隧道模型试验中软弱围岩相似材料配合比试验研究

2020-10-10王凤云袁继坤杨传亮

安徽建筑大学学报 2020年4期

王凤云，袁继坤，杨传亮

(安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥，230601)

0 引言

随着我国基础设施的逐步发展，地下工程作为21 世纪城市和交通建设中的主流方向，隧道工程是高铁项目重要的组成部分。对于隧道工程的研究方式主要是现场试验，理论研究和室内试验，由于隧道的模型试验一方面可以模拟隧道施工过程，另一方面可以直观地观察围岩变形和应力变化，隧道模型试验成为研究隧道围岩变形的重要研究手段。

隧道模型试验的准确性取决于围岩相似材料能否真实地反映围岩力学状态。模型试验中围岩的相似材料必须满足相似原理，同时为了方便试验，围岩相似材料还需要力学性质稳定，不易受环境因素的影响，原材料来源广泛，成本低等特点。目前，针对隧道模型试验中的围岩相似材料，国内已经有大量学者成功配制了不同的围岩模拟材料，能够较好地模拟围岩的物理特性。Zhang 等[1]采用铁粉、重晶石粉、硅砂和醇溶松香制作成围岩相似材料，研究地下复杂结构模型在真三轴应力状态下的稳定性；李丹[2]采用环氧树脂与聚酰胺、硅橡胶与相应固化剂等作为黏合剂，以重晶石及细砂为骨料，汽油为溶剂的模型材料，满足力学参数和应力-应变曲线与围岩性质相似，建立试验模型研究软岩隧道围岩加固方式的对比试验，但是其中的环氧树脂与聚酰胺具有一定的毒性；陈浩等[3]经过相似材料配比试验，选用环氧树脂、聚酰胺、硅橡胶、硅橡胶固化剂、砂、重晶石粉和汽油的某种配比作为岩类的相似材料，满足相似判据；董昌周等[4]通过材料的配合比试验选用重金石粉、细砂、酒精、松香为相似材料，模拟Ⅴ级围岩材料。以上材料所制成的围岩相似材料中的原材料存在一定的毒性，推广使用上存在一定的局限性。随后，学者们逐步探索寻求无毒原材料配制围岩相似材料。郑升宝等[5]参照国内外试验结果并根据试验条件，选择石膏、重金石粉、石英砂、氧化锌、甘油和水的混合料作为围岩的相似材料，研究隧道振动台模型试验；汪成兵等[6]、王抒等[7]、朱长安等[8]和徐前卫等[9～11]逐步采用石膏、重金石粉和石英砂为原材料，掺加水和洗衣液等无毒材料，多次试验后配成围岩相似材料用于隧道模型试验中。但是，以上研究中并没有给出围岩相似材料中的原材料对其力学参数的影响。

根据以上研究成果，考虑成本低廉，原材料广泛和无毒性，基于以上成功研制的围岩模拟材料，在此基础上，选用重金石粉，砂，石膏，水和洗洁精作为本模型试验的原材料，选用重金石粉和细砂作为本试验中围岩的模拟材料的骨料，石膏作为黏结材料，洗涤精作为调节材料，水为溶液，不断调整配合比，得到符合本试验要求的最优配合比，分析各个组成部分对混合材料的力学参数的影响，为隧道模型试验中围岩相似材料选择提供重要依据。

1 模型试验材料的相似关系

基于相似第二定理，弹性力学模型相关参数表达式：

式中，σ 为应力，ε 为应变，E 为弹性模量，ν 为泊松比，φ 为内摩擦角，c 为黏聚力，l 为长度，δ 为变形。

模型试验要求原型与模型的平衡方程、几何方程、物理方程和边界条件相同，应力应变关系相似，但是，实际上完全满足相似关系很难满足，只能根据现有的试验条件和试验目的满足主要的相似判据，得到的相似关系为：

式中，Cσ为应力相似关系；Cl为几何相似关系；Cγ为容重相似关系；CE为弹性模量相似关系；Cε为应变相似关系；Cμ为泊松比相似关系；Cδ变形相似关系；Cσˉ为面力相似比。

设定几何尺寸为1：50，即基础相似关系为Cl= 50,Cγ= 1。那么可以得到其他相似比：泊松比、应变、摩擦角相似关系：Cγ= Cε= Cφ= 1，强度、应力、黏聚力、弹性模量相似比：CR= Cσ= Cc=CE= 50，那么，软弱围岩相似材料的力学参数满足表1。

表1 围岩的力学参数

2 材料的选择

为了满足围岩相似材料的基本力学参数，本试验主要是控制相似材料的重度、弹性模量、黏聚力和内摩擦角满足相似关系式(2)。

考虑成本低廉，原材料广泛和无毒性，基于以上成功研制的围岩模拟材料，在此基础上，选用重金石粉，砂，石膏，水和洗洁精作为本模型试验的原材料，如图1 所示。

图1 原材料图

3 围岩相似材料的力学参数

3.1 试件的制作

将重金石粉、砂，石膏材料按照配合比先混合均匀，后加入水和洗洁精，反复揉搓，充分拌和均匀。将拌和好的混合材料装入模具中(φ39.5 mm×80 mm)，分层填筑，并通过手动击实器反复振捣密实，击实过程中保持击实器垂直，下一层混合料击实后在表层磨毛处理，目的是为了让上下层有较好的接触，不至出现分层现象。每次制作试件前需将模具清理干净，不得留有残渣，防止制作的试件残缺。将试件脱模，并将多余部分试件切除，抹面，保持试件完整如图2 所示，并在试件上用记号笔标记。

图2 试件模具及制作完成的试件

3.2 力学参数的测定

3.2.1 重度

为了得到符合本试验要求的模型材料配合比，需要进行测得材料的重度、弹性模型、黏聚力和内摩擦角。试件制作完成后，称得试件的重量，材料配合比试验中试件采用电子秤称重，换算得到重度。

3.2.2 抗压强度

围岩相似材料的抗压强度和弹性模型采用实验室微机电子控制万能试验机测得，将制作完成的试件放入压力机上，缓慢而均匀地加载，直至试件破坏，停止加载，保存数据，利用采集的位移与轴向位移，数据处理得到应力应变曲线，其峰值点为抗压强度，弹性阶段的斜率为弹性模量，如图3。

图4 为单轴抗压破坏的试件，从图中看到，加载过程中试件起初出现竖向裂缝，随后竖向裂缝宽度逐渐增加并出现斜状裂缝，裂缝不断延伸至端部，最后形成“劈裂”状裂缝并发出巨响，试件出现较大的变形而失去承载力破坏。

图3 抗压性能的测试

图4 单轴抗压破坏的试件

3.2.3 抗剪强度

模型材料的抗剪强度是通过土的三轴剪切试验仪测得，如图5 所示，该剪切装置包括加载装置和围压加载装置，围压是通过水压施加的，其中加载装置是有轴向测力计和轴向位移计，两者均是通过读取百分表中读数测得。

每一组配合比试件做3 组不同围压σ3，分别为100 kPa，200 kPa 和300 kPa 下的最大轴压力σ1f。为了保证抗剪强度的准确性，通过计算方法得到模型材料的黏聚力和内摩擦角。

根据规范中土的抗剪强度作图方法[12][13]，采用最小二乘法拟合，即绘制各个破坏应力点的平均直线，通过直线的倾角α 和截距a 求出黏聚力和内摩擦系数，如图6 所示。黏聚力c 和内摩擦系数f 计算公式为：

图5 抗剪强度的测定

图6 抗剪强度的计算示意图

4 模型材料的配合比试验

4.1 骨料变化对围岩相似材料的力学参数影响

对于材料的配合比设计，由于重金石粉和砂对围岩相似材料的重度影响较大，首先调整重金石粉和砂的比重，其他成分不变，得到合适的重度值，同时研究骨料比例对弹性模量、内聚力和内摩擦角的影响。

表2 和图7 为骨料变化下围岩模型材料的配合比试验方案和力学参数。尽管试验中已经尽量保持操作的标准化，但是由于人为操作误差和环境影响不可避免造成数据的局部误差，另外由于本试验中对于围岩相似材料的力学参数并非需要完全符合特定值，只需要满足表1 的相似关系范围内即可。在此基础上，选择综合选择软弱围岩相似材料的配合比。

从图7 看出，骨料比例的变化对模型材料的力学参数的影响较大。为了保证石膏、水和洗涤精所占总重比例不变，在减少重金石粉量，同时增加砂的重量，保证总重不变。试验中发现随重金石粉含量增加(或者砂的含量减小)，模型材料的重度逐渐增加，其原因是重金石粉的比重较大，含量越高，混合物的比重越大。根据表1 的相似关系，弹性模量基本能满足，但是6#，7#和8#配合比的重度均不足20，不满足重度相似比为1 的要求，1#不满足内摩擦角，1#-4#配合比不满足黏聚力相似关系。从相似关系角度上，5#的各个参数均满足，为此选择5#骨料比例作为围岩模型材料基础配合比。

从骨料比例影响的角度上看，随着重金石粉的增加，弹性模量和内摩擦角均呈现先增加后减少，而黏聚力逐渐增加，这是由于重金石粉的颗粒较小，增加材料之间的黏结力，但是其比例增加使得材料的细颗粒比例较大，混合材料的强度减小。

表2 骨料变化下模型材料的配合比和力学参数

4.2 水膏比对模型材料力学参数的影响

石膏和水作为模型材料的胶结材料，其比例对材料的强度起到关键作用，通过增加改变石膏的含量，研究水膏比对模型材料力学参数的影响。表3为水膏比变化下模型材料的配合比和力学参数，从表中看到，改变石膏的含量，对模型材料的重度和内摩擦角的影响不大，但是可以看到随着水膏比的减小，黏聚力和弹性模量减小。

4.3 洗涤精对模型材料力学参数的影响

为了研究洗涤精对模型参数的影响，在5#的基础上，增加了洗涤精重量为30g，10g，0g 三组配合比，标记为12#，13#和14#，测得这三组的力学参数并与5#对比，如表4 所示。表4 显示随着洗涤精的减少，模型材料的重度稍微减小，黏聚力稍微增加，内摩擦角基本不变，这是由于洗涤精增加了混合物的粘稠度，从而起到在小幅度范围内改变模型材料的力学参数。