含水率对相似材料模型强度的影响规律

张丁丁 范国涛 郭瑞

摘 要：為减少含水率对相似材料模型强度的影响，利用时域反射技术对相似材料模型含水率变化特征进行了监测，通过不同含水率值的相似材料试件，获得了相似材料试件单轴抗压强度与含水率的关系;提出克里金空间插值法的估值公式计算相似材料模型含水率，得出了含水率变异函数表达式;以哈拉沟煤矿12101工作面为研究对象，搭建了长×宽×高为1 000 mm×120 mm×700 mm的相似材料模型，利用FDR传感器监测模型含水率，绘制模型含水率分布图。结果表明，当配比为8∶3∶7且含水率在0.2%～2.3%之间时，相似材料试件的单轴抗压强度与其含水率呈负线性关系;通过模型含水率分布云图，模型竖直方向含水率呈上低下高的梯度特征，中硬度岩石相似材料模型含水率值达到1.7%～2.2%时，模型强度达到预期强度;相似材料模型干燥后期模型上部强度大于预期强度，中下部基本一致。提出了一种利用含水率特征值来预判模型干燥养护程度的方法，为提高相似材料模型试验准确性提供方法参考。

关键词：相似材料模型;含水率;频域反射技术;单轴抗压强度

中图分类号：TD 325           文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2019）05-0767-08

Abstract：In order to reduce the influence of moisture content on the strength of similar material models，the change characteristics of moisture content of similar material models were monitored by frequency domain reflectometry.The relationship between the water content of similar materials and the uniaxial compressive strength was obtained through the test of similar materials with different moisture content values.A Kriging space interpolation formula is presented to calculate moisture content values between the measured moisture content locations.A function expressing the variation of moisture content in the physical model is given.Taking the 12101 working face of Halagou coal mine as the research object，a similar material model of 1 000 mm×120 mm×700 mm was constructed;the water content of the model was monitored by FDR sensor to draw the water content distribution map of the model.The results show that when the ratio is 8∶3∶7 and the moisture content is between 0.2% and 2.3%，the uniaxial compressive strength of the specimens of similar materials meets a negative linear correlation with the content.Through the model water content distribution cloud map，the model moisture content shows vertical gradient characteristics in the vertical direction.When the moisture content of the model constructed with materials similar to medium hardness rock reaches 1.7%～2.2%，the strength of the model reaches the expected strength.In the later stage of drying，the upside’s strength of model is greater than the expected strength，and the middle and lower parts are basically the same.A method for predicting the dryness of the model by using the eigenvalue of moisture content is proposed，which provides a method reference for improving the accuracy of model test of similar materials.

Key words： similar material model;moisture content;frequency domain reflectometry;uniaxial compressive strength

0 引 言

相似材料模型试验是一种直观的研究岩体介质物理力学特性的方法，是岩土与地质工程领域重要的研究手段之一[1]。该方法是基于相似理论，在满足相似条件下将工程现场缩放模型置于试验架上，通过模型试验获得的相关数据及宏观现象回推到实际工程现场，获得对实际工程现场的规律性认识[2-3]。例如，采矿采动岩体力学问题、岩土边坡坝基稳定性问题等[4-7]，都通过物理模型试验方法得到了有效解决。但是相似材料模型试验在测试结果上与现场实际存在差异，许多学者对材料的配比以及测试手段对其进行了研究[8-9]，通过理论与实践表明，相似材料模型中含水率的大小影响相似材料模型的强度以及试验准确性[10-11]。

我国的许多学者对相似材料模型中含水率与相似材料力学性质关系开展了研究。王凯等在5种不同含水率下，测定了原煤煤样和型煤煤样的力学特性[8]。王鹏等通过正交相似实验，分析了残余含水率对材料的物理力学性质的影响[9]。彭曙光等利用RYL600微机控制试验机对4种不同岩性试样在不同含水率下进行了单轴抗压试验[10]。通过对不同含水率下相似材料的试验研究，认为含水率与相似材料的抗压强度呈负线性关系。因此，需要实时掌握相似材料模型中的含水率大小及分布特征。

时域反射测量法（FDR）凭借对待测物体没有破坏性，并且具有很好的准确度，可用于相似材料模型试验中含水率的测量[11-12]。同时，结合克里金插值法对FDR含水率监测数据进行插值，可得到相似材料模型含水率的分布特征。

利用FDR技术，以相同配比的相似材料模型、试件为基础，从试验角度探索模型内部含水率分布规律，得到了模型的含水率场分布特征，对比分析了干燥后期模型强度与预期强度之间的关系。在优化、指导相似材料模型试验试验时间上具有非常重要的理论意义。

1 试件含水率与强度关系

开展模型相似材料试件单轴抗压强度实验，试验以中硬砂岩为模拟对象。通过控制相似材料试件中含水率的大小，建立相同配比材料条件下相似材料强度与含水率关系。

1.1 试件制备及试验过程

选取河砂为骨料，石膏、碳酸钙为胶结料，河砂、石膏、碳酸钙配比为8∶3∶7[13]，加入定量的水进行搅拌，控制相似材料初始含水率为5%.采用50 mm×100 mm标准试件模具将相似材料制备成试件，并采用微机控制电液伺服压力试验机给予20 kN的试件成型压力。共制备相似材料试件33个，试件如图1所示。

为了使得试件养护模式与模型养护模式相同，采用自然养护，养护时环境温度约为14.5 ℃.根据文献7中试件含水率计算公式，通过称重法得到试件的含水率值。控制试件干燥过程中的含水率为2.3%至0.3%，含水率每降低02%，分别选取3个试件使用美特斯（MTS）微机控制电子万能试验机进行单轴压缩试验，共计11组。相似材料试件的单轴抗压强度测试加载过程如图2所示。

1.2 试验结果分析

选取每组试件单轴抗压强度的平均值，得到不同含水率条件下相似材料试件对应的单轴抗压强度见表1.抗压强度分布在0.1～1.64 MPa之间，随着试件含水率的递减，试验测得试件的抗压强度逐渐增大。

3 相似材料模型试验

3.1 试验概况

以哈拉沟煤矿12101工作面为研究对象，搭建了二维相似材料模型，模型试验架的长、宽、高尺寸为1 000 mm×120 mm×1 000 mm，相似材料模型搭建高度为700 mm.相似材料模型几何相似比1∶100，容重相似常数为1.56，强度相似常数为156.模型采用河砂为骨料，石膏、碳酸钙作为胶结料，按照配比加水进行搅拌。搅拌过程中，将相似材料模型的初始含水率控制在5%.模型第3，6，11和13层位为中硬砂岩，河砂、石膏、碳酸钙质量配比为8∶3∶7，预期强度为0.251 MPa.

4 相似材料模型强度分析

根据模型强度相似比常数以及中硬砂岩单轴抗压强度，可知模型材料（砂岩）强度应控制在019～0.51 MPa之间。由式（1）可得，当模型含水率为1.7%～2.2%时，模型强度满足要求，该含水率条件下模型已达到干燥养护试验最佳状态。

通过模型干燥后期的含水率分布规律结合公式（1），绘制模型干燥后期强度分布图，如图9所示。模型整体强度自下而上呈梯度分布，分布区间为0.16～0.55 MPa.

根据哈拉沟煤矿地质资料以及岩层物理力学参数，可以得到相似材料模型的预期理论强度，如图10所示。模型上部为风积岩，强度较低;中部为砂岩，强度在0.4 MPa左右;模型下部因为有煤层以及少部分泥岩的存在，其强度在0.25 MPa左右。

对比可知，干燥后期模型中下部第11层、13层砂岩强度分别为0.21，0.26 MPa，与模型的预期强度基本一致，满足了相似材料模型的强度相似常数。而模型上部第3层、6层砂岩的强度为056，0.46 MPa，比预期强度要大，与预期强度不符，主要是由于模型上部含水率降低速率较快引起。

因此，在相似材料模型试验中，为了保证模型相似材料強度与实际岩层满足强度相似比，应提高模型上部岩层的初始含水率，从而使开展相似材料模型试验时不同层位的岩层均满足强度相似常数，提高相似材料模型试验结果准确性。

5 结 论

1）当配比为8∶3∶7时，试件的抗压强度随其内部含水率的增大而减小，呈负线性关系。相似材料模型干燥养护过程中，含水率在竖直方向上呈现上低下高梯度变化特征。

2）相似材料模型砂岩岩层含水率为1.7%～2.2%时，模型强度满足强度相似常数，为开展模型试验时间的确定提供依据。

3）相似材料模型干燥后期模型上部强度大于预期强度，中下部基本一致。相似材料模型试验中应通过提高模型上部岩层的初始含水率，使模型试验开展时不同层位的岩层均满足抗压强度相似常数。

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第39卷 第5期 2019年9月

西安科技大学学报 JOURNAL OF XI’AN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Vol.39 No5 Sep2019

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