深基坑模型试验相似材料研究

杨善统，陈 娜，陈飞宇，刘贵应，周 彬

(1.武汉大学 土木建筑工程学院，湖北 武汉 430072;2.中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司，重庆 401121)

深基坑模型试验相似材料研究

杨善统1，陈 娜1，陈飞宇1，刘贵应2，周 彬2

(1.武汉大学 土木建筑工程学院，湖北 武汉 430072;2.中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司，重庆 401121)

选择合适的相似材料是开展模型试验研究的关键。为确定沙坪坝铁路枢纽工程深基坑模型试验中用来模拟砂岩和泥岩的相似材料，选取重晶石粉、石膏、甘油和水作为原材料，采用正交试验法进行配比研究。设计了3种不同的养护方式分析其对相似材料性能的影响，并采用极差分析法研究各种原材料对岩体相似材料力学性能的影响。研究结果表明:用重晶石粉、石膏、甘油和水来模拟砂岩和泥岩是可行的;重晶石粉和石膏对相似材料性能影响最大，甘油次之，水最小;3种不同养护方式下相似材料性能变化较小。通过试验最终得到综合性能较为接近的两组配比来模拟砂岩和泥岩。

模型试验 相似材料 正交试验 养护方式 极差分析

岩体的物理模型试验能够较为真实地模拟复杂的地质构造及地层组合，从而研究岩体的受力特性、破坏机制等问题。岩体相似材料的研究是物理模型试验的基础，选取合理的模型材料及配比对物理模型试验极其重要［1］。

韩伯鲤等［2］(1997)开发了一种以加膜铁粉和重晶石粉为骨料，以松香为胶结剂的新型MIB材料，扩大了该项材料的适用范围。左保成等［3］(2004)采用石英砂、石膏和水泥的混合物模拟灰岩，并添加浓度2%的动物胶作为缓凝剂，研究了在相似材料中骨料与胶结物的配比、胶结物中的胶结材料配比及不同养护方式对相似材料强度的影响规律。王汉鹏等［4］(2006)以铁精粉、重晶石粉和石英砂作为骨料，石膏作为调节剂，松香和酒精溶液作为胶结剂，研制出一种新型的相似材料铁晶砂胶结料(IBSCM)。黄平路等［5］(2008)采用重晶石粉、铁粉、甘油和水4种材料混合制成岩体相似材料，并进行了某铁矿工程的二维相似模型研究。张强勇等［6］(2008)以铁矿粉、重晶石粉、石英砂、石膏粉和松香酒精为原材料研制出一种新型铁晶砂胶结岩土相似材料。该材料具有重度高、低抗压强度、低弹性模量、性能稳定、无毒无害等优点。

本文以沙坪坝铁路枢纽工程深基坑模型试验研究为依托，模拟工程中的砂岩与泥岩两种岩体材料，主要模拟其重度、抗压强度、弹性模量、变形模量等参数。通过选择合适的材料进行正交试验［7-8］配比研究，并设计不同的养护方案，研究养护方式对相似材料的影响。同时，采用极差分析法［9］研究各种原材料对岩体相似材料物理力学参数的影响，以此指导材料的配比研究。

1 原材料选取

相似材料的选取是物理模型试验中最重要的部分，相似材料应满足以下原则:①主要的力学及变形性能与模拟的岩体材料相似;②模型材料的变形模量、弹性模量要有较大的可调范围;③制作方便，成型容易，凝固成型时没有大的收缩;④原料来源丰富、价廉易得，易于加工成型;⑤试验中模型材料的物理力学性能稳定，不因温度、湿度的改变而产生明显变化。

通常需根据研究课题的性质寻找满足主要物理力学参数相似的材料。由相似理论［10］可得到相似材料的物理力学参数，见表1。

表1 岩体相似材料的主要物理力学参数

由于本试验主要是研究基坑的变形情况，故主要以材料的抗压强度、弹性模量和变形模量作为测试参数。综合考虑本试验原型地质情况、应力状态、试验设备、材料价格与性能等因素，选择重晶石粉、石膏、甘油和水作为原材料进行相似材料试验研究。其中重晶石

粉是由山东济南天和建材厂生产，规格为30～60目;石膏为湖北三宝石膏制品有限公司生产的半水纤维白石膏粉;甘油是由广州广醇化工科技有限公司生产，纯度99.5%。主骨料为重晶石粉，胶结剂为石膏，添加剂包括甘油和水。

2 相似配比试验

2.1 试件制备与试验过程

依《水利水电工程岩石试验规程》(SL264—2001)，单轴压缩试验试样规格取φ50 mm×100 mm。

试件制备方案:每一配比试验组制备6个试件，在相应养护条件下养护，然后在液压式万能试验机上进行单轴压缩试验，试验结果取除去最大和最小后4个试件数据的平均值。试验过程如下:

1)对试件的原材料进行研磨、称量，放入搅拌机搅拌2 min，然后装入模具中分3次振动密实，每次振动30 s。将制备好的试块顶部磨平，使之与模具顶面基本持平;

2)1 d后脱模，把试件放在相应养护条件下养护; 3)养护结束后，对试件的上下面进行磨平处理; 4)采用万能压缩机做单轴压缩试验，压缩控制方式选择位移控制模式，加载速率为0.010 mm/s;

5)通过数据处理得到试件的应力—应变曲线及单轴抗压强度、变形模量等参数。

2.2 试验方案设计

初选原材料有4个因子，若按照全面组合试验则试验次数很多，采用正交试验可以大大减少试验工作量。正交试验从大量试验因子中选出具有均匀分散、齐整可比的代表点进行试验，其特点是:每一因子不同水平在试验中出现的次数相同(均衡性);任意两因子不同水平组合在试验中出现的次数也相同(正交性)。

第一批试验为正交试验，相似材料正交设计水平如表2所示。采用正交表设计后，进行9组试验，见表3。养护方案为:自然条件下晾放，每天8:00，15:00，22:00时测量试件质量，直到质量保持恒定，周期为15 d。

表2 相似材料正交设计水平

第二批试验为养护方式试验，从第一批试验中选取较为接近目标配比的两组配比在3种不同养护方式下进行养护，即砂岩样3组、泥岩样3组，共6组。养护方式1为自然条件下晾放15 d;养护方式2为放置在35℃气温下，每天8:00，15:00，22:00时测量试件质量，直到质量保持恒定(试验发现此过程需5 d);养护方式3为35℃气温下养护5 d，然后晾放在自然条件下，每天8:00，15:00，22:00时测量试件质量，4 d后质量保持恒定。取砂岩样组(每组6个试件)绘制试件质量—养护时间曲线，见图1。

表3 相似材料试验正交设计表L9(33)

图1 不同养护方式下试件质量—养护时间关系曲线

第三批试验，从前两次试验中选择合适的配比及养护方式，并通过极差分析得到各材料因子的影响大小，进而再细分材料等级进行正交试验，直至找到合适的配比方案。

3 试验结果及分析

第一批试验试件物理力学参数测试结果见表4。可知，相似材料的各力学参数测量值分布较广，基本可以满足各种岩体材料的要求。其中第3组、第4组同泥岩、砂岩指标较为接近，因此将这两组配比用作后续试验。

随机选取出第6组第2个试件，其应力—应变曲线见图2。可知，该材料在压缩过程中经历了压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。相似材料的单

轴压缩破坏机理与砂岩、泥岩极为相似，因此选用该相似材料模拟砂岩、泥岩是可行的。

表4 第一批试验试件物理力学参数测试结果

图2 模型材料试件的应力—应变曲线

第二批试验在不同养护方式下的抗压强度曲线见图3，其中抗压强度为每组试验的平均值。

图3 不同养护方式下试件的抗压强度

由图3可见:①养护方式2对应的试件抗压强度最大，由于养护方式3对应的试件质量有所增加(增加的成分为水)，养护方式1对应的试件含水量比养护方式2大(参见图1)，说明含水多的试件强度比含水少的低;②3种养护方式下强度变化不超过0.02 MPa，变化不大，因此为提高试验效率，第三批试验养护条件采用35℃气温下养护5 d。

采用极差分析法对第一批正交试验各材料因子进行分析。将材料因子的各水平求平均值，然后用所得平均值求各材料因子的极差，结果见表5。极差大说明该因素的不同水平产生的差异大，是重要因素，对试验结果的影响明显。由表5可知，重晶石粉与石膏的极差最大，而且与其他两项差异较大，说明重晶石粉与石膏是最重要的因素，而甘油的极差次之，水的最小;其中甘油对于重度和抗压强度的极差约为重晶石粉与石膏的1/4，但对变形模量和弹性模量的极差却为重晶石粉与石膏的1/2左右，由此可看出甘油对变形模量和弹性模量的影响较为明显。因此，在材料配比时，优先考虑调节重晶石粉与石膏配比，将之控制在较为接近的范围，并通过调节甘油含量使结果更为准确。

表5 材料因子极差计算结果

第三批试验对配比进行了细分，共做了40组试验，并选取第39组(8∶1，5.2%，9.5%)配比所得材料模拟砂岩，选取第36组(44∶1，5.8%，7.4%)配比所得材料模拟泥岩。所选配比相似材料试件物理力学参数见表6。可见配比所得材料与目标相似材料已较为接近，表明用该相似材料模拟岩体材料是可行的。

表6 相似材料试件的物理力学参数

4 结论

1)以重晶石粉、石膏、甘油和水作为原材料配比所得的相似材料无论是单轴压缩破坏模式，还是应力应变曲线与砂岩、泥岩材料性能都非常相似，而且相似材料的各力学参数可调范围较广，可用来模拟砂岩和泥岩。

2)试验中3种不同养护方式对材料性能有一定影响，但影响不是很明显。由极差分析结果可知，重晶石粉和石膏对相似材料的影响最为明显，其次是甘油，水的影响最小。因此配比试验优先调节重晶石粉和石膏，然后用甘油进行微调。

3)综合物理力学各参数，配比所得相似材料与目标值较为接近，可用于砂岩和泥岩的模拟试验。该相似材料已应用在沙坪坝铁路枢纽工程深基坑模型试验第一批试验中。其性能优越，效果良好。

［1］白占平，曹兰柱，白润才.相似材料配比的正交试验研究［J］.露天采煤技术，1996(3):22-23.

［2］韩伯鲤，陈霞龄，宋一乐，等.岩体相似材料的研究［J］.武汉水利电力大学学报，1997，30(2):6-9.

［3］左保成，陈从新，刘才华.相似材料试验研究［J］.岩土力学，2004，25(11):1805-1808.

［4］王汉鹏，李术才，张强勇，等.新型地质力学模型试验相似材料的研制［J］.岩石力学与工程学报，2006，25(9):1842-1847.

［5］黄平路，陈从新.露天与地下联合开采引起岩层移动规律的模型试验研究［J］.岩土力学，2008，29(5):1310-1314.

［6］张强勇，李术才，郭小红，等.铁晶砂胶结新型岩土相似材料的研制及其应用［J］.岩土力学，2008，29(8):2126-2130.

［7］高富强，王兴库.岩体力学参数敏感性正交数值模拟试验［J］.采矿与安全工程学报，2008，25(1):95-98.

［8］于怀昌，余宏明，刘汉东，等.基于正交试验与运动学的滚石防护计算方法［J］.煤炭学报，2010，35(1):55-60.

［9］董金玉，杨继红，杨国香，等.基于正交设计的模型试验相似材料的配比试验研究［J］.煤炭学报，2012(1):44-49.

［10］仵锋锋，曹平，万琳辉.相似理论及其在模拟试验中的应用［J］.采矿技术，2007(4):64-65，78.

Research on similar materials used in model test for deep foundation pit

YANG Shantong1，CHEN Na1，CHEN Feiyu1，LIU Guiying2，ZHOU Bin2
(1.School of Civil and Architectural Engineering，Wuhan University，Wuhan Hubei 430072，China; 2.China Railway Eryuan Engineering Group Co.ltd，Chongqing 401121，China)

Selecting the proper similar materials is the key to carry out model test research.T o determine the similar materials simulating sandstone and mudstone of deep foundation pit model test in Shapingba railway project，the barite powder，plaster，glycerin and water were selected as raw materials and the orthogonal experimental method was adopted for the proportion research.T hree different maintenance modes were designed and their effects on similar material performance were analyzed，and the impact of each raw material on mechanical properties of rock similar materials was studied by adopting range analysis method.T he results indicated that it is feasible to use the barite powder，plaster，glycerin and water to simulate sandstone and mudstone，the barite powder and plaster have the greatest influence on the similar material performance，followed by glycerol，and water has the minimal impact，and similar material performance changes little in different maintenance modes.T wo ratios which have similar comprehensive performance were used to simulate sandstone and mudstone by tests.

M odel test;Similar material;Orthogonal experiment;M aintenance mode;Range analysis

TU458+.4;TU94

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.23

(责任审编 李付军)

2015-04-15;

:2015-05-26

重庆市应用开发计划重点项目(cstc2014yykfB30003)

杨善统(1989— )，男，云南龙陵人，硕士研究生。

1003-1995(2015)09-0078-04