岩爆相似材料配比试验及敏感性分析

2022-06-24林礼华

福建工程学院学报 2022年3期

林礼华

(福建省交通规划设计院有限公司，福建福州 350004)

地下隧道岩爆研究因工作条件局限，获取原岩难度大，制备深部岩石模拟材料是室内开展原岩岩爆相关研究的必要手段之一。侯廷凯等[1]以标准石英砂、石膏水泥、硼砂为原料制备了白云岩的相似材料；申艳军等[2]利用相关材料制作类砂岩的相似模型并对其进行力学研究；王雅雯等[3]使用石英砂、重晶石粉等骨料制作铁精砂的相似模型材料；周辉等[4]利用砂、水泥等作为材料制作了高脆性材料；陈陆望等[5]利用石英砂、石膏、水泥、水制作了具有岩爆倾向性的模型材料；潘一山等[6]采用膨润土、石膏-砂材料、环氧树脂等用于岩爆试验，以达到岩爆效果。

目前大多数的研究只是在材料中加入填充材料，使模拟材料抗压强度增大，单纯提高材料的岩爆倾向性，当岩爆发生时原岩也具有高脆性伴随岩石脱落。但有关材料高脆性的研究较少。本研究引入岩爆倾向性指数和脆性评价指标，探索高脆性岩爆模型材料配比方案，为建立原岩与模型材料之间基本力学参数相似以及岩爆倾向性和脆性相似提供参考。

1 岩爆模型材料评价指标

通常发生岩爆的岩石是致密的，影响岩石脆性的主要因素之一是岩性单轴抗压强度与抗拉强度，所以选择抗压抗拉比为脆性系数判断指标，能够较好的判断相似材料脆性程度[7]。

由于强岩爆材料具有强度峰后曲线突然下降趋势且峰后面积较小的特点，为定量评价岩石的岩爆倾向性，引入基于应力应变曲线的岩爆倾向性指数，通过计算峰值前后面积比，判断材料岩爆倾向性较为准确。

1.1 脆性系数判断

以抗压、抗拉强度比为脆性系数，σc为抗压强度，σt为抗拉强度，当σc/σt<14.5时相似材料为强脆性，当14.5≤σc/σt<26.7时相似材料为中等脆性，26.7≤σc/σt≤40时相似材料为弱脆性，σc/σt>40时相似材料无脆性[8]。

1.2 岩爆倾向性指数

Wcf为基于抗压强度峰值前后面积比的岩爆倾向性判据指数。

Wcf=F1/F2

(1)

式中：F1为抗压强度峰值前半区的面积；F2为抗压强度峰值后半区的面积，如图1所示。当Wcf>3.0时相似材料为强岩爆性，2.0

图1 应力应变曲线图(试件15#)Fig.1 Stress-strain curve diagram (test piece 15#)

2 相似材料的选择和制备

2.1 相似材料的选择

选用石英砂、水泥、石膏、松香酒精溶液和减水剂为原料，其中用石英砂作为骨料，由3种目数分别为80、200、400的石英砂各1/3混合而成，以减少试件孔隙率。使用水泥和高强石膏粉混合作为胶凝材料，以提高试件强度及脆性。利用松香的高脆特性，加入松香酒精溶液提升材料脆性,按不同配比制成相似模型材料，在模型材料内加入减水剂，减少原料中自由水的数量，同时加入缓凝剂，延长水与原料作用的时间。

2.2 相似材料的制备

采用尺寸分别为Φ50 mm×100 mm、Φ50 mm×50 mm的模具制备试件[10]，Φ50 mm×100 mm用于单轴抗压试验，Φ50 mm×50 mm用于巴西劈裂试验，分别测出试件抗压及抗拉强度。

2.3 相似材料正交设计及方案

设计4种影响因素A、B、C、D，分别为砂石率(%)、石膏水泥比、松香率(%)、掺水率(%)，对每个影响因素设定4种水平，如表1所示，安排16次试验，每次试验制备6个试件。正交设计表选用L16(45)，如表1所示。

表1 正交试验设计方案

续表

3 试验过程与结果分析

通过文献分析及预实验，根据正交配比方案制作相似材料试件，进行力学试验，得到各试件相关参数。根据配比方案称取各类材料，混合均匀后加水快速搅拌，并加入质量占比0.3%的缓凝剂和减水剂，然后将混合料倒入涂有脱模剂的模具，24 h后取出试件并养护28 d。对16组试件进行试验得到岩爆倾向性指数Wcf抗压抗拉比σc/σt及其他力学参数[11]，如表2所示。

表2 不同配比模型材料试验结果

3.1 敏感性分析

采用敏感性分析对正交设计试验数据进行处理，根据试验结果，对试件各项力学参数及指标的影响规律进行总结分析。

3.1.1 抗压强度敏感性分析

由图2可知，抗压强度基本随石英砂和松香酒精的含量增大而减小，当石英砂含量为65%及石膏水泥比为2.0∶1.0时，抗压强度均达到最小。随着含水量降低，适量的水对石膏开始充分发生作用，抗压强度开始呈增大趋势。根据敏感性分析，如表3所示，石英砂含量对抗压强度影响最大，松香酒精含量对其影响最小。

图2 抗压强度敏感性分析Fig.2 Sensitivity analysis of compressive strength

表3 抗压强度极差分析

3.1.2 抗拉强度敏感性分析

由图3可知，抗拉强度基本随石英砂含量的增大而减小，随含水率减小呈增大趋势。在含量为65%时，抗拉强度达到最小，当含量为70%强度反而突然增大，主要原因是石英砂为3种不同目数的砂粒配置而成，砂粒间的缝隙被填充。随着松香酒精含量增加，抗拉强度有降低的趋势。如表4所示，试件中水占比对抗拉强度有较大影响，石膏水泥含量对抗拉强度影响最小。各影响因素对抗拉强度敏感性从大到小为：D>A>C>B，对于抗拉强度，石英砂含量和水含量起主要控制作用。

图3 抗拉强度敏感性分析Fig.3 Sensitivity analysis of tensile strength

表4 抗拉强度极差分析

3.1.3 抗压抗拉比敏感性分析

由图4可知，随着松香酒精溶液含量增加，材料脆性降低，抗压抗拉比呈逐渐减小趋势。随着高强石膏在配比中不断减少，抗压抗拉比也呈减小趋势，主要原因是石膏减少使材料脆性降低。含水量对材料脆性有重要作用，含水率为25%时抗压抗拉比最大。如表5所示，石英砂和含水量均对材料脆性程度影响较大。

图4 抗压抗拉比敏感性分析Fig.4 Sensitivity analysis of the ratio between compressive strength and tensile strength

表5 抗压抗拉比极差分析

3.1.4 弹性模量敏感性分析

由图5可知，随着石英砂含量和含水量增大，弹性模量呈增大趋势，在两者含量最大时，弹性模量均达到最大。当高强石膏含量减少，弹性模量呈线性减少，松香酒精溶液与石膏水泥比趋势大致相同。而含水量对弹性模量影响明显，含水量为17.9%时达到最大。如表6所示，石英砂和水含量对弹性模量影响最大，石膏水泥比含量对其影响最小。

图5 弹性模量敏感性分析Fig.5 Sensitivity analysis of elastic modulus

表6 弹性模量极差分析

3.1.5 岩爆倾向性指数敏感性分析

由图6可知，岩爆倾向性指数随石英砂含量增大而增大，石英砂含量为60%时达到最小。岩爆倾向性随含水量减少而增大，含水量为17.9%时达到最大。随着松香酒精溶液含量增加，岩爆倾向性几乎呈线性减少。如表7所示，石英砂含量对岩爆倾向性指数影响最大，石膏水泥比对其影响最小。各影响因素对岩爆倾向性指数敏感性从大到小为：A>D>C>B，对于岩爆倾向性指数，石英砂和水含量起主要控制作用。

图6 岩爆倾向性指数敏感性分析Fig.6 Sensitivity analysis of rock burst tendency index

表7 岩爆倾向性指数极差分析

3.1.6 相似材料影响因素敏感性方差分析

方差分析法是在试验原始数据分类对比时分析试验数据间差异的方法。在置信水平α=0.1条件下分别对单轴抗压强度、抗拉强度、抗压抗拉比、弹性模量、岩爆倾向性进行方差分析，以确定主要影响因素[12]。

由表8可知，石英砂含量对试件单轴抗压强度影响较显著，含水量对抗拉强度影响较显著，同极差分析结果一致，自由度都为3。与其他因素相比对，石英砂含量对弹性模量的影响最大，松香酒精溶液含量对岩爆倾向性及材料脆性具有较大影响。

表8 各因素的方差分析

4 岩爆模型材料及数值模拟

4.1 模型材料优选

根据岩爆模拟材料所应满足的要求及材料特性，参考岩爆模型材料关系式[5]：

(2)

2号试件和16号试件满足公式(2)，2号试件的配比为石英砂55%、石膏水泥比2.5∶1、松香4%、水含量23.3%；16号试件配比为石英砂70%、石膏水泥比1.5∶1、松香3.5%、水含量20.6%。根据脆性指标抗压抗拉比，2号试件具有比16号试件更强的脆性，根据岩爆倾向性指数，16号试件具有更强的岩爆倾向性。

4.2 模型材料数值模拟

采用数值模拟方法对优选出的试件验证，以2号试件为例，使用试件参数为依据，采用与室内实验相同加载速率，还原室内实验条件，增加数值模拟可靠性。有限元数值模拟参数为密度1.8 g/cm3、弹性模量1.88 GPa、泊松比1.17、加载速率0.1 m/s。如图7所示，试验结果与数值模拟结果拟合度较好，原试件峰值抗压强度7.5 MPa，模拟试件峰值抗压强度6.8 MPa，通过模拟试件曲线，计算模拟试件岩爆倾向性指数Wcf为2.2>1.5，具有强岩爆性且具有高脆性，模拟试件表面材料大面积脱落，与试验现象吻合，如图8所示。