长江阶地粉质黏土相似材料配比试验研究

2022-04-20景文琪

铁道建筑技术 2022年2期

景文琪

(中铁二十一局集团轨道交通工程有限公司湖北武汉 430000)

1 引言

地质力学模型试验是研究基坑工程开挖卸荷引起周围土体应力场变化的有效途径之一，具有直观性和整体性等特点，因此可广泛应用于隧道围岩、深埋巷道、混凝土高坝等研究中。作为模型试验的基础，相似材料配比试验由于其成本较低、指标控制效果佳、制作方便等优势，在工程地质领域逐渐得到应用。本文开展考虑黏聚力和内摩擦角两组物理力学参数的长江阶地粉质黏土相似材料配比影响研究[1－4]。

近年来，国内外学者就地质力学相似材料的研究已取得一定的成果。Liu等[5]依据相似理论和量纲分析，推导出煤岩力学参数相似准则，采用水泥、砂、丁腈橡胶和聚苯乙烯配置煤岩相似材料；Wu等[6]运用石英砂、石膏、水泥和水按一定配合比模拟砂岩，通过锚固边坡相似模型试验进行实测验证；胡萌等[7]选取河砂、陶砂、水泥、石膏、蒸馏水模拟红砂岩相似材料，设计四因素三水平正交试验，得到各因素对饱和密度、孔隙度、单轴抗压强度和声波波速的影响规律，最终通过MATLAB程序进行多元线性回归分析，得出红砂岩相似材料配比经验方程；范鹤等[8]以砂、石膏、硅藻土为原料，将正交试验与增加局部试验相结合，在最少的试验次数下确定相似材料配比；李弋等[9]初次提出以河砂作为粗骨料研制DMM模型材料，并将其应用于混凝土高坝动力模型材料的试验研究中；王建宁等[10]采用模糊评价法对二十五组配合比方案进行综合分析，最终在满足试验需求的前提下得到与目标土质最接近的一组软弱土质相似材料；窦远明等[11]运用石英砂、重晶石粉、石膏、洗衣液和膨润土等原料，通过正交试验按一定配合比模拟软弱土质相似材料，研究骨胶比、洗膏比、含水量、膨润土掺量、重晶石粉含量五种因素对相似材料各物理力学参数的影响规律，再结合方差法与极差法分析上述五种因素的敏感性以及显著性。但是，目前的研究多集中于岩石相似材料的制备与原材料的选择，现有的土质相似材料的配置均有地域性强、普适性差等缺点。

本文以长江阶地粉质黏土为原型，以滑石粉、钠基膨润土、100目石英砂以及水为原材料，设计三因素三水平正交试验，选择内摩擦角和黏聚力为相似性的考察指标，利用极差分析法和方差分析法得出滑石粉含量、膨润土含量以及含水量对上述两个物理参数的影响规律。

2 原材料选择与正交试验方案设计

2.1 原材料选择

项目场地位于长江阶地，主要土体为粉质黏土，其黏聚力和内摩擦角两项力学参数分别为15 kPa和16°。选取滑石粉、钠基膨润土、100目石英砂以及水为原材料，其中钠基膨润土为添加剂，与钙基膨润土相比，钠基膨润土的吸水时间长(吸水速度慢)，而钙基膨润土吸水速度快，因此，做剪切试验时，如果使用钙基膨润土，因其吸水速率快，对试样的物理力学性质会产生一定影响造成试验结果不准确[12]。滑石具有润滑性、抗黏、吸附力强、化学性质不活泼等优良的物理化学特性，本试验原型土体的黏聚力很小，所以选择胶结性较小的滑石粉，以达到减小相似材料内摩擦角和黏聚力的目的，见图1。

图1 相似材料原料

2.2 正交试验方案设计

试验主要考察指标为黏聚力与内摩擦角，因此选择加入对两项物理力学参数影响较大的滑石粉和钠基膨润土进行三因素三水平正交试验。三因素包括:滑石粉含量、膨润土含量以及含水率，每种因素设置三个水平。相似材料的正交配比方案见表1。

表1 正交试验方案及结果

3 试验结果

根据正交试验方案制备9组相似材料试样，对9组试样分别进行剪切试验(见图2)，得出其黏聚力和内摩擦角，结果见表1。由表1可知，不同配比相似材料所对应的参数指标差距较大，黏聚力最小为1.09 kPa，最大为15.1 kPa；而内摩擦角最小为 18°，最大为26.4°，符合基坑模型试验对该地区粉质黏土相似材料的要求。

图2 剪切试验

4 影响因素极差分析

本节采用极差法分析两项力学指标对三种因素的敏感性大小，所得极差越大，则说明考察指标在该因素不同水平情况下变化较大，该因素对考察指标影响较大，即考察指标对该因素较为敏感；反之，则说明该因素对考察指标影响较小，考察指标对该因素不敏感。各因素极差分析结果如表2所示。

表2 各因素极差分析

4.1 黏聚力影响因素极差分析

由表2可知，膨润土含量极差最大，其次为滑石粉含量，含水率极差最小，即膨润土含量>滑石粉含量>含水率。因此，对于粉质黏土相似材料的黏聚力，三种因素对其敏感性大小顺序为:膨润土含量、滑石粉含量、含水率。在相似材料配比试验中，钠基膨润土作为添加剂加入含量占比很小，这是由于在选择其范围时，考虑到膨润土的膨胀性以及模拟对象的含水率，膨润土含量不宜过大，所以选定的掺入量较低。但其对黏聚力的敏感性却很大，说明膨润土含量对相似材料的黏聚力起到决定性作用。除钠基膨润土外，滑石粉含量对黏聚力敏感性也较大，原因之一为滑石粉的掺入量在三个控制因素中占比最大。由图3可知，当增加滑石粉含量时，相似材料的黏聚力逐渐增大，说明滑石粉的含量对其影响程度也很大，含水率对相似材料黏聚力影响较小。

图3 黏聚力影响因素敏感性分析

4.2 内摩擦角影响因素极差分析

由表2可知，对于内摩擦角这一参数，滑石粉含量极差最大，其次为膨润土含量，含水率的极差最小，因此，三种因素对粉质黏土相似材料的内摩擦角敏感性大小顺序为:滑石粉含量、膨润土含量、含水率。因为滑石粉对材料黏聚力和内摩擦角影响均较大，在相似材料配比试验设计中滑石粉占比较大。由图4可知，当滑石粉掺入量超过30%后，增加滑石粉含量，内摩擦角变化较小；当增加钠基膨润土掺入量，相似材料的内摩擦角趋近于线性逐渐增大，说明膨润土的含量对相似材料内摩擦角影响程度较大；含水率对内摩擦角敏感性也较小。

图4 内摩擦角影响因素敏感性分析

5 影响因素方差分析

方差分析法能够精确估计各试验结果影响的重要程度，当水平数较大以及各影响因素有交互作用时，极差分析法不便于分析各影响因素对试验指标的影响。

5.1 黏聚力影响因素方差分析

从表3所计算的各因素均方值可以看出，在含水率、滑石粉含量以及膨润土含量三种不同因素中，膨润土含量的计算结果值最大，表示膨润土含量对黏聚力影响程度最大，该因素最为显著，与正交试验所得结果相符；而含水率的均方值很小，表示含水量对黏聚力几乎不产生影响，即含水率不显著；滑石粉含量对黏聚力影响相对较大，主要是因为其胶结性较小，可达到减小相似材料黏聚力的目的。各因素对黏聚力的影响程度为:膨润土含量>滑石粉含量>含水率，与黏聚力因素敏感性分析所得结论一致。

表3 黏聚力影响因素方差分析

5.2 内摩擦角影响因素方差分析

从表4计算的各因素均方值可以得出，三种因素中，滑石粉含量的计算结果均方值最大，表示滑石粉含量对内摩擦角影响程度最大，此因素最显著；而含水率的计算结果依旧很小，表示在相似配比正交试验中，水的含量对内摩擦角影响小。各因素对内摩擦角的影响程度为:滑石粉含量>膨润土含量>含水率，与内摩擦角因素敏感性分析所得结论一致。