FAST岩土工程模型实验简介

王馨语，郭 明，赵 硕

(贵州大学 资源与环境工程学院，贵阳550003)

500m口径大射电望远镜(简称FAST)是采用我国科学家独创的设计和我国贵州南部的喀斯特洼地的独特地形条件进行建设，是全球最大口径的望远镜。台址位于贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县克度镇金科村大窝凼，为典型的喀斯特洼地，有洼地岩堆独特的地貌特征。

在FAST台址岩土工程分析研究中用“类谷仓效应”来表征洼地岩堆的工程特性。用“自锁效应”来评述洼地保证岩堆开挖稳定性的支护原则。本文通过相似形试验来实现FAST台址洼地岩堆的模拟，以进行FAST台址岩堆岩土工程分析。

1 实验原理

根据相似理论，用适当的比例(1:1000)和相似材料制成与原型几何相似的实验对象，在模型上施加相似力系(或称比例荷载)，使模型受力后重演原型结构的实际工作，最后按照相似理论由模型实验结果推算实际结构的工作。本实验的设计正好能够满足几何相似、力学相似和材料相似的要求，即相当于真实结构的一种缩影。

该模型实验中，用塑料帆布和瓦楞纸来模拟洼地基岩界面。由于洼地岩堆分为两层，在此实验中，用一定量的方解石来模拟上一层的松散岩堆，下部一层用体积比例为15:4:3的方解石、标准砂和石膏混合来模拟密实岩堆。

图1 FAST台址三维图

实际密实岩堆厚度为2～60m，松散岩堆为0～10m，在模型设计中，由于较难满足岩堆厚度变化条件，因此在模型设计厚度分别取为4 cm和2 cm。

根据密实和松散岩堆的厚度值，将准备好的模拟岩堆材料按厚度变化堆于模拟基岩的表面(如图2)。

图2 FAST地表形状模型

2 岩堆稳定趋势(“类谷仓效应”)分析实验

2.1 实验目的

FAST岩堆具有岩溶洼地的特殊性，与一般意义的岩堆不一样，在重力作用下，受洼地地形控制，有侧向约束，形成一个整体的闭合圈(如图3)，具有类谷仓现象。通过模型试验来模拟FAST洼地岩堆(地质结构和地质界面)，同时通过模型试验验证岩堆在其所处的自然条件下的稳定性状态。

图3 FAST洼地地质剖面图

2.2 实验原理

该模型实验是讨论岩堆的接触形态(点、线、面接触)与稳定性的关系;明确休止角是岩堆的形态属性;当岩堆堆床下有释放空间时，研究岩堆的非稳定趋势。

2.3 实验过程

将制作完成的实验模型准备就绪，将模型基座底部圆形木片缓慢抽出，观察模拟岩堆的稳定情况，记录实验过程和现象，同时进行拍照记录。

2.4 实验结论与分析

图4 “类谷仓效应”实验过程图

结论:岩堆的基岩与岩堆接触面、密实岩堆和松散岩堆的分界面均是稳定界面。岩堆滑动的趋势面并不是稳定界面，而是受洼地地形影响，在重力作用下由岩堆的天然安息角所控制遵循休止角法则(如图4)。

3 完整性壳体结构在FAST洼地工作的效应实验

3.1 实验目的

验证完整性壳体结构在FAST洼地支护中的稳定性及可行性。

3.2 实验原理

采用分段式开挖支护设计，支护结构和被支护松散地质体能形成自稳效应，在开挖其它断面时，不会对已支护稳定的断面造成影响，这样也就保证了所支护体系的稳定性。采用1:100的比例尺模拟各部梁的尺寸从而验证完整性支护结构分断面开挖方案，确定开挖方案的可行性。

3.3 实验准备工作

(1)将铝合金材料做成横梁(长度为0.6m)两根，劲梁14根。

(2)设计圈梁:用铝合金做两根60 cm的横梁，其中一根截成3段，每段20 cm。

(3)制作肋梁和劲梁:劲梁间距为4 cm，肋梁间距20 cm，圈梁间距为10 cm。

(4)将模拟岩堆材料在有机玻璃圆筒内堆成一定坡度的平面，作为设计开挖断面。

3.4 实验步骤

(1)将第一级横梁水平紧贴在开挖断面的一定高度上，并用铁钉将其锚固。

(2)将横梁平均分为3段(每段长度对应20 cm)，按顺序第1段和第3段下部先进行开挖，开挖高度10 cm左右;开挖完成后，立即将肋梁和劲梁按一定间距垂直固定在第一级横梁之下，并将1、3段下部的横梁用铁钉锚固在肋梁和劲梁的下端。

(3)进行第2段横梁下部断面的开挖，开挖完成后，立即将劲梁和肋梁按一定的间距固定在第2段横梁之下，同时将第二级横梁固定在肋梁和劲梁的下端。

在开挖时要先两边后中间，即先开挖①区的，做劲梁和肋梁。然后再开挖中间 ②区，做劲梁和肋梁，如图5。

图5 支护结构施工图

(4)观察在每步开挖、施工过程中结构和模拟岩堆的稳定性，记录实验过程和现象，并进行拍照记录。

3.5 实验结论与分析

图6 整体结构分断面开挖过程图

(1)由图6可知在实验开挖方案施工过程中，观察到未开挖岩堆和已支护结构没有出现不稳现象，整体支护结构保持稳定状态。模型实验结果说明了此种开挖设计方案能满足工程要求的施工稳定要求，在开挖设计中此分断面开挖方案是成立的。

图7 不连续结构开挖时不能形成自锁垮塌的现象

(2)由图7说明了即使在结构自稳条件下，如果没有形成整体网格结构，在开挖下级边坡时，结构自身也会破坏，不能够保证岩堆和支护结构之间的稳定性。结合实验4.5结论分析可得到FAST场地岩堆稳定性只能由空间格构网壳的整体结构进行控制。

图8 网状壳体结构扰动时的自锁现象

(3)由图8观察到网状壳体结构所支撑的模拟岩堆不向下滑动，即使稳定状态下的周围岩堆受到扰动时，网状壳体结构也能保障其整体稳定性。这说明完整的连续网状壳体结构能维持洼地岩堆整体的稳定性，壳体结构的自锁能力在此条件下能得到充分的发挥。

4 结语

(1)在FAST台址岩土工程分析研究中得出岩堆滑动的趋势面并不是稳定界面，而是受洼地地形影响，在重力作用下由岩堆的天然安息角所控制并遵循休止角法则。

(2)根据结构力学原理，壳体网状结构具有很好的自稳性能，当将这种稳定结构置于不稳定介质结构中，利用其自身的稳定性来维持不稳定介质的不稳定性，从而便形成了一种"自锁效应".，保证了整体结构的稳定性。FAST洼地岩堆只能采取整体连续的空间支挡体系方可取得良好效果。

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