高溫高濕環境下膨脹巖巷道圍巖濕度場相似材料模型試驗研究

刁心宏，張 新，2，陳 力，章 坤，陳志亮

（1.華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌330013;2.江西嘉圓房地產開發有限責任公司，江西 南昌330006）

高溫高濕環境下膨脹巖巷道圍巖濕度場相似材料模型試驗研究

刁心宏1，張 新1，2，陳 力1，章 坤1，陳志亮1

（1.華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌330013;2.江西嘉圓房地產開發有限責任公司，江西 南昌330006）

通過相似材料模型試驗，對高溫高濕環境作用下巷道圍巖在不同密度、不同初始含水量時的含水量及其分布情況進行了研究。試驗結果表明，水分在巷道圍巖中呈類層狀向圍巖內部遷移；圍巖密度越小，含水量增量越大,水分遷移范圍越大；初始含水量越小，含水量增量越大，但水分遷移范圍越小；巷道上部圍巖水分遷移范圍比下部小。

膨脹巖；濕度場；相似材料模型試驗；高溫高濕環境

在礦業資源開采過程中，常常會遇到膨脹巖此類特殊的軟巖，由于井下巷道作業往往處于高溫高濕環境中，膨脹巖遇水易膨脹變形，其產生的膨脹力會對巷道圍巖及巷道支護結構產生破壞作用，因此對該類圍巖支護提出了更高的要求。針對此類軟巖設計更合理的支護結構，需要對膨脹巖吸濕膨脹引起的膨脹力進行計算分析，而膨脹力的大小又與膨脹巖的濕度變化息息相關，故有必要對巷道圍巖在高溫高濕環境中濕度的分布情況進行探討。近年來，相關學者對膨脹巖吸濕膨脹特性進行了一些研究，在繆協興等[1-2]提出濕度應力場理論的基礎上，李康全、盧愛紅等[3-4]都在膨脹巖增濕變形研究方面取得了一定的的進展。其中盧義玉等[5]對煤礦中膨脹巖的鉆孔縮頸分析中指出，濕度場的影響度遠大于地應力場。由此可見，濕度場的研究有著重要的意義。而在目前濕度場的研究成果中，只考慮對煤層巷道圍巖進行的水力掏槽[6]、鉆孔等施工用水的影響所引發的軟化和變形問題[7-8]，卻忽略了巷道空間高溫高濕的環境因素，研究該環境中在不同的圍巖初始含水量和密度情況下，水分向圍巖四周遷移及圍巖濕度分布規律，對于完善膨脹巖巷道濕度場理論具有重要意義。

1 相似材料模型試驗設計

1.1 相似材料配制

試驗以江西省地區的膨脹性巖石為研究對象，相似材料采用細沙和膠結材料配制，砂膠比為1∶1，膠結材料由石膏、膨潤土、高嶺石和淀粉組成，石膏：膨潤土：高嶺土的比例為2∶1∶1，淀粉按相似材料總重量的1.5%添加[9]。結合劉禮成、曲永新等國內學者提出的膨脹判別標準[10]進行試驗指標的驗證，其滿足膨脹巖相似材料的要求，見表1。

需要說明的是，本文是研究水分在膨脹巖中的遷移規律，根據相似材料模型試驗的原則，原型中膨脹巖的吸水性與模型中相似材料的吸水性應當滿足相似性。但由于實際的膨脹巖取樣、制樣非常困難，要檢測實際膨脹巖吸水性指標則更加困難；因此，本次試驗暫不考慮原型和模型吸水性的相似性。實際上，兩者吸水性相似比的不同，僅僅會影響水分在圍巖中的擴散深度，對水分的分布特征和含水量等值線形狀沒有明顯影響。

表1 相似材料基本指標Tab.1 Basic indexes of the similar material

1.2 試驗儀器儀表

試驗采用空氣加濕器釋放氣態水以調節巷道內的濕度，用加熱片調節巷道內的溫度，設備的運行通過溫濕度控制器控制，以滿足試驗中開挖工作面所需濕度和溫度的要求。

圍巖濕度采集傳感器采用濕敏電阻HR202，該傳感器利用其中的黑色電阻導體上涂抹的一層均勻高分子材料吸收水分，通過電阻的變化來反應含水量的大小，在濕敏電阻的兩端用焊接線連接到測試設備上即可使用，其中測試設備選用土壤含水量傳感器阻抗測量儀[11]。

1.3 相似材料模型尺寸

試驗模型尺寸為長×寬×高=90 cm×30 cm×90 cm，模擬巷道形狀為三心拱形，拱半徑R=6 m，斷面形式如圖1所示。其幾何相似比為1∶20，容重相似比為1∶1，時間相似比為1∶1，強度相似比為1∶20。本試驗主要研究圍巖含水量與圍巖密度及初始含水量的關系，不施加外荷載，即忽略原巖應力的影響。

圖1 巷道尺寸（mm）Fig.1 Roadway size(mm)

圖2 測點布置示意圖Fig.2 Test points arrangement

1.4 測點布置

鑒于巷道的對稱性，巷道圍巖濕度量測傳感器探頭只需布置在巷道一側即可。傳感器探頭分別布置在巷道的正上方（L1）、斜上方45°（L2）、側墻中部（L3）、斜下方45°（L4）和正下方(L5),共計5條測線，其中每條測線各布置5個測點，其間距均為4 cm（如圖2）。

1.5 試驗方案

擬進行了3組試驗，將巷道內溫度控制在32～35℃12]，相對濕度（RH）則控制在94%～97%。圍巖初始含水量分別考慮12%和18%兩種情況；密度分別為高低兩種情況即1.53 g·cm-3和1.8 g·cm-3。試驗方案詳見表2。

表2 模型試驗方案Tab.2 Model test schemes %

2 模型試驗

1）模型架組裝：首先將模型架組裝固定，安裝模板（表面覆蓋有塑料薄膜），模型的正面一側為巷道開挖洞口，背面一側為帶探頭測孔的測量區域（見圖3）。正面的模板分兩次安裝，第一次安裝30 cm高度，方便填筑材料。組裝完畢后，在模型架你安裝的地面鋪設2 cm厚的細沙，再將模型放置到鋪設好的細砂上使其平穩。

圖3 模型試驗架（mm）Fig.3 Model frame（mm）

2）材料拌合：嚴格按照配比清單準備每次填筑的材料各組分重量，混合后進行充分拌合，相似材料分6次拌合，每次20.66 kg。

3）模型填筑：為防止出現壓實不均勻現象，每次拌合好的材料分3次進行填筑，按既定的密度壓實后方可進行下一次填筑。

4）量測傳感器安裝：當填筑到探頭的布置位置時，及時安裝含水量探頭，線圈感應面朝巷道方向。

5）靜置養護：對模型進行保濕養護，以使模型材料含水量均勻，同時要防止水分蒸發。

6）巷道開挖：嚴格按照試驗設計尺寸進行巷道開挖，防止超挖。

7）數據采集：按照試驗方案嚴格控制巷道內的溫度與濕度，每10 min采集一次數據，連續進行14 h[13]量測，即完成一個模型試驗。試驗模型開挖前及環境模擬測試裝置見圖4。

3 試驗結果分析

按照試驗方案，開挖并保持開挖工作面空間濕度、溫度，14 h后，采集各測點的含水量。表3為巷道上部（L1）和下部（L5）含水量的最終結果。將采集數據通過Surfer 8.0軟件繪制出巷道圍巖最終濕度場云圖，如圖5～圖7所示。

表3 含水量測試結果Tab.3 Test results of moisture content %

圖4 填裝后的試驗模型Fig.4 Filled test model

圖5 方案1濕度場分布Fig.5 Humidity field of test scheme 1

圖6 方案2濕度場分布Fig.6 Humidity field of test scheme 2

圖7 方案3濕度場分布Fig.7 Humidity field of test scheme 3

在試驗方案Ⅰ中，巷道拱頂部含水量達16.0%，相對初始值12%增加了4.0個百分點，而底部的含水量達到16.9%，增加了近4.9個百分點。在試驗方案Ⅱ中，巷道拱頂部含水量達20.3%，相對初始值18%增加了2.3個百分點，而巷道底部的含水量達20.2%，增加了2.2個百分點，兩者相差不大。在試驗方案Ⅲ中，巷道拱頂部含水量達15.3%，相對初始值12%增加了3.3個百分點，而底部的含水量達16.0%，增加了4.0個百分點。

根據3個試驗所得濕度場結果可見，高溫高濕環境下產生的圍巖濕度（增量）呈現類層狀向外擴展的特征，巷道上部遷移范圍小于巷道下部。巷道上部遷移范圍小于巷道下部，是由于水蒸氣凝結成小水珠滴落在巷道底部，接受的水分更多，同時水分也受到重力影響。此外，濕度場數據顯示，監測14 h后，巷道周邊部位的含水量均未達到飽和狀態。

方案Ⅰ與方案Ⅱ對比可見，當初始含水量一定時，位于巷道圍巖表層的含水量增量前者大于后者，表明低密度圍巖在高溫高濕環境下所受影響比高密度圍巖大，即圍巖密度越小，含水量增量越大。對比方案Ⅱ與方案Ⅲ可知，當密度一定時，位于對巷道圍巖表層的含水量增量，前者小于后者，表明在高溫高濕環境下初始含水量小的圍巖比初始含水量大的圍巖所受影響更大，即初始含水量越小，含水量增量越大。

4 結論

通過模型試驗,詳細研究了不同初始含水量以及不同密度兩種情況下，高溫高濕環境引起的膨脹性圍巖含水量變化情況，表明膨脹巖巷道圍巖含水量受高溫高濕環境影響明顯，在膨脹巖巷道圍巖周邊的膨脹力計算時應該予于考慮。

高溫高濕環境引起的圍巖含水量變化規律是：

1）水分在巷道圍巖呈類層狀向外遷移；

2）圍巖密度越小，含水量增量越大，水分遷移范圍越大；

3）初始含水量越小，含水量增量越大，水分遷移范圍越大；

4）巷道上部圍巖水分遷移范圍小于下部圍巖水分遷移范圍。

用相似模型試驗方法研究高溫高濕環境下膨脹巖濕度場，在國內外尚無研究報道，需要不斷摸索和試驗，本文即是在此方面進行的一次探索性研究。本試驗研究暫未考慮原型與模型吸水性的相似性，其結果會對巷道圍巖因高溫高濕環境引起的圍巖濕度變化的深度產生一定影響，但對圍巖中水分的分布特征和含水量等值線形狀不會有顯著影響。

下一步的試驗研究，擬重點研究考慮實際膨脹巖與相似材料吸水性相似（即兩者吸水強度相似）情況下，由于高溫高濕環境引起的膨脹性圍巖濕度變化的規律，從而可根據相似材料模型試驗結果推測實際圍巖濕度場分布規律。

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[2]繆協興.用濕度應力場理論分析膨脹巖巷道圍巖變形[J].中國礦業大學學報，1995，24（1）：58-63.

[3]李康全，周志剛.基于濕度應力場理論的膨脹土增濕變形分析[J].長沙理工大學學報，2005，2（4）：1-6.

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[5]盧義玉，侯吉峰，等.濕度應力場作用下煤礦穿膨脹巖鉆孔縮徑規律研究[J].采礦與安全工程學報，2014，31（3）：470-475.

[6]朱萬成，魏晨慧，張福壯，等.流固耦合模型用于陷落柱突水的數值模擬研究[J].地下空間與工程學報，2009，5（5）：928-933.

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Research on Humidity Field in Swelling Wall-rock of Roadway in Hot and Humid Environment by Similar Material Model Test

Diao Xinhong1，Zhang Xin1，2，Chen Li1，Zhang Kun1，Chen Zhiliang1
(1.School of Civil and Architectural Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013, China；2.Jiangxi Jiayuan Real-estate Development CO.，LTD.，Nanchang 330006,China)

By the similar material model test，the moisture content and its distribution in swelling rock of a roadway in hot and humid environment is respectively discussed under different densities and different initial moisture situations.The following are the test results:the water migration in the surrounding rock presents lamellar structure;the smaller of the initial density is,the greater the moisture increment and the migration range will be; the smaller the initial moisture content is,the greater the increasing moisture will be,while the smaller the migration range will be at the same time;the maximum range of water migration in the top of roadway is lesser than that the bottom.

swelling rock；humidity field；similar material model test；high temperature and humidity environment

TD3

A

1005-0523（2015）04-0033-05

(責任編輯王建華)

2015－09-15

國家自然科學基金項目（51168014）；江西省自然科學基金項目（2010GZC0023）

刁心宏（1961—），男，教授，博士，研究方向為巖土工程、道路與鐵道工程。