長江階地粉質(zhì)黏土相似材料配比試驗(yàn)研究

景文琪

(中鐵二十一局集團(tuán)軌道交通工程有限公司 湖北武漢 430000)

1 引言

地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)是研究基坑工程開挖卸荷引起周圍土體應(yīng)力場變化的有效途徑之一，具有直觀性和整體性等特點(diǎn)，因此可廣泛應(yīng)用于隧道圍巖、深埋巷道、混凝土高壩等研究中。作為模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)，相似材料配比試驗(yàn)由于其成本較低、指標(biāo)控制效果佳、制作方便等優(yōu)勢，在工程地質(zhì)領(lǐng)域逐漸得到應(yīng)用。本文開展考慮黏聚力和內(nèi)摩擦角兩組物理力學(xué)參數(shù)的長江階地粉質(zhì)黏土相似材料配比影響研究[1－4]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者就地質(zhì)力學(xué)相似材料的研究已取得一定的成果。Liu等[5]依據(jù)相似理論和量綱分析，推導(dǎo)出煤巖力學(xué)參數(shù)相似準(zhǔn)則，采用水泥、砂、丁腈橡膠和聚苯乙烯配置煤巖相似材料；Wu等[6]運(yùn)用石英砂、石膏、水泥和水按一定配合比模擬砂巖，通過錨固邊坡相似模型試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)測驗(yàn)證；胡萌等[7]選取河砂、陶砂、水泥、石膏、蒸餾水模擬紅砂巖相似材料，設(shè)計(jì)四因素三水平正交試驗(yàn)，得到各因素對飽和密度、孔隙度、單軸抗壓強(qiáng)度和聲波波速的影響規(guī)律，最終通過MATLAB程序進(jìn)行多元線性回歸分析，得出紅砂巖相似材料配比經(jīng)驗(yàn)方程；范鶴等[8]以砂、石膏、硅藻土為原料，將正交試驗(yàn)與增加局部試驗(yàn)相結(jié)合，在最少的試驗(yàn)次數(shù)下確定相似材料配比；李弋等[9]初次提出以河砂作為粗骨料研制DMM模型材料，并將其應(yīng)用于混凝土高壩動力模型材料的試驗(yàn)研究中；王建寧等[10]采用模糊評價法對二十五組配合比方案進(jìn)行綜合分析，最終在滿足試驗(yàn)需求的前提下得到與目標(biāo)土質(zhì)最接近的一組軟弱土質(zhì)相似材料；竇遠(yuǎn)明等[11]運(yùn)用石英砂、重晶石粉、石膏、洗衣液和膨潤土等原料，通過正交試驗(yàn)按一定配合比模擬軟弱土質(zhì)相似材料，研究骨膠比、洗膏比、含水量、膨潤土摻量、重晶石粉含量五種因素對相似材料各物理力學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律，再結(jié)合方差法與極差法分析上述五種因素的敏感性以及顯著性。但是，目前的研究多集中于巖石相似材料的制備與原材料的選擇，現(xiàn)有的土質(zhì)相似材料的配置均有地域性強(qiáng)、普適性差等缺點(diǎn)。

本文以長江階地粉質(zhì)黏土為原型，以滑石粉、鈉基膨潤土、100目石英砂以及水為原材料，設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)，選擇內(nèi)摩擦角和黏聚力為相似性的考察指標(biāo)，利用極差分析法和方差分析法得出滑石粉含量、膨潤土含量以及含水量對上述兩個物理參數(shù)的影響規(guī)律。

2 原材料選擇與正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 原材料選擇

項(xiàng)目場地位于長江階地，主要土體為粉質(zhì)黏土，其黏聚力和內(nèi)摩擦角兩項(xiàng)力學(xué)參數(shù)分別為15 kPa和16°。選取滑石粉、鈉基膨潤土、100目石英砂以及水為原材料，其中鈉基膨潤土為添加劑，與鈣基膨潤土相比，鈉基膨潤土的吸水時間長(吸水速度慢)，而鈣基膨潤土吸水速度快，因此，做剪切試驗(yàn)時，如果使用鈣基膨潤土，因其吸水速率快，對試樣的物理力學(xué)性質(zhì)會產(chǎn)生一定影響造成試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確[12]?；哂袧櫥?、抗黏、吸附力強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)不活潑等優(yōu)良的物理化學(xué)特性，本試驗(yàn)原型土體的黏聚力很小，所以選擇膠結(jié)性較小的滑石粉，以達(dá)到減小相似材料內(nèi)摩擦角和黏聚力的目的，見圖1。

圖1 相似材料原料

2.2 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)主要考察指標(biāo)為黏聚力與內(nèi)摩擦角，因此選擇加入對兩項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)影響較大的滑石粉和鈉基膨潤土進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)。三因素包括:滑石粉含量、膨潤土含量以及含水率，每種因素設(shè)置三個水平。相似材料的正交配比方案見表1。

表1 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)正交試驗(yàn)方案制備9組相似材料試樣，對9組試樣分別進(jìn)行剪切試驗(yàn)(見圖2)，得出其黏聚力和內(nèi)摩擦角，結(jié)果見表1。由表1可知，不同配比相似材料所對應(yīng)的參數(shù)指標(biāo)差距較大，黏聚力最小為1.09 kPa，最大為15.1 kPa；而內(nèi)摩擦角最小為 18°，最大為26.4°，符合基坑模型試驗(yàn)對該地區(qū)粉質(zhì)黏土相似材料的要求。

圖2 剪切試驗(yàn)

4 影響因素極差分析

本節(jié)采用極差法分析兩項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)對三種因素的敏感性大小，所得極差越大，則說明考察指標(biāo)在該因素不同水平情況下變化較大，該因素對考察指標(biāo)影響較大，即考察指標(biāo)對該因素較為敏感；反之，則說明該因素對考察指標(biāo)影響較小，考察指標(biāo)對該因素不敏感。各因素極差分析結(jié)果如表2所示。

表2 各因素極差分析

4.1 黏聚力影響因素極差分析

由表2可知，膨潤土含量極差最大，其次為滑石粉含量，含水率極差最小，即膨潤土含量>滑石粉含量>含水率。因此，對于粉質(zhì)黏土相似材料的黏聚力，三種因素對其敏感性大小順序?yàn)?膨潤土含量、滑石粉含量、含水率。在相似材料配比試驗(yàn)中，鈉基膨潤土作為添加劑加入含量占比很小，這是由于在選擇其范圍時，考慮到膨潤土的膨脹性以及模擬對象的含水率，膨潤土含量不宜過大，所以選定的摻入量較低。但其對黏聚力的敏感性卻很大，說明膨潤土含量對相似材料的黏聚力起到?jīng)Q定性作用。除鈉基膨潤土外，滑石粉含量對黏聚力敏感性也較大，原因之一為滑石粉的摻入量在三個控制因素中占比最大。由圖3可知，當(dāng)增加滑石粉含量時，相似材料的黏聚力逐漸增大，說明滑石粉的含量對其影響程度也很大，含水率對相似材料黏聚力影響較小。

圖3 黏聚力影響因素敏感性分析

4.2 內(nèi)摩擦角影響因素極差分析

由表2可知，對于內(nèi)摩擦角這一參數(shù)，滑石粉含量極差最大，其次為膨潤土含量，含水率的極差最小，因此，三種因素對粉質(zhì)黏土相似材料的內(nèi)摩擦角敏感性大小順序?yàn)?滑石粉含量、膨潤土含量、含水率。因?yàn)榛蹖Σ牧橡ぞ哿蛢?nèi)摩擦角影響均較大，在相似材料配比試驗(yàn)設(shè)計(jì)中滑石粉占比較大。由圖4可知，當(dāng)滑石粉摻入量超過30%后，增加滑石粉含量，內(nèi)摩擦角變化較小；當(dāng)增加鈉基膨潤土摻入量，相似材料的內(nèi)摩擦角趨近于線性逐漸增大，說明膨潤土的含量對相似材料內(nèi)摩擦角影響程度較大；含水率對內(nèi)摩擦角敏感性也較小。

圖4 內(nèi)摩擦角影響因素敏感性分析

5 影響因素方差分析

方差分析法能夠精確估計(jì)各試驗(yàn)結(jié)果影響的重要程度，當(dāng)水平數(shù)較大以及各影響因素有交互作用時，極差分析法不便于分析各影響因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響。

5.1 黏聚力影響因素方差分析

從表3所計(jì)算的各因素均方值可以看出，在含水率、滑石粉含量以及膨潤土含量三種不同因素中，膨潤土含量的計(jì)算結(jié)果值最大，表示膨潤土含量對黏聚力影響程度最大，該因素最為顯著，與正交試驗(yàn)所得結(jié)果相符；而含水率的均方值很小，表示含水量對黏聚力幾乎不產(chǎn)生影響，即含水率不顯著；滑石粉含量對黏聚力影響相對較大，主要是因?yàn)槠淠z結(jié)性較小，可達(dá)到減小相似材料黏聚力的目的。各因素對黏聚力的影響程度為:膨潤土含量>滑石粉含量>含水率，與黏聚力因素敏感性分析所得結(jié)論一致。

表3 黏聚力影響因素方差分析

5.2 內(nèi)摩擦角影響因素方差分析

從表4計(jì)算的各因素均方值可以得出，三種因素中，滑石粉含量的計(jì)算結(jié)果均方值最大，表示滑石粉含量對內(nèi)摩擦角影響程度最大，此因素最顯著；而含水率的計(jì)算結(jié)果依舊很小，表示在相似配比正交試驗(yàn)中，水的含量對內(nèi)摩擦角影響小。各因素對內(nèi)摩擦角的影響程度為:滑石粉含量>膨潤土含量>含水率，與內(nèi)摩擦角因素敏感性分析所得結(jié)論一致。

表4 內(nèi)摩擦角影響因素方差分析

通過正交試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)石英砂含量42.5%、含水量15%、滑石粉含量40%、鈉基膨潤土含量2.5%時，所制得相似材料的黏聚力為15.1 kPa，內(nèi)摩擦角為16.4°，與長江階地粉質(zhì)黏土的力學(xué)性質(zhì)接近，可用于后續(xù)基坑模型試驗(yàn)。

6 結(jié)論

(1)按照石英砂含量42.5%、含水量15%、滑石粉含量40%、鈉基膨潤土含量2.5%的配合比，所配制出的相似材料力學(xué)性質(zhì)與長江階地粉質(zhì)黏土相近。

(2)采用極差法分析兩項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)對三種因素的敏感性大小，對于長江階地粉質(zhì)黏土相似材料的黏聚力，三種因素對其敏感性大小順序?yàn)榕驖櫷梁?、滑石粉含量、含水率；三種因素對其內(nèi)摩擦角的敏感性大小順序?yàn)榛酆?、膨潤土含量、含水率?/p>

(3)通過方差法分析對黏聚力和內(nèi)摩擦角有顯著影響的因素，其結(jié)果與極差分析法所得結(jié)論具有一致性。