新近系软岩模拟材料的单轴抗压实验特性

刘广新

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043)

1 研究目的

本文的主要目的就是了解新近系软弱岩石的力学特性，发展软岩力学的研究方法，探索新的研究手段.为复杂的软岩工程提供简便可行的实验研究技术[1].为岩石力学现场实验提供对比.拓宽有限变形力学的工程应用范围，促进该项理论研究的发展.

在软岩的研究过程中相似模拟被作为一个重要手段而广泛运用[2－3].但是在进行相似模型实验之前，必须遵循一定的相似条件，即要求模型不仅要几何相似，而且在实验过程中所包含的各物理量或主要物理量应与原型相似[4].

本文以安徽某地新近系泥岩夹砂岩为原型，采用对软岩进行材料及模型模拟的方法对软岩的力学特性进行研究.为模型实验选择合适的模拟材料.

2 相似材料的选取

实验中相似材料的选取必须满足以下条件[5－7]:

1)主要力学性质与模拟的岩层相似.

2)力学性能稳定，不易受外界条件(温度、湿度等)的影响.

3)通过采用不同的原料比例，改变材料的力学特性，以适应相似模拟条件的需要.

4)凝固时间短，易成型，制作方便.

5)易采购，成本低廉.且对人无害.

组成相似材料的原料可分为骨料和胶结材料两类.本次实验选用最常见的砂子为骨料，选用高岭土、熟石膏、纯黏土为胶结材料.尝试不同的配比，以供打制模型时选取.考虑到在模型实验时试样打制时间较长而材料胶结较快因此加入一些起保水作用的辅助材料——甘油.为了更好的表现出软岩的塑性，可加入锂基脂作为辅助胶结材料[8].

3 材料配比方案

方案1砂+纯黏土+水+甘油

配比1砂胶比1∶1，水为总质量的1/20，甘油为总质量的1/20.

配比2砂胶比3∶1，水为总质量的1/20，甘油为总质量的1/20.

配比3砂胶比2∶1，水为总质量的1/15，甘油为总质量的1/40.

配比4砂胶比2∶1，水为总质量的1/15，甘油为总质量的1/50.

方案2砂+纯黏土+石膏+水+甘油

配比 1 砂胶比 2∶1，纯黏土:石膏 0.6∶0.4，水为总质量的1/15，甘油为总质量的1/40.

配比 2 砂胶比 3∶1，纯黏土:石膏 0.6∶0.4，水为总质量的1/20，甘油为总质量的1/20.

配比 3 砂胶比1∶1，纯黏土:石膏 0.6∶0.4，水为总质量的1/20，甘油为总质量的1/20.

方案3砂+石膏+水+甘油

配比1砂:石膏2∶1，水为总质量的1/10，甘油为总质量的1/30.

配比2砂:石膏3∶1，水为总质量的1/10，甘油为总质量的1/30.

配比3砂:石膏4∶1，水为总质量的1/10，甘油为总质量的1/30.

方案4砂+纯黏土+水

配比1砂胶比2∶1，水为总质量的1/10.

配比2砂胶比1∶1，水为总质量的1/15.

配比3砂胶比3∶1，水为总质量的1/15.

4 实验方法

按照所提供的配合比，进行材料称量.把拌和均匀的砂浆放入专门的模具中，均匀捣实，放置3 d后方可实验.每组做10个试件.见图1.

图1 实验模具及实样

4.1 软岩基本力学性质

由于黏土矿物成分和含量各异，不同时代的软岩，具有不同的结构构造、物化性质、水理性质，最终使其力学特性明显不同.新近系软岩的单轴抗压强度多小于10 MPa，弹性模量很小，泊松比较大[1，9].

通过单轴抗压实验，可以得到软岩的力学特性指标.例如，弹性模量E、泊松比μ、单向抗压强度以及单向应力应变(σ－ε)曲线.图2是安徽某地新近系软岩(泥岩夹砂岩)的σ－ε曲线[10].

图2 软岩单轴压缩实验曲线

在软岩单轴抗压实验过程中，开始岩石有明显的体积压缩，压缩变形速度随载荷增加逐步变小，接近抗压强度极限时产生较明显的体积膨胀现象.

4.2 模拟材料的单轴抗压实验

使用TAW－2000微机控制岩石伺服三轴压力实验机进行单轴压缩实验[11]，在开始记录数据前，要先施加一定的压强，一般以0.3 MPa为宜.然后逐级施加荷载，设定加载速度为1 mm/min试样加压直至破坏.数据及时采集，绘制出应力应变曲线[12].

根据数据曲线可求出材料实样的最大应力，应变，弹性模量，泊松比等主要物理力学特性.实验应力－应变曲线上升段斜率即为材料的弹性模量，径向应变－轴向应变曲线平滑段斜率即为材料的泊松比[13].

4.3 模拟材料试样的单轴压缩应力－应变曲线

见图3.

图3 模拟材料单轴压缩实验曲线

5 模拟试样单轴抗压强度的影响因素

5.1 水胶比对单轴抗压强度的影响

当骨料性能一定时，模拟试件的抗压强度随着胶凝体和骨料之间的粘结强度的提高而提高.胶凝体的孔隙率及孔隙结构特征是影响胶凝体强度的主要因素，且主要拌合物水胶比也有影响.抗压强度与水胶比的关系类似于混凝土抗压强度与水灰比的关系，即抗压强度随水胶比的增大而降低.

5.2 黏土和高岭土对单轴抗压强度的影响

黏土、高岭土是软岩模拟材料的主要组分之一，是由黏土矿物组成的，其中影响最大的是蒙脱石和高岭石.这些吸水性强的黏土矿物遇水膨胀，会导致材料的强度降低，即所谓“塑性化”作用.黏土的掺量不是影响配比材料强度的主要因素，随着黏土掺量的变化其各种强度的变化规律不是很明显，但是经过大量实验还是能看出，随着黏土掺量的增加材料的强度略有减小的趋势.见表1.

材料中掺加高龄土主要是用于改善其弹性模量，但随着高龄土的掺入，抗压强度有很大损失.但是其塑性会有所增强.

表1 单轴实验曲线数据处理结果表

6 单轴抗压本构关系的拟合

选取应力应变曲线较符合软岩变形特征的材料进行单轴抗压本构关系拟合，在拟合过程中针对本次的实验曲线实选用了线性拟合，对数拟合，幂称拟合，二次多项式拟合，三次多项式拟合等方法[13－15].结果表明，三次多项式拟合方法最符合本次实验曲线，相关系数都在0.96以上.完全满足本次拟合要求.拟合结果如下:

方案1配比3该材料实验的拟合方程为:σ=－0.919ε3+1.05ε2+1.192 3ε +0.012 4. 即 a=－0.919，b=1.05，c=1.192 3，d=0.012.相关系数R2=0.998 2.

方案1配比4该材料实验的拟合方程为:σ=－0.248ε3+0.263ε2+1.607ε +0.015.即 a= －0.248，b=0.236，c=1.607，d=0.015.相关系数 R2=0.997 9.

方案2配比2该材料实验的拟合方程为:σ=－ 0.948ε3+1.088ε2+1.446ε +0.418.即 a=－0.948，b=1.088，c=1.446，d=0.418.相关系数R2=0.973 8.

方案4配比1该材料实验的拟合方程为:σ=－ 0.03ε3+0.032ε2+0.679ε +0.058.即 a=－0.03，b=0.032，c=0.679，d=0.058.相关系数R2=0.992 3.

对以上所有拟合方程中的参数a、b、c、d求其加权平均值得:A= －0.204，B=0.231，C=0.417，D=0.043.则实验所得的软岩模拟材料的单轴抗压应力－应变经验公式为:

σ = －0.204ε3+0.231ε2+0.4171ε +0.043.

7 结语

本文软岩模拟材料研究选用细砂为骨料，纯黏土、高岭土为胶结材料，锂基脂为辅助胶结材料.按照合适的配合比制作重塑样.由对四种配比方案的单轴实验曲线分析对比可以选出:方案1配比3和4、方案2配比2、方案4配比1.这些材料的单轴实验应力－应变曲线与典型软岩的单轴实验应力－应变曲线相似.

由对这四种方案的单轴实验曲线分析对比可以选出:方案1配比3和4、方案2配比2、方案4配比1.这些材料的单轴实验应力－应变曲线与典型软岩的单轴实验应力－应变曲线相似，物理力学性质可以满足软岩模拟需要，可以作为软岩模拟实验的参考材料.在选用材料时应根据模拟对象的性质进行选取，以力求最匹配.实验所得的参数可依据相似度的要求，在模型实验中得到运用.为新近系软岩巷道、隧洞的开挖提供模拟参考.

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