深基坑模型試驗相似材料研究

楊善統，陳 娜，陳飛宇，劉貴應，周 彬

(1.武漢大學 土木建筑工程學院，湖北 武漢 430072;2.中鐵二院重慶勘察設計研究院有限責任公司，重慶 401121)

深基坑模型試驗相似材料研究

楊善統1，陳 娜1，陳飛宇1，劉貴應2，周 彬2

(1.武漢大學 土木建筑工程學院，湖北 武漢 430072;2.中鐵二院重慶勘察設計研究院有限責任公司，重慶 401121)

選擇合適的相似材料是開展模型試驗研究的關鍵。為確定沙坪壩鐵路樞紐工程深基坑模型試驗中用來模擬砂巖和泥巖的相似材料，選取重晶石粉、石膏、甘油和水作為原材料，采用正交試驗法進行配比研究。設計了3種不同的養護方式分析其對相似材料性能的影響，并采用極差分析法研究各種原材料對巖體相似材料力學性能的影響。研究結果表明:用重晶石粉、石膏、甘油和水來模擬砂巖和泥巖是可行的;重晶石粉和石膏對相似材料性能影響最大，甘油次之，水最小;3種不同養護方式下相似材料性能變化較小。通過試驗最終得到綜合性能較為接近的兩組配比來模擬砂巖和泥巖。

模型試驗 相似材料 正交試驗 養護方式 極差分析

巖體的物理模型試驗能夠較為真實地模擬復雜的地質構造及地層組合，從而研究巖體的受力特性、破壞機制等問題。巖體相似材料的研究是物理模型試驗的基礎，選取合理的模型材料及配比對物理模型試驗極其重要［1］。

韓伯鯉等［2］(1997)開發了一種以加膜鐵粉和重晶石粉為骨料，以松香為膠結劑的新型MIB材料，擴大了該項材料的適用范圍。左保成等［3］(2004)采用石英砂、石膏和水泥的混合物模擬灰巖，并添加濃度2%的動物膠作為緩凝劑，研究了在相似材料中骨料與膠結物的配比、膠結物中的膠結材料配比及不同養護方式對相似材料強度的影響規律。王漢鵬等［4］(2006)以鐵精粉、重晶石粉和石英砂作為骨料，石膏作為調節劑，松香和酒精溶液作為膠結劑，研制出一種新型的相似材料鐵晶砂膠結料(IBSCM)。黃平路等［5］(2008)采用重晶石粉、鐵粉、甘油和水4種材料混合制成巖體相似材料，并進行了某鐵礦工程的二維相似模型研究。張強勇等［6］(2008)以鐵礦粉、重晶石粉、石英砂、石膏粉和松香酒精為原材料研制出一種新型鐵晶砂膠結巖土相似材料。該材料具有重度高、低抗壓強度、低彈性模量、性能穩定、無毒無害等優點。

本文以沙坪壩鐵路樞紐工程深基坑模型試驗研究為依托，模擬工程中的砂巖與泥巖兩種巖體材料，主要模擬其重度、抗壓強度、彈性模量、變形模量等參數。通過選擇合適的材料進行正交試驗［7-8］配比研究，并設計不同的養護方案，研究養護方式對相似材料的影響。同時，采用極差分析法［9］研究各種原材料對巖體相似材料物理力學參數的影響，以此指導材料的配比研究。

1 原材料選取

相似材料的選取是物理模型試驗中最重要的部分，相似材料應滿足以下原則:①主要的力學及變形性能與模擬的巖體材料相似;②模型材料的變形模量、彈性模量要有較大的可調范圍;③制作方便，成型容易，凝固成型時沒有大的收縮;④原料來源豐富、價廉易得，易于加工成型;⑤試驗中模型材料的物理力學性能穩定，不因溫度、濕度的改變而產生明顯變化。

通常需根據研究課題的性質尋找滿足主要物理力學參數相似的材料。由相似理論［10］可得到相似材料的物理力學參數，見表1。

表1 巖體相似材料的主要物理力學參數

由于本試驗主要是研究基坑的變形情況，故主要以材料的抗壓強度、彈性模量和變形模量作為測試參數。綜合考慮本試驗原型地質情況、應力狀態、試驗設備、材料價格與性能等因素，選擇重晶石粉、石膏、甘油和水作為原材料進行相似材料試驗研究。其中重晶石

粉是由山東濟南天和建材廠生產，規格為30～60目;石膏為湖北三寶石膏制品有限公司生產的半水纖維白石膏粉;甘油是由廣州廣醇化工科技有限公司生產，純度99.5%。主骨料為重晶石粉，膠結劑為石膏，添加劑包括甘油和水。

2 相似配比試驗

2.1 試件制備與試驗過程

依《水利水電工程巖石試驗規程》(SL264—2001)，單軸壓縮試驗試樣規格取φ50 mm×100 mm。

試件制備方案:每一配比試驗組制備6個試件，在相應養護條件下養護，然后在液壓式萬能試驗機上進行單軸壓縮試驗，試驗結果取除去最大和最小后4個試件數據的平均值。試驗過程如下:

1)對試件的原材料進行研磨、稱量，放入攪拌機攪拌2 min，然后裝入模具中分3次振動密實，每次振動30 s。將制備好的試塊頂部磨平，使之與模具頂面基本持平;

2)1 d后脫模，把試件放在相應養護條件下養護; 3)養護結束后，對試件的上下面進行磨平處理; 4)采用萬能壓縮機做單軸壓縮試驗，壓縮控制方式選擇位移控制模式，加載速率為0.010 mm/s;

5)通過數據處理得到試件的應力—應變曲線及單軸抗壓強度、變形模量等參數。

2.2 試驗方案設計

初選原材料有4個因子，若按照全面組合試驗則試驗次數很多，采用正交試驗可以大大減少試驗工作量。正交試驗從大量試驗因子中選出具有均勻分散、齊整可比的代表點進行試驗，其特點是:每一因子不同水平在試驗中出現的次數相同(均衡性);任意兩因子不同水平組合在試驗中出現的次數也相同(正交性)。

第一批試驗為正交試驗，相似材料正交設計水平如表2所示。采用正交表設計后，進行9組試驗，見表3。養護方案為:自然條件下晾放，每天8:00，15:00，22:00時測量試件質量，直到質量保持恒定，周期為15 d。

表2 相似材料正交設計水平

第二批試驗為養護方式試驗，從第一批試驗中選取較為接近目標配比的兩組配比在3種不同養護方式下進行養護，即砂巖樣3組、泥巖樣3組，共6組。養護方式1為自然條件下晾放15 d;養護方式2為放置在35℃氣溫下，每天8:00，15:00，22:00時測量試件質量，直到質量保持恒定(試驗發現此過程需5 d);養護方式3為35℃氣溫下養護5 d，然后晾放在自然條件下，每天8:00，15:00，22:00時測量試件質量，4 d后質量保持恒定。取砂巖樣組(每組6個試件)繪制試件質量—養護時間曲線，見圖1。

表3 相似材料試驗正交設計表L9(33)

圖1 不同養護方式下試件質量—養護時間關系曲線

第三批試驗，從前兩次試驗中選擇合適的配比及養護方式，并通過極差分析得到各材料因子的影響大小，進而再細分材料等級進行正交試驗，直至找到合適的配比方案。

3 試驗結果及分析

第一批試驗試件物理力學參數測試結果見表4。可知，相似材料的各力學參數測量值分布較廣，基本可以滿足各種巖體材料的要求。其中第3組、第4組同泥巖、砂巖指標較為接近，因此將這兩組配比用作后續試驗。

隨機選取出第6組第2個試件，其應力—應變曲線見圖2。可知，該材料在壓縮過程中經歷了壓密階段、彈性階段、塑性階段和破壞階段。相似材料的單

軸壓縮破壞機理與砂巖、泥巖極為相似，因此選用該相似材料模擬砂巖、泥巖是可行的。

表4 第一批試驗試件物理力學參數測試結果

圖2 模型材料試件的應力—應變曲線

第二批試驗在不同養護方式下的抗壓強度曲線見圖3，其中抗壓強度為每組試驗的平均值。

圖3 不同養護方式下試件的抗壓強度

由圖3可見:①養護方式2對應的試件抗壓強度最大，由于養護方式3對應的試件質量有所增加(增加的成分為水)，養護方式1對應的試件含水量比養護方式2大(參見圖1)，說明含水多的試件強度比含水少的低;②3種養護方式下強度變化不超過0.02 MPa，變化不大，因此為提高試驗效率，第三批試驗養護條件采用35℃氣溫下養護5 d。

采用極差分析法對第一批正交試驗各材料因子進行分析。將材料因子的各水平求平均值，然后用所得平均值求各材料因子的極差，結果見表5。極差大說明該因素的不同水平產生的差異大，是重要因素，對試驗結果的影響明顯。由表5可知，重晶石粉與石膏的極差最大，而且與其他兩項差異較大，說明重晶石粉與石膏是最重要的因素，而甘油的極差次之，水的最小;其中甘油對于重度和抗壓強度的極差約為重晶石粉與石膏的1/4，但對變形模量和彈性模量的極差卻為重晶石粉與石膏的1/2左右，由此可看出甘油對變形模量和彈性模量的影響較為明顯。因此，在材料配比時，優先考慮調節重晶石粉與石膏配比，將之控制在較為接近的范圍，并通過調節甘油含量使結果更為準確。

表5 材料因子極差計算結果

第三批試驗對配比進行了細分，共做了40組試驗，并選取第39組(8∶1，5.2%，9.5%)配比所得材料模擬砂巖，選取第36組(44∶1，5.8%，7.4%)配比所得材料模擬泥巖。所選配比相似材料試件物理力學參數見表6。可見配比所得材料與目標相似材料已較為接近，表明用該相似材料模擬巖體材料是可行的。

表6 相似材料試件的物理力學參數

4 結論

1)以重晶石粉、石膏、甘油和水作為原材料配比所得的相似材料無論是單軸壓縮破壞模式，還是應力應變曲線與砂巖、泥巖材料性能都非常相似，而且相似材料的各力學參數可調范圍較廣，可用來模擬砂巖和泥巖。

2)試驗中3種不同養護方式對材料性能有一定影響，但影響不是很明顯。由極差分析結果可知，重晶石粉和石膏對相似材料的影響最為明顯，其次是甘油，水的影響最小。因此配比試驗優先調節重晶石粉和石膏，然后用甘油進行微調。

3)綜合物理力學各參數，配比所得相似材料與目標值較為接近，可用于砂巖和泥巖的模擬試驗。該相似材料已應用在沙坪壩鐵路樞紐工程深基坑模型試驗第一批試驗中。其性能優越，效果良好。

［1］白占平，曹蘭柱，白潤才.相似材料配比的正交試驗研究［J］.露天采煤技術，1996(3):22-23.

［2］韓伯鯉，陳霞齡，宋一樂，等.巖體相似材料的研究［J］.武漢水利電力大學學報，1997，30(2):6-9.

［3］左保成，陳從新，劉才華.相似材料試驗研究［J］.巖土力學，2004，25(11):1805-1808.

［4］王漢鵬，李術才，張強勇，等.新型地質力學模型試驗相似材料的研制［J］.巖石力學與工程學報，2006，25(9):1842-1847.

［5］黃平路，陳從新.露天與地下聯合開采引起巖層移動規律的模型試驗研究［J］.巖土力學，2008，29(5):1310-1314.

［6］張強勇，李術才，郭小紅，等.鐵晶砂膠結新型巖土相似材料的研制及其應用［J］.巖土力學，2008，29(8):2126-2130.

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［8］于懷昌，余宏明，劉漢東，等.基于正交試驗與運動學的滾石防護計算方法［J］.煤炭學報，2010，35(1):55-60.

［9］董金玉，楊繼紅，楊國香，等.基于正交設計的模型試驗相似材料的配比試驗研究［J］.煤炭學報，2012(1):44-49.

［10］仵鋒鋒，曹平，萬琳輝.相似理論及其在模擬試驗中的應用［J］.采礦技術，2007(4):64-65，78.

Research on similar materials used in model test for deep foundation pit

YANG Shantong1，CHEN Na1，CHEN Feiyu1，LIU Guiying2，ZHOU Bin2
(1.School of Civil and Architectural Engineering，Wuhan University，Wuhan Hubei 430072，China; 2.China Railway Eryuan Engineering Group Co.ltd，Chongqing 401121，China)

Selecting the proper similar materials is the key to carry out model test research.T o determine the similar materials simulating sandstone and mudstone of deep foundation pit model test in Shapingba railway project，the barite powder，plaster，glycerin and water were selected as raw materials and the orthogonal experimental method was adopted for the proportion research.T hree different maintenance modes were designed and their effects on similar material performance were analyzed，and the impact of each raw material on mechanical properties of rock similar materials was studied by adopting range analysis method.T he results indicated that it is feasible to use the barite powder，plaster，glycerin and water to simulate sandstone and mudstone，the barite powder and plaster have the greatest influence on the similar material performance，followed by glycerol，and water has the minimal impact，and similar material performance changes little in different maintenance modes.T wo ratios which have similar comprehensive performance were used to simulate sandstone and mudstone by tests.

M odel test;Similar material;Orthogonal experiment;M aintenance mode;Range analysis

TU458+.4;TU94

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.23

(責任審編 李付軍)

2015-04-15;

:2015-05-26

重慶市應用開發計劃重點項目(cstc2014yykfB30003)

楊善統(1989— )，男，云南龍陵人，碩士研究生。

1003-1995(2015)09-0078-04