相似材料模擬實驗裝置

❶ 相似材料模擬實驗應遵循的相似原則有哪些

【教學目標】科學探究能用查閱資料與模擬實驗的方法來探究晝夜交替的成因。培養學生的空間想像力。情感、態度與價值觀能尊重不同的意見的存在，並能進行去偽存真的分析與選擇。科學知識了解古人對晝夜成因的猜想。知道地球在不停地自轉，自轉一周為一天，需24小時。知道晝夜交替是因為地球的自轉形成的。【教學重、難點】教學重點：用查閱資料與模擬實驗的方法來探究晝夜交替的成因。教學難點：體驗地球的不同轉法，會初步解釋地球產生晝夜交替的現象。【教學准備】1.學生用：地球儀（從支架上取下來，貼小人兒）、手電筒(或蠟燭)、實驗記錄表。2.教師用：模擬傅科擺器材一套。【教學設計】第一課時（地球自轉形成晝夜交替）一、導入課題太陽東升，白天到來；太陽西落，黑夜降臨。為什麼地球上晝夜會不斷地交替？晝夜是怎樣形成的？今天我們一起研究這個問題。二、新授：（一）晝夜形成的猜想與驗證1.前人說法與自己的猜想。⑴.對於這個問題，人們很早就開始研究，有兩種不同的說法：請同學們閱讀P24的資料，了解一下前人對這一現象的研究。（有條件的可以先播放相關資料）⑵.關於晝夜的形成，你贊成哪一種說法？說一說自己的理由。也可以提出不同的猜測哦！⑶.學生思考後回答。【同學們經過了認真的思考，作出了你們的回答，老師梳理一下以後，主要有這幾類猜測，我們一起來看。（1）地球自轉。（2）地球自轉，又繞著太陽轉。（3）地球繞著太陽轉。（4）太陽繞著地球轉。】2.模擬晝夜的形成⑴.對於為什麼地球上晝夜會不斷交替，同學們做出了自己的猜測，這些猜測會不會出現晝夜交替？我們有什麼辦法進一步證明呢？⑵.共同討論，引入模擬實驗，體會實驗材料與模擬對象的相似性。地球——乒乓球(不透明球體)太陽——手電筒(或蠟燭 光源)把乒乓球當作地球，手電筒當作太陽，被「太陽」照亮的一面相當於一天中的什麼時間？（白晝），背著太陽的一面呢？（黑夜）⑶.分組實驗，模擬驗證：在「地球」上貼（或畫）一個小紙人，怎樣才能讓小人在同一地點（例如貼小紙人的地方）出現晝夜交替現象？用實驗的方法檢驗每一種假設。把你的判斷記在科學文件夾中。3. 匯報交流作標記的地方晝夜會不會變化？能不能解釋晝夜交替？（二）地球自傳的實證 —— 傅科擺1.導入：通過模擬實驗，幾種猜測都是能解釋晝夜交替現象的，那麼究竟哪一種是符合生活中的真實情況呢？我們來閱讀一則科學資料。2.學生獨立閱讀後集體交流。3.老師利用實驗器材模擬演示講解，加深理解。演示：擺具有保持擺動方向不變的特點。講解：「傅科擺」擺動後，地面的刻度盤會與擺的擺動方向發生偏移，這可以證明地球在自轉。4.形成共識：晝夜交替是由於地球的自傳形成的。三、拓展延伸： 地球是怎樣自傳的？自傳一周需要多長時間？查閱收集有關資料。

❷ 設計一個簡單的實驗，模擬風的形成，寫出所需的器材和實驗步驟

模擬實驗：風的形成

實驗目的：理解風的成因，初步學會做空氣流動形成風的模擬實驗。

准備的材料：大塑料瓶、小塑料瓶、蠟燭、剪刀、油性筆、橡皮泥、蚊香片、火柴、鑷子。

實驗過程：

1、取一個大塑料瓶橫放在桌面，用刀把它的底部去掉，並利用剪刀把瓶底修理平整。

2、取一個小塑料瓶，把它的瓶口與大塑料瓶中間外壁相接觸，用油性筆在大塑料瓶身上按小塑料瓶瓶口的大小做個記號。

3、用剪刀沿油性筆的記號在大塑料瓶中間外壁開一個小洞，洞的大小比小塑料瓶口略大一點。

4、把小塑料瓶瓶口卡進大塑料瓶外壁的洞里，周圍用橡皮泥封緊。這樣一個空氣流動裝置就做好了。

5、選擇一支與大塑料瓶中間洞口高度差不多的蠟燭，點燃蠟燭放在平整的桌面，觀察蠟燭的火焰沒有飄動，說明現在沒有風。

6、把剛才做好的空氣流動裝置罩在燃燒的蠟燭上，火焰對著小塑料瓶口。這時發現蠟燭的火焰向另外一個方向飄動，說明現在形成了風。

原因分析：點燃蠟燭後，瓶內空氣受熱變輕上升，從瓶口流出，瓶內空氣因此稀薄，壓力減小。而同時，瓶外溫度沒有升高，空氣沒有變化，壓力較大。由於瓶外壓力大於瓶內壓力，瓶外的冷空氣就順著小塑料瓶口向大瓶內流動，瓶內的空氣受熱不斷上升流出，瓶外的空氣又源源不斷地流進瓶內。這樣，就形成了一股由瓶外向瓶內流動的空氣，空氣的流動就形成了風。

❸ 利用身邊的材料設計並製作一個能觀察液體受熱體積變大現象的實驗裝置

液體溫度計、水杯、熱水。
先記下液體溫度計示數，再將液體溫度計插入熱水中，溫度計內液體受熱時，溫度計內的液柱變長，說明溫度計內液體體積增大了。

❹ 物理模擬實驗儀器選用

根據煤粉產出物理模擬實驗的原理及目的,需要設計可以滿足該實驗要求的儀器裝置。這些要求包括:

(1)滿足模擬地層流體在煤儲層裂隙之間的流動要求;

(2)滿足模擬煤儲層經儲層改造後的裂隙展布效果要求;

(3)滿足模擬煤儲層在含煤地層中的賦存狀態要求;

(4)滿足模擬煤層氣井排水→降壓→采氣的生產模式要求。

通過一系列的摸索與嘗試,確定了該物理模擬實驗儀器裝置的主體系統結構,其中包括計算機監控系統、樣品制備系統、泵送驅替系統、物理模擬系統、煤粉儲集系統、煤粉分析系統、電力動力系統等。

(1)計算機監控系統:主要由計算機操控平台和驅替導流監測平台等組成。計算機操控平台提供半自動半人工化功能服務,通過計算機實現對驅替導流監測平台的操控,可以滿足不同條件下物理模擬實驗的要求。同時,驅替導流監測平台實現流體相態驅替模式、自動調控驅替流速及壓力、實時監測導流狀況及實時記錄排出產物狀況等。

表5-3 煤體結構差異對煤粉產出的影響研究實驗方案

(2)樣品制備系統:主要由制樣模具、升降施壓油缸、平台支架等組成。制備樣品的前期准備工作需要碎樣機、標准樣品篩、電子天平等輔助設備。首先使用碎樣機將煤岩樣品破碎,經過標准樣品篩的篩選,選用一定粒度的煤粉顆粒,依據制樣模具的尺寸形狀,在升降施壓油缸的擠壓作用下,製作煤磚樣,用於煤粉產出物理模擬實驗。該系統需要通過計算機監控系統控制升降施壓油缸,為制樣提供穩定的壓力。

(3)泵送驅替系統:主要由平流泵、儲液容器、驅替液、導流室、無縫鋼導管、法蘭等組成。該系統的工作原理是通過調整平流泵的泵送功率,使其提供一定流速的穩定流體,該流體將儲液容器內的驅替液以同等速率注入導流室內,對導流室中的煤磚進行驅替作用,同時,需要導流室的左右兩側分別安裝進出液孔道,並在進出口端部安裝測壓孔道及相應法蘭。在此過程中,通過驅替導流監測平台調控平流泵的泵送功率、設置驅替作用的周期及數據記錄頻率等參數。

(4)物理模擬系統:主要由煤磚樣、石英砂、導流室、金屬墊片、塑料密封圈、差壓感測器、升降施壓油缸、平台支架等組成。該系統的工作原理是通過在兩塊煤磚中夾持石英砂顆粒進行人工造縫,模擬煤儲層經過儲層改造後的裂隙延展狀態;由泵送驅替系統向導流室內提供一定流速的驅替液,模擬地層流體在煤儲層裂隙之間的流動過程;由計算機監控系統調控升降施壓油缸,使其對導流室內的煤磚產生穩定圍壓,模擬煤儲層在含煤地層中的賦存狀態。該系統是在計算機監控系統、泵送驅替系統及物理模擬系統的相互配合下進行的,由平流泵提供驅替流體,由升降施壓油缸提供擠壓力,由驅替導流監測平台調控記錄驅替液流速、油缸壓力等參數,由金屬墊片和塑料密封圈來保證導流室中煤磚處於密封狀態。

(5)煤粉儲集系統:主要由電子天平、無縫鋼導管、燒杯等組成。該系統的工作原理是收集由物理模擬系統排出的液體及其中煤粉,同時通過驅替導流監測平台對排出液進行實時稱重並儲存數據結果。

(6)煤粉分析系統:主要由激光粒度儀、濾紙、過濾器、恆溫烘乾機、電子天平、顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射儀等組成。該系統的工作原理是採用激光粒度儀對不同實驗條件中產出的煤粉進行粒度分布測試;採用過濾器及恆溫烘乾機將排出液中的煤粉進行過濾烘乾;採用電子天平對乾燥的煤粉顆粒進行精密稱重;採用顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射儀分析煤粉的顯微形態及物質成分。從煤粉的粒度、質量、顯微狀態和物質成分等角度研究煤粉的產出物性特徵。

(7)電力動力系統:主要由配電箱和電動機等組成。該系統為物理模擬實驗設備裝置的其他系統提供電力及動力保障。

圖5-1 煤粉產出物理模擬實驗儀器設計示意圖

根據上述物理模擬實驗儀器裝置功能要求,實驗儀器設計如圖5-1所示。通過調研,在綜合考慮物理模擬實驗的可行性情況下,採用HXDL-Ⅱ型酸蝕裂隙導流儀作為測試儀器。該儀器可以在標准實驗條件下模擬地層壓力及溫度狀態,可以實現氣、液兩相驅替過程,並能評價裂縫的導流能力。其裝置流程如圖5-2所示。根據上述物理模擬實驗裝置的說明,選用的酸蝕裂隙導流儀的主體系統均達到開展實驗的要求,各個裝置部件可以滿足實驗的需求。該儀器的各項參數是參照《SY-T 6302—1997 壓裂支撐劑充填層短期導流能力評價推薦方法》標准而設定的。

圖5-2 酸蝕裂縫導流儀流程示意圖

❺ 冒落帶、導水裂隙帶的相似材料模擬研究

實驗是認識客觀現象和本質的基礎,是發展和檢驗理論的重要手段。相似材料模擬試驗是在室內採用某種人工材料,按一定比例做成相似模型,通過對模型上的位移、應力和應變的觀測來認識原型上發生的力學現象和規律。圍繞岩體力學性質與形為,20世紀30年代至今,我國、前蘇聯、德國、波蘭等國開展了較多的礦山相似模擬實驗研究,70～80年代相似模擬試驗盛行,理論及方法日趨完善。至1988年,李鴻昌編著了《礦山壓力的相似模擬試驗》一書,詳細介紹了礦山壓力相似模型的設計、相似材料的選取以及模型試驗中的量測技術。中國礦業大學、煤炭研究所等科研院所紛紛建設了礦山相似模擬試驗平台,由二維模擬發展至三維模擬,支架由緩傾斜發展至任意傾角,可模擬任意傾角煤層開采。

根據相似理論,欲使模型與實體相似,必須滿足各對應量成一定比例關系及各對應量所組成的數學物理方程相同,具體在覆岩變形方面的應用,通常要保證模型和實體滿足相似三定理。相似三定理說明了現象相似的必要條件和充分條件,由相似定理推導出的相似准則如下：

(1)模型與原型的幾何相似

要求模型與原型幾何形狀相似,幾何相似是物理模擬的基本條件,為此滿足長度比為常數,即

煤層開采頂板導水裂隙帶高度預測理論與方法

式中：L為廣義長度；α_L為幾何相似比,為常數；L_H,L_M分別為原型和模型的線性尺寸。

(2)模型與原型的運動相似

要求模擬與原型所有各對應點的運動情況相似,即要求各對應點的速度、加速度、運動時間等都成一定比例。所以,要求時間比為常數,即：

煤層開采頂板導水裂隙帶高度預測理論與方法

式中：α_t為時間相似比。

(3)模型與原型的動力相似

要求模型和原型的所用作用力都相似。壓力主要考慮覆岩的自重,因此要求原型與模型的容重比α_γ為常數,即：

煤層開采頂板導水裂隙帶高度預測理論與方法

式中：α_γ為容重相似比；γ_H,γ_M分別為原型和模型的容重。

(4)模型與原型的應力相似

由α_L和α_γ依照各對應量間所組成的物理方程式,可推出應力原型與模型成比例,即：

煤層開采頂板導水裂隙帶高度預測理論與方法

式中：α_σ為壓力相似比；σ_H,σ_M為分別為原型和模型的應力；P_H,P_M為分別為原型和模型的壓力；A_H,A_M為分別為原型和模型的面積。

胡耀青(2001)運用大型三維固-流耦合模擬實驗台對太原市東山煤礦一采區帶壓開采進行了三維模擬,分析了煤層頂板應力-位移的變化規律。張傑(2004)以大柳塔煤礦1203、20601、221工作面的原型,建立了多組相似模型,尋求淺埋煤層導水裂隙帶發育規律。模擬結果認為當基岩厚度小於35m時,頂板基岩全厚度切落,貫通裂隙開裂程度隨采高降低而降低；當基岩厚35～55m時,頂板首先在采面前方產生裂隙,形成厚度較大的整體岩柱,在工作面前方形成自基岩面向下發展的裂隙以後,頂板基岩開始自上而下周期性的產生裂隙,隨工作面推進裂隙發展高度增加直至基岩面；當基岩厚度為65m時,不發生全厚切落。反應基岩厚度是影響裂隙貫通的一個重要因素,作者認為頂板基岩厚度與采高比值有一臨界值,當大於此值時頂板基岩不會發生全厚切落。

模擬試驗具有以下優點：①直觀性強,可以通過模型觀察到岩體深部發生的力學現象和過程,這對於研究礦體開采引起的岩體移動發展過程、斷裂模式、錯動機理和運動方式等有顯著的優越性；②靈活性好,可以進行單因素分析,即固定某些因素,研究和探討另一些因素的影響,也可以進行多種因素的綜合試驗研究。③效率高,獲得結果快,可以將岩體經過數年才發生的現象,通過模擬試驗在短時間內獲得；④重復性好,可以通過改變某些因素或參數,重復研究不同條件下岩體的力學行為等優點。但是,由於原岩的力學性質尚難准確獲得,特別是有不同弱面的岩體力學性質難以測量和模擬,因而嚴格地做到幾何相似和動力相似很困難,由此,模擬試驗結果一般也僅具有定性的參考價值。

李鴻昌認為相似模擬的成功取決於以下幾個方面：①能抓住研究問題的本質,有明確的科研思路及試驗目的,能避開次要、隨機的因素對研究對象的影響,突出其主要矛盾。②試驗要以相似理論為根據,尤其是在研究過程中起決定作用的參數,要充分反映在相似准則中,盡可能滿足邊界、起始等單值條件。③相似材料的選取要有相應的設備作基礎,包括試驗台及測試儀器等裝置。設備應大、中、小相結合,重要的工程項目的模擬通常要用設備完善,測試精密的大型試驗台來完成。而屬於定性,機理方面規律性的探尋則可在設備較為簡單和投資較少的中、小型試驗台上反復進行。④要有嚴格的、科學的工作態度,模型製作工藝規格化,測試記錄認真,減少誤差,使試驗成果具有更高的可信度。即使有某些干擾因素影響產生系統性誤差,也應採取措施予以消除、減輕。

❻ 相似材料模擬實驗方案

相似材料模擬實驗方案包括以下幾項內容：

（1）實驗模型尺版寸設計：根據模擬實驗研究的內容和要權求，選用平面模型架，架子的主體由槽鋼和角鋼組成，架長2.0m，寬度0.25m，高2.0m。依據采空區的范圍和采深，相似材料配比選用1：100（圖2.13）。

圖2.13 相似材料模擬模型

（2）實驗模型測點的布置：根據相似材料模型的大小和實際精度需求，在煤層頂板上方每5cm布置一條測線直至地表，在測線上每間隔10cm布置一個測點，通過測線和測線上相應測點的相對位移來觀測地表移動變形及上覆岩層的變形破壞情況。

（3）實驗方法及步驟：實驗模型根據鑽探已探測的不同采空區深度及采出煤層的厚度，建立3個相似材料模擬模型。待模型晾乾後，可模擬煤層開采。首先模擬當地小煤礦寬巷道掘迸出煤的採煤方式（采5m留4m煤柱），觀察采深及煤層厚度不同情況下上覆岩層的變形破壞規律及地表移動變形情況。然後再采出煤柱，逐步增加採煤工作面的推迸長度，觀測上覆岩層冒落帶、裂隙帶及彎曲下沉帶的寬度、高度、地表下沉量及頂板岩層垮落角的范圍。

❼ 構造物理模擬簡述

通常認為地質構造形跡和特徵與岩石圈彎曲、伸長和縮短密切相關。雖然地殼只是地球整體結構中極薄的一層，但它卻記錄和保存了地球形成、發展和演化的蹤跡。地殼以下地球深部各圈層物質在高溫、高壓條件下發生的物理與化學的變化和運動，以及由重力、日月潮汐作用和地球自轉而產生的運動，不可避免地反映到地殼中來。地殼構造形跡至少是四維函數體（X、Y、Z和t），在絕大多數情況下坐標函數X、Y和Z與時間函數t構成復合函數關系。岩石圈快速伸長和縮短分別產生等溫的減薄和增厚效應，即形成盆地和山脈。熱應力釋放進一步引起沉降和隆起，沉積和剝蝕作用又分別使得其作用增強。所以，大多數垂直和水平運動導致的地層演化中的微妙和復雜的構造形跡被認為是岩石圈變形的結果或地質體對應力作用的響應。驅動力、應力體系與構造變形有著內在聯系或因果關系，這種關系已越來越多地得到地質信息和實驗證據的證實。地質體中的應力系分布是相當復雜的，由於地層或岩石物性在橫向和垂向上分布的非均一性，以及物質的非類同性等因素導致了變形的各向異性。

構造變形是力系或應力系作用的結果。但是，現今採集和觀察到的大量的地質信息和實例是構造地質演化的最終結果或其中的某一幕，過程早已缺失或被後一幕構造演化所替代。動力驅動和構造變形之間的耦合和疊置關系、大洋閉合誘發的岩石圈長度縮短、俯沖帶形成和演化中伴生的推覆體質點高值剪切位移，以及陸塊碰撞和拼接部位混雜岩帶的形成等重要構造形跡形成和演化的物理過程，要在野外全部觀察到是不可能的。同時，這種作用是連續漸變的，碰撞事件可能經歷了幾百個Ma時間跨度，無疑增大了所研究問題的難度。因此，一種合理而又現實的研究途徑是，利用構造模擬實驗方法再現和論證這些重要構造形跡。

構造模擬實驗是在地質調查研究基礎上進行的，採用的主要方法有物理模擬和數學模擬兩種。物理模擬是採用實際的物理材料，按照一定的構造形成模式，模擬自然界岩石的構造形態、變形過程及各種物理量與幾何量的實驗方法。數學模擬主要採用數學力學方法，對構造模型的應力場、位移場、應變場、應變速度場、應變速率場、流體運移勢場、溫度場等各種勢場進行定量分析。物理模擬側重於對各種構造型式、形態的模擬，其特點是以相似理論為依據，採用相似材料，構成相似的力學模型，用以模擬地殼的岩石構造形跡和構造型式的形成條件和力學過程，其優點是容易再造構造變形現象，容易調整試件的力學性狀和邊界條件，在短時間內重現地質年代的宏觀構造變形過程。數學模擬是進一步對形成這些構造型式的機理的模擬，其優點在於能對各種物理量及幾何量的分布規律及相互關系進行定量的數學表達，便於反映構造的內在規律。近年來，隨著計算技術的飛速發展，數學模擬方法取得了長足進步，可以處理更加復雜的問題，求解問題的速度也更加快捷。物理模擬和數學模擬是相輔相成、互相補充的兩種模擬方法，它們的結果可以相互檢驗和印證。

構造模擬的一般原則有：相似性原則、選擇性原則、分離性原則、逼近性原則和統計性原則（曾佐勛等，1992）。構造模擬的一般步驟為：

1）地質調查，確定地質構造原型；

2）分析控制構造原型的主要因素；

3）根據原型幾何尺寸與所採用的模擬方法等，確定模型比例尺；

4）根據構造形成的物理環境與原型的材料力學性狀，選擇合適的模型材料；

5）根據野外觀察或地球物理資料所推斷的原型受力方式與約束條件，確定模型的載入方式和約束條件；

6）記錄模擬實驗過程和結果，及時進行整理；

7）分析模擬結果的精確性以及與天然實體的相似程度，若達不到要求，可重復上述各個步驟；

8）合理地將模擬結論用於實際問題。

構造模擬的歷史由來已久。1894年，Willis通過褶皺形成機制的物理模擬實驗，闡述了北美洲阿巴拉契亞山脈的成因機制，所設計的實驗裝置是單側擠壓，實驗材料為蜂蠟（wax）、松脂（turpentine）和石膏（plaster）。而後，Rambery利用離心機實驗技術開展了大陸、大洋和造山帶演化模式的物理模擬實驗；李四光（1965）開展了壓力、張力和扭力與構造變形和造山帶分布規律的黏土模擬實驗；Tapponnier（1986）等利用一個11 cm×30 cm的矩形透明塑料盒作為實驗材料容器，鏍桿千斤頂（screw jack）作為施加力的主要部件，用黃色和紫色相間的塑性黏土製成可變形的矩形模型塊，開展了印度板塊與歐亞板塊碰撞的構造變形的物理模擬實驗；Zhang等通過改變實驗材料的密度值實施了仰沖與俯沖機制的物理模擬實驗；許志琴等（1986）開展了陸內俯沖的模擬實驗；Devy和 Cobbold 開展了岩石圈縮短與造山運動的模擬實驗；Shemendach報道了通過俯沖帶演化過程的物理模擬實驗獲得的最新見解；單家增（1999）探討了造山帶的動力學成因機制，並用物理模擬方法模擬了陸-陸碰撞造山帶形成和演化的物理過程，並據此論證其動力學成因機制，定量給出了在地幔對流驅動力派生的拖曳力和板塊運動產生的水平壓縮力，以及其他附加力的聯合作用下，地殼與岩石圈水平縮短和垂直增厚的比值關系，從構造物理學角度分析和審視了這一重要構造事件。

在此我們將採用構造物理模擬方法來檢驗我們對三江中段岩石圈正交疊加構造演化動力學的一些認識。

❽ 岩石圈疊加構造的物理模擬

1.實驗裝置

本次物理模擬實驗裝置的尺寸為40 cm×10 cm×25 cm，兩側為硬實木面，一側固定，一側為可施加水平壓應力的運動臂。

2.實驗材料和初始實驗模型設計

實驗以塑性流變特徵為基礎，選取塑性粘土作為岩石圈塑性下層材料，通過適當加入增塑劑含量建立符合本區特點的塑性層位，並利用夾在薄膜中的凡士林作為彈性層之間的軟弱層位。對模型的上下層同時加力，較完整地反映了本區的構造變形特點。

模型選取四層結構，最底層為塑性層，上部為兩層彈性層，在彈性層之間是一薄層狀的軟弱帶，物理模型的參數選取同前述有限元數值模擬計算中的參數，按相似准則確定材料性質。表層考慮了怒江、德欽-維西-紅河及木里-麗江三條主要斷裂對本區構造變形的控制。

3.模型製作

用不同粒徑和含水量的黏土代表底部的塑性層和表層的彈性層（表7-4），其中表層材料為粗粒低含水量黏土，底層塑性層材料為細粒高含水量黏土。將其製作成不同厚度的長方體，用橡皮泥製作下部地震多發帶處的高強度彈性體，用夾在薄膜之間的凡士林來模擬處在上下彈性體之間的高導低速軟弱層帶。為了更好地反映本區的實際構造變形，根據區域地質資料，在上部彈性層中預置了怒江、德欽、維西-紅河-木里-麗江三條主要深大斷裂。

實驗模型為比例模型，表7-5給出了通過計算獲得的實驗比例因子參數。長度相似系數為1.0×10^-6 ，即模型中的1 cm描述的是實際地質體中的10 km長度；時間相似系數為1.9×10^-11 ，即實驗中的1 min描述的是1 Ma地質事件時間。

表7-4 實驗材料名稱和主要物理參數

圖7-20 載入後模型經低溫冷凍定型後切割剖面圖

6.幾點認識

通過以上模擬結果的平面及剖面變形的分析，可以得出以下幾點認識：

1）岩石圈底部塑性層擠壓會對上層物質產生影響，但岩石中軟弱層的存在會削弱其影響的強度，其變形主要表現為地殼縮短和增厚；

2）在底部塑性層強烈SN向擠壓環境下，由於軟弱層位的存在，當表層單獨承受EW向擠壓應力作用時，將產生明顯的上下不協調的疊加構造；

3）由於局部受力將導致斷裂發生扭動，致使蘭坪、維西所在的中部塊體相對模型整體有向南擠出的運動趨勢，產生物質向南擠出；

4）由於表層EW向擠壓應力的作用，表層物質受擠壓增厚的形態與底部存在明顯差別，變形厚度從載入部位向外遞減，在三江「蜂腰」部位達到最大擠壓厚度。

模型的計算和物理模擬結果表明，大陸岩石圈具有分層的力學性質，上地殼以脆性變形為主，中下地殼及岩石圈地幔以粘塑性流變為主。其中下地殼和上地幔的黏性流變驅動著上地殼脆性活動地塊的相對運動，同時上部脆性塊體之間由於彼此間存在所受的底部驅動力不同導致的運動差異，彼此之間也存在相互作用，並可能導致上下不協調的正交疊加構造的產生。

❾ 相似材料用量計算

2.5.4.1 選用的相似材料必須滿足下列要求^[73]

（1）相似材料的主要力學性能應與模擬的岩層結構相似。

（2）材料的力學性能穩定，不易受外界條件（溫度、濕度等）的影響。

（3）改變材料的配比後，可使材料的力學性能發生改變，以適應相似條件的需要。

（4）容易成型，製作方便，凝固時間短。材料來源豐富，價格低廉。

（5）材料來源廣，成本低廉。

根據以往實踐經驗及本次實驗研究范圍的地質條件，本次模擬實驗需要的材料主要由兩種成分組成：骨料和膠結料。採用細砂作為骨料，碳酸鈣和石膏作為膠結材料，硼砂作為緩凝劑，採用雲母粉分層。

2.5.4.2 模擬岩體力學參數

根據內蒙古鄂爾多斯市東勝礦區某鐵路下采空區鑽探所取岩樣迸行測定，岩體力學參數見表2.1。

表2.1 岩體力學參數

2.5.4.3 模型各分層材料用量計算

根據岩層的強度指標，利用相似系數確定模型中相應岩層的力學強度，然後選取配比號，計算各分層材料的用量。根據實際物探揭示采空區的賦存情況，分3種方案，材料用量見表2.2至表2.4。

表2.2 方案一相似材料配比及用量

續表

表2.3 方案二相似材料配比及用量

表2.4 方案三相似材料配比及用量

❿ 相似材料模擬理論

相似模擬實驗是以相似理論為基礎的模型實驗技術，是利用現象或事物間存在的相似和類似等特徵來研究自然規律的一種方法，相似理論的基礎是3個相似定理，相似定理用於指導模型的設計及其有關試驗數據的處理和推廣，並在特定的條件下，根據經過處理的數據建立相應的微分方程。

（1）相似第一定理：相似第一定理認為相似現象的各對應物理量之比應當是常數，這種常數稱為相似常數，凡屬相似現象均可用同一個基本方程式描述。於是相似第一定理又可表述為：相似現象是指具有相同的方程式與相同判據的現象群，其相似指標等於1，而相似准則的數值相同。說明要使模型與原型相似，必須滿足模型與原型中各對應物理量成一定的比例關系，包括幾何相似、運動相似和動力相似。

（2）相似第二定理（Ⅱ定理）：相似第二定理認為約束兩相似現象的基本物理方程可以用量綱分析的方法轉換成相似判據Ⅱ方程來表達的新方程，即轉換成Ⅱ方程，且兩個相似系統的Ⅱ方程必須相同。如果在所研究的現象中，沒有找到描述它的方程，但對該現象有決定意義的物理量是清楚的，則可通過量綱分析運用Ⅱ定理來確定相似判據，從而為建立模型與原型之間的相似關系提供依據，所以相似第二定理更廣泛地概括了兩個系統的相似條件。

（3）相似第三定理（相似存在定理）：相似第三定理認為對於同類物理現象，如果單值量相似，而且由單值量所組成的相似判據在數值上相等，現象才互相相似。所謂單值量是指單值條件下的物理量，而單值條件是將一個個別現象從同類現象中區分開來，即將現象的通解變成特解的具體條件。而單值條件包括幾何條件（或空間條件）、介質條件（或物理條件）、邊界條件和初始條件，現象的各種物理量實質上都是由單值條件引出的。

以上3個定理，是迸行相似模擬實驗的理論依據。根據相似第一定理，便可在模型實驗中將模型系統中得到的相似判據推廣到所模擬的原型系統中；用相似第二定理，則可將模型中所得的實驗結果用於與之相似的實物上；而相似第三定理指出了做模型實驗所必須遵守的法則。