泥灰岩相似材料配比试验研究

2020-12-08崔宁坤王军祥陈四利葛万民寇海军

公路交通科技 2020年11期

崔宁坤，王军祥，陈四利，葛万民，寇海军

(1.沈阳工业大学建筑与土木工程学院，辽宁沈阳 110870；2.中国交通建设股份有限公司，北京 100088； 3.中铁十九局集团第五工程有限公司，辽宁大连 116100)

0 引言

西北地区山地较多，给基础设施建设带来了较大的困难。如秦峪隧道，穿越具有高地应力的灰岩、板岩、泥灰岩等软弱围岩地层。泥灰岩承载力低，遇水易软化、泥化，岩性较差，在进行隧洞开挖时易出现工程安全问题。为了保障施工安全，需要对隧洞围岩稳定性进行研究，地质力学物理模型试验能够对复杂的岩土体内部问题进行准确、直观、形象的模拟[1-3]，在处理较复杂的实际工程问题时被广泛认可及应用。

许多学者及工程师进行了类岩石材料的研究[4-5]。如王华[6]采用重晶石粉为骨料，石膏作为黏结剂对灰岩及板岩进行了相似材料模拟；蔚立元等[7]以石蜡为胶结剂研制出了一种憎水型流固耦合相似材料，并成功应用于隧道涌水模型试验研究中；陈志敏等[8]用黄土和石英砂、水泥、石膏和纯净水，研制了能够较好地反映炭质千枚岩基本物理力学特征的一种相似材料；韩涛等[9]以中粗砂、透水混凝土增强剂、水泥模拟孔隙岩体并成功运用到富水条件下孔隙岩体与井壁耦合模型试验中。

众多学者研究了相似材料的物理力学特性，但对泥灰岩相似材料的水理特性及物理力学特性的研究鲜见报道[5,10-16]。本研究基于正交设计原理，以秦峪隧道泥灰岩段为工程背景，对泥灰岩相似材料配合比及水理特性和物理力学特性进行分析研究，最终确定最佳配合比，为其他相关研究提供参考。

1 相似理论

1.1 物理相似理论

相似理论是相似材料的研究基础，要求相似模型与原型之间的几何尺寸、基本物理参数均需遵循一定的相似规律[13]。取相同物理量之比为相似比尺C，基于量纲分析法和弹性力学基本方程[14]，可得：

(1)量纲分析法要求量纲相同的物理参数相似比尺相同，且量纲为1的相似比尺为1，即：

Cε=Cμ=Cφ=1,

(1)

Cσ=Cσc=Cσt=CE=Cc,

(2)

式中,Cφ为内摩擦角相似比尺；Cε为应变相似比尺；Cμ为泊松比相似比尺；Cσ为应力相似比尺；Cσt为抗拉强度相似比尺；Cσc为抗压强度相似比尺；CE为弹性模量相似比尺；Cc为黏聚力相似比尺。

(2)由平衡方程可推导如下相似关系：

(3)

式中,Cγ为容重相似比尺；CL为几何相似比尺；Cσ为应力相似比尺。

(3)由几何方程，物理方程，应力、位移边界条件可得：

(4)

(5)

式中,CE为弹性模量相似比尺；Cε为应变相似比尺；CL为几何相似比尺；Cσ为应力相似比尺;Cδ为位移相似比尺。

1.2 泥灰岩相似材料参数的选取

依据相似理论，取几何相似比尺CL=25，容重相似比尺Cγ=1，由公式(1)～(5)，可得各参数相似比尺Cσ=Cσc=CE=Cc=25，Cε=Cφ=1，故原岩参数与目标参数[17-18]如表1所示。

表1 泥灰岩和相似材料基本参数Tab.1 Basic parameters of marl and similar materials

2 泥灰岩相似材料的研制及室内试验

2.1 正交设计试验方案

秦峪隧道段泥灰岩为二叠系泥灰岩，通过对原岩物理、水理特性分析和常用相似材料各组分的分析，最终选取粒径为0.3～0.6 mm的河砂与粒径为325目的重晶石粉为骨料，用来承担受力；粒径为325目的红黏土粉作为胶结剂来模拟泥灰岩遇软化、泥化特性，并添加普通硅酸盐水泥来提高胶结强度；选用石膏粉作为外掺调节剂进行泥灰岩相似材料的研制，相似材料选取原料如图1所示。

图1 材料选取Fig.1 Material selection

依据正交设计试验方法，选取4个水平，并取黏土∶水泥、石膏粉掺量、砂∶重晶石、骨胶比4个影响因素，绘制L16(44)相似材料配比试验表，正交设计及试验配比表，如表2、表3所示。

表2 正交设计表Tab.2 Orthogonal design table

2.2 制作泥灰岩相似材料

按照相似材料配比正交试验表，将相似材料的原料分别称量依次放入搅拌机中充分搅拌均匀；称量30%的水分3次加入搅拌机中(材料总重的30%)，再次搅拌均匀；将搅拌均匀的材料分3次装填至模型中，并振捣均匀，进行编号养护7 d。试验共16组配比试验，为保证数据的可靠性，减小偶然误差，每组配比制作10个尺寸为50 mm×50 mm×100 mm标准方形试件，6个表面积为30 cm2、高为2 cm的标准环刀试件，共160个标准方形试件和96个标准环刀试件，分别对试件物理力学及水理特性的试验参数进行测定，如图2所示。

表3 相似材料配比正交试验表Tab.3 Orthogonal test table for mix proportion of similar materials

图2 相似材料试件Fig.2 Specimens of similar materials

2.3 相似材料参数测定试验

试验选取泥灰岩的密度ρ、单轴抗压强度σc、弹性模量E、黏聚力C、内摩擦角φ及孔隙率ω为主控物理力学参数；选取泥灰岩的软化系数KP为主控水理特性参数，进行相关的试验。

测定方形标准试件密度ρ，通过单轴压缩试验测定试件单轴抗压强度σc、弹性模量E及软化系数KP，如图3所示。设置烘干箱温度为105～110 ℃，将试件烘干24 h，冷至室温称重为m1，放入水槽，加水至试件1/2高度处，24 h后加水淹没试件，继续浸泡24 h，取出擦干表面，称重m2，如图4所示。由公式(6)得孔隙率ω：

ω=Vp/Vb=(m1-m2)/ρ水V,

(6)

式中,Vp为岩石孔隙体积；Vb为岩石总体积；ρ水为水的密度；V为试件体积。

图3 单轴压缩试验Fig.3 Uniaxial compression test

图4 试件孔隙率及软化系数测试Fig.4 Test of porosity and softening coefficient of specimens

将浸泡完的试件用压力试验机测量抗压强度σ，软化系数为：

KP=σ/σc,

(7)

式中,KP为软化系数；σc为试件单轴抗压强度。

通过单轴压缩试验获得应力-应变曲线，按公式(8)计算岩石平均弹性模量:

E=(σ2-σ1)/(ε2-ε1),

(8)

式中,E为平均弹性模量；σ1为应力-应变直线段始点应力值；σ2为应力-应变直线段终点应力值；ε1为应力为σ1时的应变值；ε2为应力为σ2时的应变值。

利用ZJ型应变控制式直剪仪对试件的黏聚力C与内摩擦角φ进行测定，如图5所示，通过公式(9)计算抗剪强度:

τ=σtanφ+C,

(9)

式中,τ为剪应力；σ为正应力；φ为内摩擦角；C为黏聚力。

图5 ZJ型应变控制式直剪仪Fig.5 ZJ strain controlled direct shear apparatus

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

由正交设计原理可得16组配比方案，对各方案均进行相关的物理力学特性及水理特性试验，试验结果如表4所示。由表4可知试验组泥灰岩相似材料的相关参数范围为：ρ=1.46～4.68 g/cm3,σc=0.32～13.11 MPa，E=29.72～924.82 MPa,C=8.07～285.3 kPa,φ=11.32°～34.18°,ω=31.52%～46.72%,KP=0.23～0.74。对比表1可知，试验组泥灰岩相似材料参数范围均大于泥灰岩参数，即该正交设计下的泥灰岩相似材料具有可行性及较好的可调性。

3.2 试验敏感性分析

通过对各组配比泥灰岩相似材料试件参数测定，基于测定结果对各参数进行极差和方差分析，绘制出各因素敏感性分析图(如图6所示)和方差分析表(见表5)，通过对主控参数下各因素极差值及方差的分析，得出相似材料各组分含量的敏感性。

由图6可知，泥灰岩相似材料各主控参数敏感性从大到小依次为：

(1)单轴抗压强度σc：骨胶比>黏土 ∶水泥>石膏粉掺量>砂 ∶重晶石粉；

(2)密度ρ：骨胶比>黏土 ∶水泥>砂 ∶重晶石粉>石膏粉掺量；

表4 泥灰岩相似材料试验结果Tab.4 Test result of similar materials of marl

图6 相似材料各因素敏感度分析图Fig.6 Sensitivity analysis curves of factors of similar materials

表5 相似材料各因素方差分析表Tab.5 Analysis of variance of factors of similar materials

(3)黏聚力C：骨胶比>黏土 ∶水泥≈砂 ∶重晶石粉≈石膏粉掺量；

(4)内摩擦角φ：黏土 ∶水泥≈石膏粉掺量>砂 ∶重晶石>骨胶比；

(5)弹性模量E：骨胶比>黏土 ∶水泥>石膏粉掺量>砂 ∶重晶石；

(6)软化系数KP：砂 ∶重晶石>黏土 ∶水泥>石膏粉掺量>骨胶比；

(7)孔隙率ω：骨胶比>石膏粉掺量>黏土 ∶水泥≈砂 ∶重晶石。

图6和表5可知：对于单轴抗压强度σc起到主控因素的是骨胶比和黏土 ∶水泥，其贡献率分别为45.283%和37.012%，而砂 ∶重晶石的贡献率最低，仅有0.197%；对于密度ρ则骨胶比占据了主控因素，其贡献率为89.950%，其他影响因素贡献率之和仅为10.050%；黏聚力C的主控因素骨胶比贡献率为69.950%，其他各因素贡献率大致相同，分别为11.025%，9.550%，9.475%；黏土：水泥和石膏掺量对内摩擦角φ的贡献率最大且几乎相同，分别为34.375%和37.175%；对弹性模量E贡献率最大的同样为骨胶比，其贡献率为48.750%，其次为黏土 ∶水泥，贡献率为29.450%，其余因素对其贡献率较低；砂 ∶重晶石对软化系数KP的贡献率最大，为50.712%，其次为水泥 ∶黏土，其贡献率为26.643%，二者占据总贡献率的77%；各因素对于孔隙率ω的贡献率较为平均，骨胶比贡献率最大为31.575%，其他贡献率分别为21.050%，21.050%，26.325%，较为接近。

3.3 力学特性分析

通过对试验各个数据的测试及配比的调试，发现当试验配比为:骨胶比1 ∶1；黏土 ∶水泥2 ∶1；砂 ∶重晶石2 ∶1；石膏掺量30%时，其相似材料的主控参数均在泥灰岩参数区间内，该相似材料能够较好的对泥灰岩进行模拟，其试验参数与泥灰岩原岩参数对比如表6所示。通过单轴压缩试验，获取该配比下相似材料的应力-应变曲线，研究其力学特性及破坏特性。

表6 泥灰岩参数与试验参数Tab.6 Marl parameters and test parameters

由图7应力-应变曲线可知，泥灰岩相似材料的力学特性与岩体力学特性较为接近，呈现出经典的应力-应变曲线。泥灰岩相似材料在进行单轴压缩试验破坏时，出现典型的岩石破坏四阶段，即裂隙、孔隙压密阶段Ⅰ；弹性变形阶段Ⅱ；非弹性变形阶段Ⅲ和破坏阶段Ⅳ。该配比下的泥灰岩在饱水24 h后，会出现软化、泥化的特性，如图8所示。故此，以河砂、重晶石粉、红黏土粉、普通硅酸盐水泥和石膏粉为原材料制作的泥灰岩相似材料，不仅可以在力学特性上对泥灰岩进行模拟，也可以较好地模拟出泥灰岩遇水软化、泥化的特性。