隧道及地下工程巖體模型材料研究現(xiàn)狀分析*

夏凱成 馬 靜 王高榮

自20世紀(jì)60年代中期以來,為了更仔細(xì)地了解基巖或圍巖本身及它們對其上或內(nèi)部建筑物的影響,人們開始采用地質(zhì)力學(xué)模型試驗方法進行研究。隧道模型試驗是研究隧道科學(xué)的一個重要手段[2]。與普通的結(jié)構(gòu)模型試驗不同的是,這種試驗需要在模型中模擬建筑物基巖或圍巖的重力及地質(zhì)構(gòu)造,包括巖體中的斷層、破碎帶、軟弱夾層以及節(jié)理裂隙等,使模型盡量地符合實際情況,從而研究基巖或圍巖的變形狀態(tài)、穩(wěn)定條件及其對建筑物結(jié)構(gòu)性能的影響。進行模型試驗前,必須要選擇相似材料。正確地選擇模型材料是能否正確模擬原型的關(guān)鍵。

1 模型材料研究現(xiàn)狀

1.1 概述

根據(jù)相似理論,在模型試驗中應(yīng)采用模型材料來制作模型[4]。模型材料的選擇、配比以及試驗?zāi)Ｐ偷闹谱鞣椒▽Σ牧系奈锢砹W(xué)性質(zhì)具有很大的影響,對模型試驗的成功與否起著決定性作用。在模型試驗研究中,選擇合理的模型材料及配比具有重要意義。模型材料的選擇必須兼顧各個方面,應(yīng)考慮到所有可能影響試驗結(jié)果的因素,權(quán)衡輕重,力求把因材料性質(zhì)而導(dǎo)致的材料畸變減至最低。對于地下工程,應(yīng)對原型材料的物理力學(xué)性能進行全面了解,尤其對工程地質(zhì)條件以及室內(nèi)和現(xiàn)場原位試驗的結(jié)果都應(yīng)了解清楚,使相似材料的研究有針對性。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

意大利等國家的科研單位采用的地質(zhì)力學(xué)相似材料有兩類:一類是采用鉛氧化物和石膏的混合物為主料,以砂子或小圓石作為輔助材料;另一類主要以環(huán)氧樹脂、重晶石粉和甘油為組分,其強度和彈性模量均高于第一類相似材料,但是需要高溫固化,其固化過程中散發(fā)的有毒氣體也會危害人體的健康[6]。

目前,國內(nèi)使用的模型材料主要有以下幾種:1)采用重晶石粉為主料,以石膏、機油、石蠟或凡士林作為膠結(jié)劑,其他材料如石英砂、鐵粉、膨潤土粉等作為調(diào)節(jié)容重和彈模的輔助材料[7-9]。2)采用砂、石膏作為主要材料,其余材料為添加劑[10-13]。3)以加膜鐵粉和重晶石粉為骨料,以松香為膠結(jié)劑[14]。4)隧道襯砌的模擬主要采用石膏、滑石粉、鐵絲等[15,16]。

2 常見模型材料的特點

1)純石膏材料。它屬于氣硬性礦物膠結(jié)料,這種膠結(jié)料通過水化作用的化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)硬化。它的主要特性與石膏粉的磨細(xì)度、摻水量、初凝時間和終凝時間等有關(guān)。所有這些都對相似材料的性質(zhì)有著本質(zhì)的影響。它的性質(zhì)與混凝土比較接近,均屬于脆性材料,抗壓強度大于抗拉強度,泊松比為0.2左右,通過配比調(diào)節(jié)可以得到E=1×103MPa～5×103MPa的材料。該材料具有成型方便、加工容易、性能穩(wěn)定等特點,最適宜做線彈性應(yīng)力模型。此外,石膏材料還具有取材容易,價格低的優(yōu)點。但石膏材料有以下主要缺點:a.在天然環(huán)境中容易吸收空氣中的水分,一旦吸濕受損,就會降低材料強度;b.相似材料對石膏用量敏感,在小比例模型中模擬低強度材料時,石膏用量不易控制。

2)石膏混合材料。應(yīng)用較多的是砂—石膏材料。該材料的特點是強度比相當(dāng)大,其抗壓強度與抗彎強度之比為3～4,抗壓強度與抗拉強度之比為5～8,而強度本身的大小對這些比例關(guān)系的影響不大。濕度的增大會導(dǎo)致強度的顯著下降。

3)以石蠟為粘結(jié)劑的模型材料。這類材料的外加料有重晶石粉、細(xì)石英砂、云母、黏土等。該材料有如下優(yōu)點:各向同性;由于在受熱狀態(tài)下具有較大塑性,制模時便于各層壓實;模型在最后一層壓實后2 h～3 h即可進行試驗;材性不受濕度影響;模型加工制作方便;試驗后材料可重復(fù)使用;材料力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。該材料的缺點為:壓、剪和壓、拉強度之間的相關(guān)性不太好;有時與要求的相似指標(biāo)相比彈性模量過低;塑性較大;液體石蠟價格較高。

4)以機油為粘結(jié)劑的相似材料。以機油為粘結(jié)劑的相似材料強度的時間效應(yīng)比較明顯。試件的成型初期,材料一般表現(xiàn)出較低的強度,由于機油有揮發(fā)性,隨著機油的揮發(fā),材料強度將有顯著提高,同時材料強度隨時間的增長呈明顯的非線性,因此較難預(yù)期了解其強度的變化(見表1)(吳夢軍,2007年)。

表1 機油為粘結(jié)劑相似材料的典型配比和參數(shù)

5)以松香為粘結(jié)劑的相似材料。武漢大學(xué)以韓伯鯉等為首的團隊研制出了MIB材料[4]。該相似材料有重礦石粉末和重金屬粉末。在重礦石粉末中,主要有石英砂和重晶石粉。在重金屬粉末中,以鐵粉作為粗骨料使用較為理想。但須選用新近制作的鐵粉,且須進行防銹處理。膠粘劑宜采用弱膠結(jié)性的膠結(jié)劑,從多種高分子膠粘劑中進行篩選,認(rèn)為松香較好,松香屬于樹脂類膠結(jié)劑,是一種脆性材料,能溶于酒精,對材料不起塑化作用,且膠結(jié)強度可由松香酒精溶液的濃度來調(diào)整,本身性能穩(wěn)定,又價廉易得,是一種合適的膠結(jié)劑。

6)NIOS模型材料。含有主料磁鐵礦晶礦粉、河砂、粘結(jié)劑石膏或水泥、拌合用水及添加劑。作為一種新型的地質(zhì)力學(xué)相似材料,NIOS相似材料可以模擬較大的容重,其彈性模量和抗壓強度等主要力學(xué)指標(biāo)可以在比較大的范圍內(nèi)進行調(diào)整,配制也比較方便,并且其物理化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定,成本低廉,沒有毒性,對操作人員的身體健康和環(huán)境沒有危害,是一種很有前途的相似材料。但干燥太慢是其最主要的缺點[18-20]。

3 相似材料力學(xué)特性的測試

3.1 相似材料彈性常數(shù)的測定

對于均勻的、各向同性的材料而言,彈性模量E和泊松比μ完全可以確定材料的彈性性質(zhì)。對于這兩個參數(shù),可以使用電測法和機械式量測兩種方法。在實際科研中,為了節(jié)省經(jīng)費和節(jié)約時間,在選擇相似材料的初期階段,由于試件多,試驗量大,可先用百(千)分表量測,在基本確定相似材料后,再用電測法較為精確的測定材料的E,μ值。每組試驗的試件不得少于5個。

3.2 單軸抗壓強度的測定

試驗在壓力機上進行。測試前預(yù)先估計一個破壞荷載,然后控制加載速率,使破壞發(fā)生在1 min左右。每組試驗的試件不得少于5個。

3.3 單軸抗拉強度的測定

由于相似材料的抗拉強度一般較低,難以用直接拉伸試驗量測,因此通常采用間接拉伸試驗進行測試。目前使用較多的間接拉伸試驗是劈裂試驗,又稱為巴西試驗。劈裂試驗的試件為一圓盤,它是將經(jīng)加工的圓盤狀(或正方形板狀)試件橫置于壓力機的承壓板間,并在試件的上、下承壓板之間各放置一根硬質(zhì)鋼絲作為墊條,然后加載使試件受壓,試件沿徑向產(chǎn)生張拉破壞,以求其抗拉強度。

3.4 抗剪強度指標(biāo)的測定

相似材料的抗剪強度指標(biāo)c,φ,可用直剪試驗或三軸壓縮試驗進行,這里介紹直剪試驗。

直剪試驗在土力學(xué)直剪儀上進行,計算公式為:

具體作法是:對同一配比的試件,施以不同的正壓力σ,得到相應(yīng)的抗剪強度τ,以σ為橫坐標(biāo),τ為縱坐標(biāo),標(biāo)出 σ和τ;過各點重心作直線,該直線與σ軸的夾角即為材料內(nèi)摩擦角φ,在下軸上的截距為材料內(nèi)聚力c。

也可根據(jù)上式用最小二乘法對所測數(shù)據(jù)進行擬合,直接得到c,φ。每種配比的直剪試驗試件為5個～8個。

4 結(jié)語

模型試驗是根據(jù)一定的相似原理對特定工程問題進行縮尺研究的一種方法,而模型試驗成功與否的首要和關(guān)鍵問題是必須提出滿足相似準(zhǔn)則的相似材料。適用于模型試驗的模型材料較多,但沒有絕對相似的模型材料。在做具體模型試驗時,首先須通過廣泛調(diào)研后進行各原材料的選取和配比設(shè)計,然后通過大量的室內(nèi)試驗測試各模型材料的物理力學(xué)參數(shù),最后根據(jù)相似準(zhǔn)則選取相似程度最好的模型材料,這樣可以更好的模擬實際條件,為工程提供更多的幫助。

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