模型试验可定性或定量地反映与地下工程有关的天然岩体受力特性,和与其相联系的地下工程结构的相互影响,特别是物理模拟可以比较全面地、真实地模拟复杂地下工程结构、复杂地质构造、复杂地下岩层组合关系,从而在机理研究尚不明朗的情况下避开“描述机理”的尴尬而直接利用物理实体的“内置的”机理“自觉地”生成试验过程和结果,为建立新的理论和数学模型提供依据,并在科学技术的现状下给出工程问题的解决方法或可靠的建议。因此,岩石力学模型试验在科学研究和解决工程实际问题方面具有独特的优势。本文通过对国家自然科学基金重点项目“隧道与地下空间工程结构物的稳定性与可靠性”所依托的示范工程――渝湘高速公路彭武段共和隧道的多个埋深断面的不同地质特征岩体的变形及支护破坏的监测,在遵循相似理论的基础上,最终运用模型试验对均质岩体的二次应力状态及锚杆加固机理、层状岩体的变形及失稳机理、层状岩体锚杆加固机理及其优化原理进行系统的深入研究,并采用开发程序进行相关问题的数值计算对比分析。本文取得了以下研究成果:1.根据共和隧道不同部位的围岩所具有的弹塑性及弹脆性力学特征,排选出环(氧)硅(橡胶)系列、环氧系列、松香系列等三个系列的模拟材料粘结剂,采用重晶石、粉细沙为骨料,对每种粘结剂均形成级差连续的配比,研制出具有弹塑性、线弹脆性、强弹脆性的模型相似材料,并以弹性模量E、抗压强度σc为主要追求的相似参量,确定出符合岩体力学特性的物理模型相似材料。2.在系列模型试验技术的准备方面,针对模型试验的研究目的,系统设计模型试验方案,确定完成物理模型的基本工艺和技术,如应变片槽的基面处理、锚杆的应变量测、平面应变加载条件的保证等。3.针对共和隧道部分泥岩条件下的围岩,采用弹塑性模型相似材料,通过毛洞与锚杆加固工况、短锚杆与长锚杆支护工况的模型试验对比,得到均质围岩下锚杆加固围岩的机理:锚杆区的径向与切向应力均高于毛洞,说明隧道围岩在二次应力的形成过程中,由于锚杆的抵抗作用而产生了局部的应力集中,从而使围岩的应力状态转变为更为稳定的三向压应力状态。4.通过弹脆性模型材料成层布置,并用聚乙烯薄膜部分隔断层间粘结,形成概化的横观各向同性围岩模型.采用相似于反演地应力场的边界应力关系对模型进行加载,从而研究得出缓倾角层状岩体二次应变的分布特征及破坏机理:拱切顶破坏是由于层理内的挤压应力使层理压屈破裂并随后产生离层所致,而边墙围岩则是由于垂直层理的切向挤压而形成的挤出破坏。同时形成了非对称的松动圈。5.在前述项4研究的基础上,针对全长粘结锚杆的设计情况研制出系统锚杆加固下的层状岩体物理模型,特别是解决了锚杆变形状态的应变量测技术,通过相同部位围岩与锚杆的应变对比,形成了层状岩体中锚杆加固围岩的变形特征与机理:在顺层偏压的切顶区域,锚杆径向主要抵抗围岩的径向松弛,发挥径向锚杆的作用;而在边墙围岩中,锚杆切向抵抗围岩的破裂与松动,径向抗拉作用较小,主要发挥剪切锚杆的作用,因而边墙锚杆不可随意减小甚至取消。6.在前述项4、项5研究的基础上,针对项5的破坏特征,将锚杆系统布置改进为薄弱局部的优化加长布置,制作出相应的物理模型,同样通过同部位围岩与锚杆的应变对比,分析出锚杆优化后的应变重分布及破坏特征,并进一步探讨了锚杆优化布置的设计原则:拱切顶区域围岩及锚杆拉应变均有所降低,提高了围岩的承载能力,但也形成了拱脚部位相对薄弱的态势。另外,锚杆的长度优化应与布置区域的幅度优化相结合。7.对模型加载级,以实际地应力的相似荷载为超载系数1.0,则各模型工况的初始破坏超载系数、大破坏超载系数分别为:均质围岩1.38、1.72;层状围岩1.30、1.70;系统锚杆加固的层状围岩1.8、2.6;优化锚杆加固的层状围岩2.4、3.0以上(3.0时未进入大破坏)。层状围岩略低于均质围岩。层状围岩加锚后,一方面提高了同一破坏状态时的超载系数,另一方面也拉大了初始破坏与大破坏状态之间的超载系数差,从而利于工程的安全。