構和模擬巖堆的穩定性，記錄實驗過程和現象，并進行拍照記錄。

3.5 實驗結論與分析

圖6 整體結構分斷面開挖過程圖

(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結構沒有出現不穩現象，整體支護結構保持穩定狀態。模型實驗結果說明了此種開挖設計方案能滿足工程要求的施工穩定要求，在開挖設計中此分斷面開挖方案是成立的。

圖7 不連續結構開挖時不能形成自鎖垮塌的現象

(2)由圖7說明了即使在結構自穩條件下，如果沒有形成整體網格結構，在開挖下級邊坡時，結構自身也會破壞，不能夠保證巖堆和支護結構之間的穩定性。結合實驗4.5結論分析可得到FAST場地巖堆穩定性只能由空間格構網殼的整體結構進行控制。

圖8 網狀殼體結構擾動時的自鎖現象

(3)由圖8觀察到網狀殼體結構所支撐的模擬巖堆不向下滑動，即使穩定狀態下的周圍巖堆受到擾動時，網狀殼體結構也能保障其整體穩定性。這說明完整的連續網狀殼體結構能維持洼地巖堆整體的穩定性，殼體結構的自鎖能力在此條件下能得到充分的發揮。

4 結語

(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)根據結構力學原理，殼體網狀結構具有很好的自穩性能，當將這種穩定結構置于不穩定介質結構中，利用其自身的穩定性來維持不穩定介質的不穩定性，從而便形成了一種"自鎖效應".，保證了整體結構的穩定性。FAST洼地巖堆只能采取整體連續的空間支擋體系方可取得良好效果。

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