基于大型隧道圍巖相似材料的配制方法研究

摘要：【目的】通過分析國內研究成果調研公路隧道大型模型試驗的相似材料配比，針對大型隧道圍巖相似材料的配制方法展開研究。研究出一種由重晶石粉、石英砂、白水泥、鐵粉、硅油和水組成的液固耦合相似材料。【方法】通過室內實驗探究不同配比對材料各種物理性質和水理性的影響，并且確定了液固耦合相似材料的具體配比結果。【結果】實驗結果表明，在材料成分含量不變的情況下，白水泥的含量增加會大幅度降低材料的滲透系數，膠結劑會明顯地影響材料的彈性模量和抗壓強度。此外，隨著材料中重晶石粉與白水泥的比例逐漸增加，試驗材料的抗壓強度會逐漸提高，但是當材料中重晶石粉與白水泥的含量達到一定含量時，材料的抗壓強度可能略微降低。在一定范圍內增加重晶石粉與白水泥的比例可以提高材料的彈性模量。抗剪強度受硅油影響明顯。【結論】液固耦合相似材料能夠模擬不同強度具有不同滲透性的巖體材料，是一種理想的相似模擬材料。

關鍵詞：材料配比；影響因素；隧道圍巖；新型液固耦合；力學性質

中圖分類號：TU452；U458.3 文獻標志碼：A

本文引用格式：王渭萍，劉俊，孫洋，等. 基于大型隧道圍巖相似材料的配制方法研究[J]. 華東交通大學學報，2024，41（4）：30-35.

Research on Preparation Method of Similar Materials for

Large Tunnel Surrounding Rock

Wang Weiping1， Liu Jun2， Sun Yang3， Ding Haibin2， Dai Hongtao3， Tong Lihong2

（1. Jiangxi Transportation Investment Group Project Construction Management Company， Nanchang 330000， China;

2. School of Civil Engineering and Architecture， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， China;

3. Jiangxi Transportation Science Research Institute， Nanchang 330052， China）

Abstract： 【Objective】Based on the data of similar material proportions in large-scale model tests of highway tunnels， research on the preparation method of similar materials for large tunnel surrounding rock. Develop a liquid-solid coupling similar material composed of barite powder， quartz sand， white cement， iron powder， silicone oil， and water. 【Method】Exploring the influence of different ratios on various physical properties and water rationality of materials through indoor experiments， and the specific ratio results of liquid-solid coupling similar materials were determined. 【Result】The experimental results indicate that an increase in the content of white cement will significantly reduce the permeability coefficient of the material， while the binder will significantly affect the elastic modulus and compressive strength of the material， while the content of white cement remains unchanged. In addition， as the proportion of barite powder to white cement in the material gradually increases， the compressive strength of the test material will gradually increase. However， when the content of barite powder and white cement in the material reaches a certain level， the compressive strength of the material may slightly decrease. Increasing the ratio of barite powder to white cement within a certain range can improve the elastic modulus of the material. The shear strength is significantly affected by silicone oil. 【Conclusion】Liquid solid coupling similar materials can simulate rock mass materials with different strengths and permeability， making them an ideal similar simulation material.

Key words： material ratio; influencing factors; tunnel surrounding rock; new type of fluid structure coupling; mechanical property

Citation format： WANG W P， LIU J， SUN Y， et al. Research on preparation method of similar materials for large tunnel surrounding rock[J]. Journal of East China Jiaotong University， 2024， 41（4）： 30-35.

【研究意義】該研究對于隧道圍巖領域具有重要參考價值，通過研究確定了一種新型液固耦合相似材料的具體配比，能夠更準確地模擬實際隧道圍巖的物理和力學特性，從而提高大型模型試驗的準確性和預測能力；在節約成本和資源方面，通過優化材料配比，不僅可以節約成本，還可以減少不必要的材料浪費和環境污染，符合可持續發展的理念；在技術創新領域，該研究推動了隧道工程技術的發展，為解決復雜地質條件下的隧道工程問題提供了新的思路和方法。總之，該研究對于提升隧道工程的安全性、經濟性和環境友好性具有重要的理論和實踐意義。

【研究進展】隨著相似理論及技術的發展，董金玉等[1]學者通過選取不同的材料和配比模擬各種類型的巖石。楊昌艷等[2]選取重晶石粉、石膏、細砂、水模擬軟弱圍巖材料。任松等[3-4]采用鹽和鐵粉作為試驗骨料，環氧樹脂和乙二胺等作為黏合劑，制備了用于模擬鹽巖蠕變的相似材料配比，分析了不同應力狀態和溫度對鹽巖蠕變特性的影響。王漢鵬等[5]學者研究了以水泥、石膏與碳酸鈣作為膠結劑，以重晶石與石英砂作為骨料做成相似材料，得出快速配比方法。張強勇等[6]學者通過一系列試驗，最終得出了以石英砂、鐵粉、重晶石粉、石膏粉為試驗骨料，油樹脂及乙醇為膠凝劑，此種實驗方案具備高密度，材料抗壓強度及彈性模量低等一系列特殊材料特性。

李術才等[7]學者通過大量的配比試驗，他們以砂、重晶石粉、滑石粉為骨料，水泥、凡士林為膠結劑，硅油作為調節劑研制成流-固耦合相似材料，并成功地應用于青島膠州灣海底隧道地質力學模型試驗，為相似材料在實際工程中的應用提供了參考。尹相杰[8]考慮高應力及高水壓作用下的液固耦合準則，根據液固耦合相似準則，研制出了符合液固耦合相似材料。段少龍[9]做了海底隧道斷層圍巖塌方失穩判據及災變演化規律研究。相似材料模擬是一種常用的研究方法，它通過模擬真實圍巖的物理和力學特性，給地下隧道工程提供了很多理論參考。

【創新特色】本文在前人研究的基礎上，利用正交試驗設計方法進一步對液固耦合相似材料進行研究，通過大量試驗配置了一種價格合理、制作簡便且滿足隧道圍巖力學和水理性質的新型液固耦合相似材料。【關鍵問題】研制出能夠模擬大型模型試驗的相似材料，并利用該相似材料開展模型試驗，為隧道突水突泥等災害方面提供參考。

1 相似材料試件的制作

1.1 原材料的選取

根據現階段已有的研究，液固耦合材料可以按照功能劃分為集料，膠凝材料和有機化合材料三個部分。其中，集料和膠凝材料在材料的框架里起著主要的作用，而有機化合材料在框架中起著次要的輔助作用[10]。

在隧道模型試驗中，常用的相似材料主要由以下組成成分、抗壓強度和主要特點構成，如表1所示。在軟弱圍巖中的液固耦合材料一般由這些材料組成，骨料主要有鐵粉、石英砂、重晶石粉等[11]；膠結材料主要有石灰、石膏、白水泥、甘油、樹脂等[12]。骨料按粒徑通常分為粗骨料和細骨料，粗骨料通常是指粒徑大于4.75 mm的巖石材料，一般為碎石、卵石；細骨料通常是指粒徑小于4.75 mm的材料，比如河砂、礦砂、海砂等，選擇石英砂、精鐵粉和重晶石粉作為骨料。精鐵粉具有較大的比重，這意味著在相似材料中使用精鐵粉作為骨料可以模擬原材料的重量和密度，精鐵粉的質地堅硬，使得相似材料具有一定的強度和穩定性，能夠承受一定的應力和變形[13]。

在深長隧道[14-18]中石英砂的選取主要是考慮到它硬度比較大能夠有效提高材料的抗壓強度和耐久性，石英砂表面光滑且細小，能夠減小材料內部的空隙，石英砂還具有良好的化學穩定性。選取重晶石粉主要考慮的是它能增強材料的強度和硬度改善耐久性。膠結材料選擇白水泥和水，白水泥作為日常生活中比較常見的黏結材黏結具備一定的附著力和黏性。硅油是一種無毒且環保的材料，具備優良的剪切安定性，在低溫下可長期穩定存在，本文選擇硅油作為調節劑。

1.2 試樣的制備

原材料有石英砂、重晶石粉、細鐵粉、白水泥、硅油和水。本實驗采用直徑為0.15～0.21 mm的石英砂，重晶石粉的粒徑為30～48 μm，細鐵粉的粒度為10～44 μm，白水泥的型號是AL-88。原材料有石英砂、重晶石粉、細鐵粉、白水泥、硅油和水。在實驗設計中以骨料、凝結材料和硅油作為正交實驗的3個因素，每個因素設置3個水平，具體相似材料配比方案見表2。

將配比好的所有材料倒入攪拌機中進行攪拌混合，增強拌合料的流動性，便于試塊的澆筑，攪拌15 min即可裝模，模具是直徑50 mm，高100 mm的圓柱形，在裝模之前，圓柱形模具里面涂一層凡士林方便后續脫模，然后將拌料裝入模具用擊實錘進行分層壓實。養護階段試將圓柱形試塊放在室內14 d，用布蓋住澆水養護即可得到試樣。最終通過室內試驗選取組別1、組別5、組別9作為最優相似材料配比方案（方案1、方案5、方案9）。

2 影響相似材料性質的分析

2.1 滲透系數影響因素分析

相似材料的水理性質中，滲透系數是一個重要的特征指標。滲透系數描述了材料的滲透性能，即水分通過材料的能力。在液固耦合相似材料的試驗中，假設實驗材料的滲透性較小，水的流量也會較小，導致水位難以控制。為了解決這個問題，采用GDS空心圓柱扭剪儀進行滲透系數的測試。相似材料的滲透性主要與膠結劑的含量有關。圖1為白水泥對滲透系數影響的關系曲線，3條曲線分別代表方案1、方案5、方案9。其中方案1白水泥的含量越大，滲透系數越小，當水泥含量為14%時，相似材料的滲透系數為4.8×10-6，白水泥含量繼續增大，直至達到32%時，相似材料的滲透系數下降為3.7×10-7。從圖1可以看出方案1的滲透系數小于方案5小于方案9，隨著水泥的含量越大，滲透系數越小，但當水泥含量達到28%時，方案1、方案5、方案9的滲透系數大小幾乎相等。根據以上結果可以看出，材料的滲透性受水泥控制比較明顯，符合材料的水理特性。

2.2 抗壓強度影響因素分析

相似材料的物理性質中，強度性能是一個重要的特征指標。在試驗里液固耦合相似材料的組成中，膠結材料對試驗的強度性能有一定程度轉換，通過調節液固耦合材料中白水泥的比例，會直接影響材料的抗壓強度。如圖2所示，3條曲線分別代表了方案1、方案5、方案9。進行室內試驗時，在液固耦合材料中，隨著白水泥在液固耦合材料中的比例增大，液固耦合相似材料的抗壓強度會呈現一個先增大后減小趨勢，在白水泥含量為36%時出現拐點。由此可以得出，在一定比例的情況下，液固耦合相似材料抗壓強度與白水泥含量呈正相關關系。

2.3 彈性模量影響因素分析

相似材料的物理性質中，彈性模量對材料的影響是直接的。在相似材料組分中，骨料對彈性模量的影響非常明顯，調節骨料的含量，對相似材料的彈性模量有顯著影響。首先能增加相似材料試件強度，進而增加了相似材料的彈性模量。其中相似材料的基本力學試驗是通過SANS電液伺服萬能試驗機進行的。圖3為重晶石粉與白水泥的比例對材料抗壓強度和彈性模量的影響曲線。從圖3中可以看出：隨著重晶石粉與白水泥的比例增大，相似材料的彈性模量一直增大；抗壓強度先增大后減小，在比例為2.0時出現拐點。由此可以得出，在一定比例的情況下，液固耦合相似材料彈性模量和抗壓強度都與重晶石粉與白水泥比例呈正相關關系。

2.4 抗剪強度影響因素分析

相似材料的物理性質中，抗剪強度是一個重要的調整指標。在相似材料組成中，硅油的占比對相似材料的抗剪強度有著一定的影響。根據如圖4所示中的含量變化曲線，相似材料的抗剪強度隨著硅油含量的增加呈現先增后減再增加的趨勢，在硅油含量為5%出現拐點，超過5%時抗剪強度急劇下降，在8%到達最小值，超過8%時又急劇上升。由此可以看出硅油含量對液固耦合相似材料的抗剪強度有著顯著性影響。由圖4可以看出，在壓力為100 kPa條件下的液固耦合相似材料的抗剪強度是要大于壓力在50 kPa時的抗剪強度。

3 結論

本文通過相似材料配比實驗，通過實驗取得的結果，得出以下結論。

1） 通過配比試驗研制出一種能滿足模型試驗強度、滲透系數等相似要求的新型液固耦合相似材料，該材料由鐵粉、石英砂、重晶石粉、白水泥和硅油組成。

2） 白水泥含量對新型液固耦合材料的抗壓強度和滲透系數有顯著性影響，硅油含量對材料的抗剪強度有顯著性影響 。

3） 在試驗方案1中重晶石粉與白水泥比例的增加，試塊的抗壓強度和彈性模量都會增加，但當重晶石粉過多時試塊材料的抗壓強度會減小，試塊的彈性模量還是保持增加。

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第一作者：王渭萍（1983—），女，高級工程師，研究方向為公路與橋梁。E-mail：270368753@qq.com。

通信作者：孫洋（1988—），男，正高級工程師，博士，研究方向為巖土與地下工程。E-mail：530351828@qq.com。