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相似材料模拟是一种建立在相似理论基础上，用扩大或缩小的模型，去研究对应原型的力学运动以及其它相关特性的一种实验方法。
该方法在矿山、地质、水利以及建筑等领域应用广泛。
在采矿领域，该方法已经广泛应用于诸如测定矿山来压，岩层破坏运移，地下水渗透以及无流动水的边坡稳定等问题的研究。
相似材料模拟实验一般分如下几个步骤：1）选定几何相似常数。
根据要研究的采场埋深和采动影响范围以及现有架型综合确定。
常用的几何相似常数为100和200，根据采动影响范围，一般只模拟部分区域，地压欠缺部分由特制铁块上覆来补偿，也可采用专门的加压装置，如油缸等。
2）选定容重相似常数，一般根据常用的模拟材料来选定。
3）算出时间、位移、弹模、粘结力和强度等的相似常数，这些常数均可根据相似理论由几何相似常数和容重相似常数推导出来。
4）模拟材料的配制。
常用的原材料分两大类：骨料：主要有砂、粘土和铁粉等粘结材料：主要有石膏、水泥、石灰和石蜡等。
最常用的是河砂、石膏和大白粉的组合。
根据容重、弹模、粘结力和强度等相似常数，据原型的性质，确定出模拟材料的配比。
5）装模型，在试验台槽钢的保护下，按几何相似条件，逐层装上不同配比的模拟材料。
装的时候，一般虚铺1～2厘米左右即用特制工具压实，压的时候注意用力均匀。
各种不同的地质条件均须采用特定方法进行处理。
如节理面和夹泥层可用各种纸质互层处理，煤层可用粉碎的煤渣来模拟。
6）模型在室温情况下自然干燥一段时间后，即可拆除用来起保护作用的槽钢，若是模拟倾斜岩层的实验，可将试验台小心缓慢调整模型的倾角与煤层倾角一致，用测角器量测。
所有过程必须非常小心，否则会发生塌架而导致重装，浪费材料、人力和时间。
7）装上测定各种参数的装置或标志物。
比如测定地面下沉量常用的百分表，测定相对位移的贴片电阻，测定各点绝对位移用的小方格纸大头针。
可用全站仪测定表面位移。
8）在模型上进行开采实验，选用对应的液压支架模型进行开采模拟支护，同时起测量支撑力的作用。
柱状节理岩体相似材料力学特性试验研究杨涛;卢文斌;阙相成【摘要】Based on the model test of columnar jointed rock mass,the anisotropic characteristics of columnar jointed rock mass are investigated.A new method of simulating the interior joint of rock mass is used to make 3D printing of six prism joints with different inclination angles.The resin is as the joint printing material and the cement mortar is as the model material.The anisotropic properties of the jointed rock mass with the change of the dip angle of 0°-45° are investigated by the uniaxial compression test of the cube specimen.It is shown that the compressive strength of rock mass decreases with the gradual increasing of the angles between the extension direction and the vertical direction of the joint,and the failure mode of the cylinder under uniaxial compression is mainly shear failure.%通过柱状节理岩体模型试验探究白鹤滩水电站坝区柱状节理岩体各向异性特征.使用了模拟岩体内部节理的新方式——3D打印制作不同倾角六棱柱形节理试件,以树脂为节理打印材料,水泥砂浆为模型材料,通过立方体试件单轴压缩试验考察节理岩体强度随倾角0°~45°变化的各向异性特征.试验结果表明:岩体压缩强度随着节理面延伸方向与竖直方向的夹角的逐渐增大而减小,单轴压缩下柱体破坏模式主要为剪切破坏.【期刊名称】《河南科学》【年(卷),期】2018(036)004【总页数】4页(P575-578)【关键词】柱状节理;各向异性;3D打印;单轴压缩试验【作者】杨涛;卢文斌;阙相成【作者单位】河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,南京210098;河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,南京210098;河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,南京210098【正文语种】中文【中图分类】TU45柱状节理岩体常见于我国西南地区［1］，由于节理面的存在，其物理力学性质较为复杂.对于2013年开工的白鹤滩水电站坝区柱状节理玄武岩发育［2-5］，研究解决节理岩体性质成为不可避免的问题.对于岩体研究而言，原位试验能更精确获得岩体力学参数，但是需要投入太多人力物力，周期长，受场地条件限制［6］.而解析法需通过假设，如将断续节理岩体假设为均质连续体，所得解析解也因理论方法的不同而不同［7］.模型实验则既能节约资金，又能严格控制试样的各项参数，通过不同试验方式、改变参数来做到结果准确［8-9］.本文采用较为简易的室内模型试验探究柱状节理岩体力学性质，将坝区节理岩体概化为规则六棱柱体，获得模型单轴压缩试验的强度变化规律及其破坏模式.1 模型材料选择研究要求模型材料与原型材料的物理、力学性能相似，在加载条件下，有足够的强度和承载能力；其次，要求材料不仅获取方便，还要容易制作不同体积大小、形状甚至含有结构面的各式模型；模型养护后还要求其物理力学性能与研究对象相同或相似，能够以模型材料制作的模型试验参数模拟实际情况.模型在制作过程中，便于修补改变，不会对人员、环境造成危害，养护过程简单，变形较小，不受自然温度、压强等条件较大影响［10-11］.水泥砂浆是由水泥、细骨料和水，即水泥+砂+水，可以根据需要配成不同强度的砂浆.水泥砂浆黏结强度较高、保水性好、抗流挂性好、使用方便，一般用于基础、长期受水浸泡的地下室和承受较大外力的砌体.水泥砂浆材料成本低且易于获得，容易成型，是一种被广泛使用的相似材料［12-14］.本文即使用水泥砂浆模拟柱状节理岩体柱体，通过制作不同配比的水泥砂浆材料，与原岩的力学参数进行对比确定最佳配比，从而制作含节理模拟试件探究六棱柱节理岩体性质.最终对比后确定的最佳配比为水泥∶砂∶水=1∶0.5∶0.4，其力学性质见表1.表1 模型材料力学性质Tab.1 Mechanical properties of model materials配合比1∶0.5∶0.4密度/（g·cm-3）1.15～1.18抗压强度/MPa 15.24～16.69弹性模量/GPa 1.02～2.11泊松比0.18～0.232 模型制作模型试验中，由于节理面的存在，使得节理岩体的相似模型制作较为困难，现阶段探究的主要制作方法有：单个柱体粘合、预制或切割形成裂隙［15］.柱体粘合方法最为常用，但是细长柱体脱模困难，往往产生断裂，且模型在切割时也通常会损坏，预制和切割内部节理则不能很好地得到理想节理面.3D打印技术很好地解决了这些问题，3D打印可以有效快速制作节理面，大大提高了模型的制作精度和效率. 3D打印是一种通过建立数字模型，以3D打印机为设备，塑料等粉末为打印材料，采用逐层铺设打印材料的方法制作模型的快速制造技术［16-17］.本文采用3D打印技术制作规则六棱柱节理岩体模型试件裂隙，模型试件完整，强度均匀，试验结果稳定，为探究节理岩体力学性质提供了高效适宜的模型制作方法，制作模型步骤如下.1）CAD建立不同倾角（0°、15°、30°、45°）节理三维骨架，如图1所示.2）使用3D打印机，打印材料为树脂，打印节理实体模型试件，制作浇筑模具，如图2所示.在水泥砂浆中添加5%速凝剂，及时将搅拌好的水泥砂浆装填入模具中，震动模具来填实减少气泡.3）标准养护（20℃、相对湿度95%）28 d后脱模，脱模后试件如图3所示.为了便于试验观察，用黑色墨水笔描出节理痕迹.图1 节理岩体CAD模型Fig.1 CAD model of jointed rock mass图2 节理岩体模具Fig.2 Jointed rock mold图3 柱状节理岩体试样Fig.3 Specimens of rock mass with columnar joints 3 单轴压缩试验实验采用RMT-150B岩石试验系统对制作的六棱柱节理岩体进行单轴压缩试验，计算机记录应力应变变化情况.荷载控制加载，设定加载速率0.20 kN/s.图4 不同倾角试件应力应变关系曲线Fig.4 Relationship of stress and strain curves at different dip angles3.1 强度变化不同倾角（0°、15°、30°、45°）六棱柱节理岩体模型试件单轴压缩应力应变曲线如图4所示，其中完整试件单轴压缩变形经历了4个典型阶段：裂隙压密阶段、弹性变形阶段、裂隙扩展阶段和残余强度阶段［18］.由图4可知，无节理试件、倾角0°、15°、30°、45°的节理试件峰值强度分别为16.262、11.758、6.820、6.444、3.214 MPa，其中0°、15°、30°、45°节理试件峰值强度较完整试件分别下降约28%、58%、60%、80%，其相应弹性模量也明显降低，可知节理面的存在明显削弱岩体强度，且节理面与竖向夹角越大，岩体强度削弱越明显.15°、30°倾角节理试件的应力应变曲线大致相同，表明15°～30°左右角度变化对强度影响较小.完整试件应变达到0.014时发生破坏，而节理试件的破坏数值均在0.035左右，说明节理试件塑性变形较大，同时节理面存在使材料塑性增强.3D打印节理具有较大塑性，不易破碎，试验过程中使压缩破坏的柱体有效聚合，增加内部摩擦力，从而增加整个节理试件塑性.图5 不同倾角试件破坏模式Fig.5 Failure modes of specimens with different dip angels3.2 试件破坏模式完整试件单轴压缩后，试件出现数条竖向贯穿裂隙，主要表现为压力超过试件轴向承载力后形成的竖向劈裂破坏裂隙.试件局部侧面出现整体滑移脱落.由于试件上下表面不能完全平整而使得局部应力较大，部分角落劈裂破碎.图5表明：与无节理试件不同，由于节理面的存在，节理岩体模型试件单轴压缩试验后均不会出现侧面整体滑移脱落现象，而只会在模型倾角较大（45°）时表面出现个别柱体两端面的外鼓和剥落（45°）.对于0°倾角六棱柱节理岩体模型试件，加压后试件破坏模式主要为轴向张拉破坏，柱体与节理面脱离成为一个个孤立柱体，外侧柱体失去与节理面黏结后向外侧倾倒，部分柱体上部断裂剥落.15°模型试件相比0°试件出现明显的内部节理面和柱体破坏，主要由于柱体轴向和受力压缩方向存在角度，柱体受剪力较大发生剪切破坏.外侧短柱剥离，长柱多断裂倾倒.30°试件柱体多劈裂破坏，柱体受压且受节理约束后两端扩张导致膨胀碎裂，外侧柱体与试件整体黏结力小、没有节理面约束很容易脱离.45°倾角六棱柱节理岩体模型试件出现沿节理痕迹的贯穿裂隙，表面节理面与柱体接触面关系薄弱，最容易产生裂隙，使试件破坏逐渐失去承载力.试件柱体两端外鼓剥落明显，外侧柱体剥离.3.3 柱体破坏特征柱体破坏主要为两种破坏形式：裂纹沿柱体轴向的劈裂破坏及柱体横向剪切破坏［19］.由图6可以看出，单轴压缩下，试件内柱体主要破坏为剪切破坏，少数柱体发生劈裂破坏.破坏形式以剪切破坏为主，内部柱体剪切应力较大，超过抗剪强度.由于柱体细长，易发生剪切断裂，且试件处于单轴受力情况下，侧向无围压约束，是试件剪切破坏为主的原因.由三轴破坏试验可知，围压情况下试件劈裂破坏明显.围压越大，剪切破坏柱体则越少［20］.实际岩体破坏以劈裂破坏为主.图6 柱体破坏形态Fig.6 The failure modes of the columns4 结论本文选取水泥砂浆作为模型试件材料，泥∶砂∶水配合比为1∶0.5∶0.4，使用3D 打印技术制作节理面整体，浇筑养护得到模型试件.对六棱柱节理岩体模型试件进行单轴压缩试验，结果表明：柱体轴向与竖直方向夹角为0°即正轴时试件强度最大，15°时强度下降明显，15°、30°、45°屈服强度依次降低，倾角越大，对试件强度削弱影响越大.15°、30°、45°试件塑性增加，破坏时应变更大.破坏后的试件内柱体多发生剪切破坏.试件表面有水泥砂浆剥落，部分柱体脱落、倾倒.【相关文献】［1］卢轶然.柱状节理玄武岩变形各向异性研究［D］.南京：长江科学院，2010.［2］陶振宇.试论岩石力学的最新进展［J］.力学进展，1992（2）：161-172.［3］孙钧.岩石力学在我国的若干进展［J］.西部探矿工程，1999（1）：1-5.［4］贺拿，陈宁生，曾梅，等.白鹤滩水电站坝址近场区泥石流临界雨量研究［J］.水利学报，2015，46（2）：239-247.［5］魏玉峰.白鹤滩水电站多层位复杂介质坝基岩体结构特征及岩体质量分级研究［D］.成都：成都理工大学，2010.［6］金长宇，冯夏庭，张春生.白鹤滩水电站初始地应力场研究分析［J］.岩土力学，2010，31（3）：845-850.［7］朱维申，王平.节理岩体的等效连续模型与工程应用［J］.岩土工程学报，1992，14（2）：1-11.［8］刘海宁，王俊梅，王思敬.白鹤滩柱状节理岩体真三轴模型试验研究［J］.岩土力学，2010，31（S1）：163-171.［9］刘顺桂，池永翔，王思敬，等.柱状节理玄武岩体抗剪强度参数尺寸效应研究［J］.工程地质学报，2009，17（3）：367-370.［10］李宏哲，夏才初，王晓东，等.含节理大理岩变形和强度特性的试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2008，27（10）：2118-2123.［11］张伟，周国庆，张海波，等.倾角对裂隙岩体力学特性影响试验模拟研究［J］.中国矿业大学学报，2009，38（1）：30-33.［12］张桂民，李银平，施锡林，等.一种交互层状岩体模型材料制备方法及初步试验研究［J］.岩土力学，2011，32（S2）：284-289.［13］NASSERI M H，RAO K S，RAMAMURTHY T.Failure mechanism in schistose rocks ［J］.International Journal of Rock 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浅析地质力学模型试验技术的研究与应用摘要：当前，大型地下洞群所处的地质环境愈加复杂，尤其是在深埋、高地应力条件下，洞群围岩的稳定性状况、破坏形态和破坏机制等问题急需解决，而地质力学模型试验是解决这类问题的主要研究方法。
该文主要分析了模拟材料、组合式模型试验装置、量测技术等问题，并介绍了模型试验的工程应用。
关键词：地质力学模型试验技术工程应用引言地质力学模型试验是根据一定的相似原理对特定工程地质问题进行缩尺研究的一种方法，主要用来研究各种建筑物及其地基、高边坡及地下洞室等结构在外荷载作用下的变形形态、稳定安全度和破坏机理等。
2l世纪是中国工程建设快速发展的世纪，水利、水电、能源、交通等大型工程的开发已成为我国经济建设的重点。
对这些复杂的问题，一方面要借助理论分析、计算机数字模拟方法去研究；另一方面，更多地要借助地质力学模型试验手段来解决。
大量的工程实践证明，地质力学模型试验方法是研究大型岩土工程问题，特别是地下工程问题的一种行之有效的方法。
1 模型材料根据相似理论，模型的几何尺寸、边界条件、荷载及相似材料的容重、强度及变形特性等方面必须与原型相似。
一般根据要研究问题的性质，寻找满足主要参数相似的材料。
例如，对于沿夹层滑动的稳定问题，夹层材料的相似性必须严格满足，而岩体的某些材料参数的相似性可以适当放宽。
目前国内外最常用的是采用石膏、重晶石粉、石英砂等材料配合而成的，具有代表性的是韩伯鲤等研制的msb材料和马芳平等研制的nios相似材料,这2种材料都具有较好的性能,但都具有不足的地方。
酒精易于挥发，干燥时间短，可缩短试验周期；没有任何毒副作用，不会对人体造成伤害：压制成型的砌块易于切割，能满足模型拼装砌筑的工艺要求；容重高、抗压强度和弹性模量低；性能稳定，不生锈，有很高的绝缘性；由于各种材料拌和后未产生化学反应，因此试验后的材料可重复使用，提高了材料的利用率和使用寿命等优点。
2 组合式模型试验装置2.1组合式试验台张强勇等研制的组合式三维模型试验装置，采用分体式设计，其主要由底盘、箱体、加载系统组成(见图1)。
基于相似理论的力学模型试验材料研究崔雪婷;张子东;范珊【摘要】目前,中国对于岩质边坡模型试验相似材料的研究已经非常深入,但对于土质边坡,特别是黄土边坡模型试验相似材料的研究却非常浅薄,因此研究出一种适用于黄土边坡模型试验的相似材料具有非常重要的研究价值.通过大量的相似材料配比试验,研制出一种新型的黄土相似材料来模拟诠释兰州报恩寺滑坡的破坏过程,借以兰州报恩寺滑坡为模型,通过常规三轴试验,确定材料的基本力学参数,通过兰州报恩寺滑坡的室内物理模拟底摩擦试验来验证试验相似材料配比ω黄土:ω河沙:ω石蜡油:ω水=4:1:0.7:0.627的可靠性.并且通过对该材料的试验可得出,该相似材料有使黄土易于保持水分、配置的特点,且价格便宜,方便购买,可模拟按相似比缩小后的大型黄土体,是一种比较理想的模拟黄土的相似材料.【期刊名称】《人民珠江》【年(卷),期】2019(040)005【总页数】5页(P82-86)【关键词】地质力学模型;黄土;相似材料;力学参数;底摩擦试验【作者】崔雪婷;张子东;范珊【作者单位】成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川成都 610059;成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川成都610059;成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川成都610059【正文语种】中文【中图分类】P642选择正确合理的相似材料是准确模拟工程原型的关键。
相似材料和相似模型是进行相似模拟试验的必要条件，相似材料的配比对其物理力学性质具有很大影响，对物理模型的相似性起着决定性作用[1]。
目前，中国国内许多专家学者也开展了对相似材料这方面的研究，已经投入使用的地质力学模型相似材料主要有：1997年韩伯鲤等研制出了MIB材料[2]；为了避免和弥补常规材料的缺陷和不足，李仲奎等研制出NIOS地质力学模型试验材料[3]；王汉鹏等根据相似材料配比的原则研制成功的一种新型地质力学模型试验相似材料IBSCM[4]。
![一种用于物理模拟实验中的相似材料配比确定方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s1/m/e112ab2d8bd63186bdebbcc5.png)
专利名称：一种用于物理模拟实验中的相似材料配比确定方法专利类型：发明专利
发明人：高喜才
申请号：CN201410756690.3
申请日：20141210
公开号：CN104458309A
公开日：
20150325
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种用于物理模拟实验中的相似材料配比的综合确定方法，包括：1)选取典型性质岩层的物理相似材料，按照骨料、胶结材料和添加剂的不同配比，分别制作出系列物理相似材料，建立数据库；2)选定物理模拟实验架型，确定物理相似材料类型和相似比例；3)确定物理模拟实验模型各个模拟岩层力学参数；4)确定物理模拟实验模型各种类、配比及详细消耗量；5)生成物理相似材料配比方案进行实验模型铺装；6)按照物理模拟实验方案进行室内实验，评价数值分析，修正物理配比方案，建立各个矿区地层物理相似材料配比数据库。
方法步骤简单、规范合理且简单易行，能有效改善实验中规范性较差、定性分析多、精确度不够、可重复性差的情况。
申请人：西安科技大学
地址：710054 陕西省西安市雁塔路中段58号
国籍：CN
代理机构：西安通大专利代理有限责任公司
代理人：陆万寿
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地质力学模型相似材料配比的正交试验研究地质力学作为一门工程科学，被广泛应用于矿产资源勘探、岩土工程结构设计、地震预测以及其他领域，其中材料的相似性是一个重要的研究课题。
为了满足地质力学领域的要求，开展相似材料配比的正交试验研究，旨在探究两种不同材料之间的相似性差异，从而提高实际项目的工程效果。
正交试验是研究两个参数对结果的影响的科学方法，可以迅速获得实验结果和结论。
将正交试验方法应用于地质力学领域的相似材料测试，可以有效把握被研究材料的性能特征，从而有助于理解材料的相似性差异，并在材料的模拟设计中取得更好的效果。
在实际研究中，以《地质力学模型相似材料配比的正交试验研究》为例，以某种地质力学物理模型为基础，研究了两种不同材料的相似性差异。
首先，建立一个材料相似性评价模型，根据地质力学模型的要求，比较两种材料的性能。
然后，确定正交试验的参数设置，对两种不同材料进行配比，得出各自的物理参数与性能曲线，可以比较两种材料的物理特性和性能变化趋势。
根据正交试验的结果，可以得出两种材料在不同参数设置时的优劣比较，即知道在特定参数环境下，哪种材料更适合特定地质力学模型。
此外，可以对比不同参数设置下的材料性能，并给出更为精确的材料性能曲线，有助于更好地模拟材料的性能变化趋势。
在实际应用中，正交试验法可以有效验证地质力学模型中建立的不同材料之间的相似性差异，并辅助优化配比方案，提高实际项目的工程效果。
此外，正交试验法还可以用于其他工程科学领域，实现性能的优化与精确测试。
总之，正交试验是一种有效的方法，可以为地质力学模型的相似材料配比提供保障，实现材料性能的优化，提高实际项目的工程效果。
未来的研究要深入探究材料的物理特性和性能变化及其对地质力学模型的影响，以便更好地了解材料的相似性差异，进一步优化这些研究方法。
以上就是关于《地质力学模型相似材料配比的正交试验研究》的3000字文章。
这个文章介绍了正交试验法在地质力学领域的应用，以及它对优化相似材料配比方案和提高实际项目的工程效果的作用，并对未来的研究方向做出了展望。
第28卷增2岩石力学与工程学报V ol.28 Supp.2 2009年9月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Sept.，2009 地质力学磁力模型试验相似材料磁力特性研究罗先启1，葛修润1，程圣国2，张振华2，唐凯2(1. 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海 200030；2. 三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北宜昌 443002)摘要：地质力学磁力模型试验是利用电磁力(场)模拟重力(场)的原理来研究地质力学工程问题的试验方法。
在模型中，时间t、几何尺度l缩小n倍、重力加速度g扩大n倍，而材料的其他基本物理力学参数的相似比均为1，从理论上说可以采用原型材料进行地质力学磁力模型试验，这在模型试验的操作上十分方便。
磁性材料的磁力特性是磁力模型试验方法的关键。
磁粉、土体、水在电磁场中表现出不同的电磁和磁力特性。
磁粉材料的电磁特性由磁回滞曲线表示。
磁性材料在电磁场中的磁力与磁场强度的梯度成正比。
A–200磁粉在磁感应强度为563.2 mT，磁粉含量为40%时的最大磁力倍数为20.92，并发生于第二次加磁；C–180磁粉在磁感应强度为569.6 mT，磁粉含量为30%时的最大磁力倍数为23.94，也发生于第二次加磁，这2种磁粉均可考虑作为磁力模型试验的模型材料。
关键词：地质力学；模型试验；电磁力场；重力场；相似理论；相似判据；磁性材料中图分类号：P 55 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2009)增2–3801–07STUDY OF MAGNETIC MATERIAL PROPERTY OF GEOMECHANICAL MODEL TEST IN ELECTROMAGNET FIELDLUO Xianqi1，GE Xiurun1，CHENG Shengguo2，ZHANG Zhenhua2，TANG Kai2(1. School of Naval Architecture，Ocean and Civil Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai200030，China；2. Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area，Ministry of Education，China Three Gorges University，Hubei，Yichang443002，China)Abstract：Geomechanical engineering problems were studied and stimulated using the principle of electromagnet force field to simulate gravity field in geomechanical model test based on electromagnet force system. Geomechanical problem can be studied by the model test of electromagnet force. In the model，the time t and the geometric dimension l are reduced with n times，the acceleration of gravity g is amplified with n times，the similarity ratio of the other basic material physical parameters all are 1. Prototype material in this geomechanical model test is chosen on the basis of electromagnet force theoretically，and it will provide convenience in model test operating. Magnetic property of material is one of the key problems. The choice and basic property of geomechanical model test based on electromagnet force were introduced according to mixture and magnetic property of material. Magnet property of each mixture was studied to combinate need of geomechanical model test. The relation between magnet force and magnetic strength and influence of moisture content were researched with remagnetization and demagnetization. The electromagnet force is propositional to magnetic field gradient. A–200 magnetic powder′s magnetic force multiple reaches 20.92 under 563.2 mT magnetic field intensity with mixture ratio 40% in remagnetization；C–180 magnetic powder′s magnetic force multiple reaches 23.94 under 569.6 mT收稿日期：2009–05–20；修回日期：2009–07–29基金项目：国家自然科学基金资助项目(50679037)；湖北省自然科学基金项目(2005ABA295)；湖北省教育厅科学研究计划项目(Z200513003)作者简介：罗先启(1965–)，男，博士，1986年毕业于天津大学水利工程系，现任教授、博士生导师，主要从事岩土工程方面的教学与研究工作。
E-mail：luoxianqi@• 3802 • 岩石力学与工程学报 2009年magnetic field intensity with mixture ratio 30% also in remagnetization. Based on the data from contrast tests，the selected two types magnetic powders can be considered as model material in the geomechanical experiments.Key words：geomechanics；model test；electromagnet force field；gravity field；similarity theory；similarity criterion；magnet material1 引言20世纪初，一些国家就开始进行结构模型试验，并逐渐建立了相似理论。
20世纪60年代，E. Fumagalli[1]在意大利结构模型试验所开创了工程地质力学模型试验技术。
J. Ashby[2]采用倾斜台面模型技术定性研究边坡倾倒破坏机制及过程。
随后，P. Baumgargarter等[3～5]也开展了模型试验的研究。
常规模型试验是在1倍的重力场(1g)内，按几何相似将原型尺寸缩小n倍的模拟试验。
然而，岩土体是碎散性材料，现实还难于实施在保持其原有物理、力学性质条件下，将其自重应力水平转化为1/n，因此该试验只是部分满足了物理模型与原型间的几何相似和力学相似，而不能反映原型的整体特征[6]。
常规模型试验在脆性材料(混凝土、岩石)模拟试验研究中获得较大成功[7～9]。
在土体研究，特别是软土研究中，破坏模型试验已经取得较大进展，也获得了丰硕的成果，但在软土弹塑性模型以及考虑水介质作用的渗透模型研究中进行常规模型试验存在很大的困难。
土工离心模型试验方法在世界范围内获得了广泛的传播[10～16]，围绕软土工程开展了大量的研究，并获得了丰硕的成果。
土工离心模型试验是基于用离心惯性力场模拟重力场的原理，通过施加在模型上的离心惯性力将模型的容重变大，从而使模型中各点的应力与原型趋于一致，这种特点使离心模型和常规模型试验之间产生了本质的区别。
目前可以达到400 g的水平，可以实现经适当处理的原型土体或者是用模型相似材料进行试验研究。
因为在离心模型试验中可以获得n g的模拟重力场，对试验模型材料的力学性能要求比常规模型试验降低了n 倍，从而在降低试验难度和提高试验结果可靠性方面获得了质的飞跃。
方磊等[17]曾探讨了利用水流渗透所产生的拖曳力来增加土体的容重，其原理是利用重力场和渗透力场的叠加来模拟重力场，并取得了一定的成果。
可见，借鉴利用外力场模拟重力场的原理，利用场相似理论对地质力学模型试验技术开展研究，是地质力学模型试验理论发展的一个方向。
地质力学磁力模型试验的核心思想就是利用磁力场与重力场在某些方面的相似性，通过岩土体中掺入粉体磁性材料在磁场中受到磁力场来模拟n g 的重力场，从而克服了离心模型试验无法克服的困难。
如果考虑交变电磁场，就可以获得+n g和－n g 的模拟重力场，使得在实验室模拟地震等动力荷载变得更为简单方便[18]。
离心模型试验是用离心力(场)模拟重力(场)的“场相似”，渗水力土工模型试验是用渗流力(场)模拟重力(场)的“场相似”，而磁力模型试验是电磁力(场)模拟重力(场)的“场相似”。
首先，地质力学磁力模型试验是利用磁力场与重力场在某些方面的相似特性，来保证模型与原型在物理力学基本特性方面相似；其次，地质力学磁力模型试验相似判据仍然是基于相似理论的3个基本原理；最后，磁性材料混合体的磁力特性是地质力学磁力模型试验模型材料的基本特性。
2 电磁力与重力的相似性地质力学磁力模型试验是利用磁粉和岩土体混合后在磁场中受到的磁力和重力叠加来模拟n倍重力场，从宏观表象上分析电磁力与重力的相似性是进一步开展相似性研究的重要前提。
磁性材料在磁场中的受力不仅与磁场强度、磁性材料磁化率等可确定因素有关，而且与磁化经历，磁化历史等都有直接的关系。
磁性材料在恒定的直流磁场中所表现出的特性，常用磁特性曲线()B f H=或()M f H=表征，其中：H为磁场强度，单位为安培/米(A/m)；B为磁感应强度，单位为特斯拉(T)或高斯(Gs)；M为磁化强度，单位同磁场强度。
