不同制樣方式下巖性相似材料配合比的研究

彭 璐 王萬(wàn)鵬 王傳樂(lè)

(1.解放軍理工大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007； 2.西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024)

?

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(wàn)鵬2王傳樂(lè)1

(1.解放軍理工大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007； 2.西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024)

以某砂礫巖介質(zhì)為研究對(duì)象，介紹了相似材料研制需具備的條件，對(duì)相似材料在靜態(tài)壓實(shí)和動(dòng)態(tài)夯實(shí)兩種制樣方式下的材料參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，試樣的制備方式對(duì)相似材料配合比的選擇有較大影響。

相似材料，靜力壓實(shí)，動(dòng)態(tài)夯實(shí)，配合比，三軸壓縮

1 概述

地質(zhì)力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)是采用相似原理對(duì)巖土工程問(wèn)題進(jìn)行研究的一種實(shí)驗(yàn)手段，目前已廣泛應(yīng)用于隧道、邊坡、基坑等巖土工程領(lǐng)域的研究中，而相似材料作為模型實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)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(qiáng)度等主要力學(xué)指標(biāo)均可在比較大的范圍內(nèi)調(diào)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(qiáng)度、低變形模量、絕緣性好且砌塊接縫處理容易，試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鬏^為方便。彭海明等[3]選用水泥石膏為原料開(kāi)展了相似材料的研究，該相似材料與巖石的結(jié)構(gòu)及破壞方式類(lèi)似，在巖石破壞研究方面有一定優(yōu)勢(shì)。李術(shù)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(yàn)的相似材料，并在青島膠州灣海底隧道的地質(zhì)力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)中得到很好的應(yīng)用。本文以某沙礫巖介質(zhì)為研究對(duì)象開(kāi)展相似材料的研制，并對(duì)不同制樣方法下相似材料的配合比及材料參數(shù)進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，制樣方法對(duì)配合比的選取有一定影響。

2 相似條件

模型和原型必須滿(mǎn)足相似原理，模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果才能反映到原型上以指導(dǎo)實(shí)踐。根據(jù)相似理論，模型和原型必須滿(mǎn)足幾何相似、邊界條件相似、載荷相似以及材料各參數(shù)的相似。在地質(zhì)力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)中，令無(wú)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(jù)推導(dǎo)，模型和原型必須滿(mǎn)足以下相似準(zhǔn)則：

(2)

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

原型所在場(chǎng)地介質(zhì)參數(shù)如表1所示，模型實(shí)驗(yàn)中取幾何相似比1∶20，經(jīng)過(guò)計(jì)算，模型的材料參數(shù)見(jiàn)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(xué)參數(shù)與原型相似；2)材料的配比可調(diào)，以改變材料的力學(xué)性能，適應(yīng)不同相似條件的需要；3)材料的性能穩(wěn)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(shí)驗(yàn)條件，選取重晶石粉、膨潤(rùn)土、砂作為基本材料，選用機(jī)油作為膠結(jié)劑進(jìn)行相似材料的研制。

3.1 試樣制作

對(duì)于由散料攪拌而成的試驗(yàn)材料有兩種成型方式：一種為靜態(tài)壓制，即采用恒定荷載對(duì)填制的散料進(jìn)行壓制，到規(guī)定的時(shí)間后卸除荷載；另一種為動(dòng)態(tài)夯實(shí)，即采用重錘對(duì)散料進(jìn)行夯實(shí)，到指定的密度后夯實(shí)停止。在進(jìn)行相似材料的研制時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某尚头绞竭x擇材料實(shí)驗(yàn)試樣的成型方式。為了研究成型方式對(duì)相似材料配合比選取的影響，本文研究了靜態(tài)壓實(shí)和動(dòng)態(tài)夯實(shí)兩種成型方式下的相似材料參數(shù)。靜態(tài)壓實(shí)的優(yōu)點(diǎn)是壓實(shí)載荷確定，材料壓制得較為均勻，但每次壓制的材料厚度較?。粍?dòng)態(tài)夯實(shí)的優(yōu)點(diǎn)是材料一次壓制厚度較大，在材料均勻上較靜態(tài)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(duì)試件的損壞。試樣制作時(shí)采用分層成型方式，為了使層與層之間不出現(xiàn)層縫，層與層之間刨毛處理。試樣直徑70 mm，高140 mm，見(jiàn)圖2。

3.2 材料物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試

需要測(cè)試的材料參數(shù)有：密度、彈性模量、泊松比、粘聚力和內(nèi)摩擦角。容重通過(guò)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(nèi)摩擦角通過(guò)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)獲得。

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 靜力壓制試樣

靜態(tài)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，周?chē)鷫毫Π?0 kPa，30 kPa，50 kPa，70 kPa施加。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的各組配比的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2，表2中數(shù)據(jù)均為三次實(shí)驗(yàn)的平均值。

表2 三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表2可見(jiàn)，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(nèi)摩擦角和密度有一定關(guān)系，試樣的密度越大，材料彈性模量、粘聚力及內(nèi)摩擦角越大。與相似材料目標(biāo)參數(shù)相比，序號(hào)2配合比參數(shù)滿(mǎn)足相似材料要求。

4.2 動(dòng)態(tài)夯實(shí)試樣

將砂、膨潤(rùn)土、重晶石粉和機(jī)油作為實(shí)驗(yàn)因素，采用均勻設(shè)計(jì)法對(duì)原材料進(jìn)行配方實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，選取11組配方進(jìn)行三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，周?chē)鷫毫Π?0 kPa，100 kPa，120 kPa，150 kPa施加。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的各組配比的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 均勻設(shè)計(jì)配方及測(cè)試結(jié)果

由表3可見(jiàn)，膨潤(rùn)土所占比重越大，材料的彈性模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角越大。當(dāng)膨潤(rùn)土/(博湖砂+重晶石粉)<33.3%時(shí)，膨潤(rùn)土所占比重越小，材料的泊松比越小。與相似材料目標(biāo)參數(shù)相比，序號(hào)6配合比滿(mǎn)足相似材料要求。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)比兩種三軸試樣制樣方法，夯實(shí)制樣下試樣密度能得到很好的控制，靜態(tài)壓制制樣方法壓制的試樣則比較離散。靜態(tài)壓制方法下，材料彈性模量、粘聚力及內(nèi)摩擦角和壓制的材料密度有關(guān)，密度越大，相應(yīng)的材料參數(shù)越大。動(dòng)態(tài)夯實(shí)方法下，材料的彈性模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角則隨膨潤(rùn)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(qū)別。

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用靜態(tài)壓實(shí)和動(dòng)態(tài)夯實(shí)兩種試樣制備方法進(jìn)行相似材料的研制，實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)基本原料選定后，試樣的制備方式對(duì)相似材料配合比的影響很大，在選擇材料試樣制備方式時(shí)，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某尚头绞竭x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(zhì)力學(xué)相似模型試驗(yàn)中的應(yīng)用[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2004,23(1):48-51.

[2] 韓伯鯉,陳霞齡,宋一樂(lè),等.巖體相似材料的研究[J].武漢水力電力大學(xué)學(xué)報(bào),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(shù)才,周 毅,李利平，等.地下工程流—固耦合模型試驗(yàn)新型相似材料的研制及應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),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(wàn)鵬(1975- ),男,高級(jí)工程師； 王傳樂(lè)(1990- ),男，在讀碩士

TU455

A