不同制樣方式下巖性相似材料配合比的研究

彭 璐 王萬鵬 王傳樂

(1.解放軍理工大學國防工程學院，江蘇 南京 210007； 2.西北核技術研究所，陜西 西安 710024)

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不同制樣方式下巖性相似材料配合比的研究

彭 璐1,2王萬鵬2王傳樂1

(1.解放軍理工大學國防工程學院，江蘇 南京 210007； 2.西北核技術研究所，陜西 西安 710024)

以某砂礫巖介質為研究對象，介紹了相似材料研制需具備的條件，對相似材料在靜態壓實和動態夯實兩種制樣方式下的材料參數進行了測量，實驗結果表明，試樣的制備方式對相似材料配合比的選擇有較大影響。

相似材料，靜力壓實，動態夯實，配合比，三軸壓縮

1 概述

地質力學模型實驗是采用相似原理對巖土工程問題進行研究的一種實驗手段，目前已廣泛應用于隧道、邊坡、基坑等巖土工程領域的研究中，而相似材料作為模型實驗關鍵技術也取得較為豐碩的成果。馬芳平等[1]研制出了NIOS相似材料，該相似材料彈性模量和抗壓強度等主要力學指標均可在比較大的范圍內調整。韓伯鯉等[2]采用加膜鐵粉和加膜石英砂、重晶石粉、松香酒精溶液為原料研制出MSB材料，其中，加膜用的膠粘劑采用氯丁橡膠溶劑。該材料高容重、低強度、低變形模量、絕緣性好且砌塊接縫處理容易，試驗模型制作較為方便。彭海明等[3]選用水泥石膏為原料開展了相似材料的研究，該相似材料與巖石的結構及破壞方式類似，在巖石破壞研究方面有一定優勢。李術才等[4]研制出一種由水泥、凡士林、硅油、砂、重晶石粉、滑石粉、水為原料，用于流—固耦合模型試驗的相似材料，并在青島膠州灣海底隧道的地質力學模型實驗中得到很好的應用。本文以某沙礫巖介質為研究對象開展相似材料的研制，并對不同制樣方法下相似材料的配合比及材料參數進行研究，實驗結果表明，制樣方法對配合比的選取有一定影響。

2 相似條件

模型和原型必須滿足相似原理，模型的實驗結果才能反映到原型上以指導實踐。根據相似理論，模型和原型必須滿足幾何相似、邊界條件相似、載荷相似以及材料各參數的相似。在地質力學模型實驗中，令無量綱物理量相似比尺和密度相似比尺等于1，即：

Cμ=Cε=Cφ=Cγ=1

(1)

根據推導，模型和原型必須滿足以下相似準則：

(2)

其中，Cγ為重度相似常數；CL為幾何相似常數；Cσ為應力相似常數；Cε為應變相似常數；Cδ為位移相似常數；CE為彈性模量相似常數；Cμ為泊松比相似數；Cc為粘聚力相似常數；Cφ為內摩擦角相似常數。

原型所在場地介質參數如表1所示，模型實驗中取幾何相似比1∶20，經過計算，模型的材料參數見表1。

表1 相似材料

3 相似材料研制

要求研制的相似材料具備以下條件：1)均勻、各向同性，主要的物理力學參數與原型相似；2)材料的配比可調，以改變材料的力學性能，適應不同相似條件的需要；3)材料的性能穩定，不易受外界條件(濕度、溫度)的影響。綜合考慮以上因素和實驗條件，選取重晶石粉、膨潤土、砂作為基本材料，選用機油作為膠結劑進行相似材料的研制。

3.1 試樣制作

對于由散料攪拌而成的試驗材料有兩種成型方式：一種為靜態壓制，即采用恒定荷載對填制的散料進行壓制，到規定的時間后卸除荷載；另一種為動態夯實，即采用重錘對散料進行夯實，到指定的密度后夯實停止。在進行相似材料的研制時，應根據實驗模型的成型方式選擇材料實驗試樣的成型方式。為了研究成型方式對相似材料配合比選取的影響，本文研究了靜態壓實和動態夯實兩種成型方式下的相似材料參數。靜態壓實的優點是壓實載荷確定，材料壓制得較為均勻，但每次壓制的材料厚度較小；動態夯實的優點是材料一次壓制厚度較大，在材料均勻上較靜態壓制有所不足。采用三瓣式模具制樣，如圖1所示，該模具能有效減小拆模對試件的損壞。試樣制作時采用分層成型方式，為了使層與層之間不出現層縫，層與層之間刨毛處理。試樣直徑70 mm，高140 mm，見圖2。

3.2 材料物理力學參數測試

需要測試的材料參數有：密度、彈性模量、泊松比、粘聚力和內摩擦角。容重通過散料裝入量與成型后體積求得；彈性模量、泊松比、粘聚力和內摩擦角通過三軸壓縮實驗獲得。

4 數據分析

4.1 靜力壓制試樣

靜態制樣試樣采用的壓力為0.45 MPa，分5層壓制，每層壓制15 min。選取三種材料配合比進行實驗，周圍壓力按10 kPa，30 kPa，50 kPa，70 kPa施加。實驗測得的各組配比的物理力學參數見表2，表2中數據均為三次實驗的平均值。

表2 三軸實驗結果

從表2可見，在相同壓力作用下，不同配合比壓制成型后的試樣密度有所不同，砂和重晶石粉的含量越高，試樣的密度越大。材料的彈模、粘聚力、內摩擦角和密度有一定關系，試樣的密度越大，材料彈性模量、粘聚力及內摩擦角越大。與相似材料目標參數相比，序號2配合比參數滿足相似材料要求。

4.2 動態夯實試樣

將砂、膨潤土、重晶石粉和機油作為實驗因素，采用均勻設計法對原材料進行配方實驗設計，選取11組配方進行三軸壓縮實驗，周圍壓力按50 kPa，100 kPa，120 kPa，150 kPa施加。實驗測得的各組配比的物理力學參數見表3。

表3 均勻設計配方及測試結果

由表3可見，膨潤土所占比重越大，材料的彈性模量、粘聚力、內摩擦角越大。當膨潤土/(博湖砂+重晶石粉)<33.3%時，膨潤土所占比重越小，材料的泊松比越小。與相似材料目標參數相比，序號6配合比滿足相似材料要求。

4.3 實驗結果對比分析

對比兩種三軸試樣制樣方法，夯實制樣下試樣密度能得到很好的控制，靜態壓制制樣方法壓制的試樣則比較離散。靜態壓制方法下，材料彈性模量、粘聚力及內摩擦角和壓制的材料密度有關，密度越大，相應的材料參數越大。動態夯實方法下，材料的彈性模量、粘聚力、內摩擦角則隨膨潤土比重的增大而增大。兩種制樣方法最后獲得的材料配合比也有所區別。

5 結語

本文采用靜態壓實和動態夯實兩種試樣制備方法進行相似材料的研制，實驗表明，當基本原料選定后，試樣的制備方式對相似材料配合比的影響很大，在選擇材料試樣制備方式時，應根據試驗模型的成型方式選擇材料試樣的制備方式。

[1] 馬芳平,李仲奎,羅光福.NIOS模型材料及其在地質力學相似模型試驗中的應用[J].水力發電學報,2004,23(1):48-51.

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

[3] 彭海明,彭振斌,韓金田，等.巖性相似材料研究[J].廣東土木與建筑，2002(12):13-14.

[4] 李術才,周 毅,李利平，等.地下工程流—固耦合模型試驗新型相似材料的研制及應用[J].巖石力學與工程學報,2012,31(6):1128-1137.

Research on the mixture ratio of lithology similar materials under different sample preparation methods

Peng Lu1,2Wang Wanpeng2Wang Chuanle1

(1.InstituteofNationalDefenseEngineering,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China; 2.NorthwestInstituteofNuclearTechnology,Xi’an710024,China)

Taking a sandy conglomerate media an the research object,this paper introduced the conditions for similar materials development,measure the parameters of triaxial compression experiment samples of similar material in the condition of compaction and ramming.Based on the results of experiments,specimen-preparing methods have some effect on the choosing of mixture ratio.

similar material,compaction,ramming,mixture ratio,triaxial compression

1009-6825(2016)29-0104-02

2016-08-03

彭 璐(1983- ),男，碩士，工程師； 王萬鵬(1975- ),男,高級工程師； 王傳樂(1990- ),男，在讀碩士

TU455

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