存在于自然界中的岩体通常包含多种岩石和复杂的地质构造关系,因此对岩体工程问题的研究存在不小的困难,地质力学模型试验是研究岩土工程问题经常采用的手段。地质力学模型试验设备和相似模拟材料是开展模型试验的前提和保证。以往有水参与的模型试验多为间接用裂隙描述水力贯通,直接用水的试验较少,难以反映水岩软化效应。软弱夹层由于其自身存在的软弱性,往往对岩土工程的稳定性产生不利的影响,软弱夹层中含水更会加剧岩土工程的不稳定性,所以针对含水软弱夹层的基础性研究对地下岩土工程的施工和维护具有重要的现实意义。本文主要基于山东省自然科学基金项目“含水软弱夹层地下洞室长期稳定性研究”和“倾斜层状岩体中含软弱薄夹层洞室长期流变稳定性研究”,在前人研究的基础上,研制了一套可应用于含水软弱夹层地下洞室模型试验的设备和两种相似模拟材料,重点关注了相似材料的力学性能和水理性质。本文的主要研究内容和结论具体如下:(1)本文首先介绍了相似理论的主要内容和发展过程,在此基础上利用方程分析法对相似理论作了适当的推导,最终得到适用于固体模型试验的部分相似准则。考虑到含水软弱夹层地下洞室模型试验中有水的参与,又研究了流固耦合模型试验相似准则,为以后的模型试验提供理论依据。(2)研制了一套可用于含水软弱夹层地下洞室模型试验的设备。该设备主要由模型架、液压加载系统、无接触测量系统和洞室开挖自动化系统构成。与传统模型试验设备相比,除了可进行一个大模型试验之外,经过简单的拆装,可以同时进行两个小模型对比试验,这对于模型试验的基础性研究具有重要的意义。洞室开挖自动化系统可以实现对洞室的定量开挖、及时排屑、临时支护和实时监测,大大降低了人工开挖对模型试验产生的不利影响。对受力最多的模型架进行了静力分析,由分析结果可知,设计的模型架稳定性较好,可以满足模型试验的要求。(3)以相似理论为基础,研制了非亲水性相似材料,作为含水软弱夹层地下洞室模型试验的主岩体材料。该材料以40目河砂为骨料,以水泥、石膏为胶结材料,有机硅溶液作为辅助材料。利用正交试验方法展开具体研究,试验中设置3个因素(砂胶比、水泥石膏比、有机硅溶液浓度),每个因素下有4个水平,共16组试验。通过对每组试件进行单轴压缩、劈裂、吸水性、软化性、渗透性、膨胀性等试验,得到相似材料的力学性能和水理性质指标。利用极差分析法和各因素敏感性分析得到不同因素对相似材料指标影响程度及趋势。(4)亲水性相似模拟材料作为含水软弱夹层地下洞室模型试验的软弱夹层材料。该材料以40目河砂为骨料,以石膏、高岭土为胶结材料,普通黄豆面、801胶作为辅助材料。正交试验中同样设置3个因素(砂胶比、膏土比、黄豆面含量),每个因素有4个水平,共16组试验。通过对每组试件进行单轴压缩、劈裂、吸水性、软化性、渗透性、膨胀性等试验,得到相似材料的部分力学性能和水理性质指标。利用极差分析法和各因素敏感性分析得到不同因素对相似材料指标影响程度及趋势。(5)含水软弱夹层地下洞室模型试验的目的是研究含水软弱夹层和主岩体的长期稳定性,重在基础规律性探索,所以本文研究的亲水性和非亲水性相似材料不针对某个具体的工程项目,本文研究的相似材料对今后类似的相似材料研究有一定的参考意义。