湿陷性黄土相似材料力学特性试验研究

赵兵朝，马云祥，郭亚欣，孙 浩，王京滨，王海龙

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.西安科技大学 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安 710054)

湿陷性黄土是一种典型的风成堆积物，其内部的多孔性构造是其产生湿陷的主要原因。湿陷性黄土覆盖矿区煤层开采地表裂缝较为发育，水土流失严重，会造成生态环境恶化[1-2]。

相似模拟试验是一种依据相似理论对特定工程问题进行缩尺度研究的方法，其中相似材料能否正确反映原型的特性尤为重要[3]。具有多孔性构造的湿陷性黄土与常规土质类相似材料有显著差异，受地理位置、取样方式及环境等因素的影响，将单一的天然黄土作为相似材料有较大的局限性[4]。因此，研究湿陷性黄土相似材料的力学特性，对于利用相似模拟试验开展湿陷性黄土覆盖区煤层开采地表沉陷规律的研究是十分必要的。目前，针对黄土及其相似材料的研究已取得大量成果。张延杰等[5]采用空中自由下落法研制出了与天然湿陷性黄土性质相似的湿陷性黄土相似材料；陈昌禄等[6]通过在一定含水率的原状黄土中依次加入CaO、CaCl2、水泥、高岭土及CO2制备了人工结构性黄土；JIANG M J等[7]在原状黄土中加入CaCO3，制备了具有大孔隙和内部连接的湿陷性黄土，并通过湿陷试验得到加压和润湿都能减小黄土内部孔隙使其产生湿陷的规律；缪圆冰等[8]以黏土、重晶石粉、粉细砂和膨润土为原材料，配制出了振动台模型试验所需的土质相似材料；胡再强等[9]通过在风干原状黄土中加入含量0.7%的Ca(OH)2和CO2气体配制出了与原状黄土特性相似的结构性黄土，通过三轴剪切等试验研究，认为结构性黄土的湿陷及变形与结构强度的破坏有直接的关系；赵金刚等[10]采用现场实时观测的方法进行研究，结果表明无渗水孔条件下的黄土层湿陷变形与土层内水分的垂向和侧向扩散息息相关；张瑜等[11]采用室内试验和数理统计方法，研究了不同埋藏深度黄土湿陷等级的分布特性，得出了黄土湿陷系数随天然含水率的增大而减小的规律。

前人的研究多集中于相似材料的制备，以及定性地分析黄土及其相似材料的湿陷特性，并未系统地研究各因素对相似材料力学特性的影响。结合前人的研究成果，笔者选取河砂、重晶石粉、黏土、石膏和硅藻土为相似材料的原材料，采用正交试验、极差分析等方法，研究各因素对湿陷性黄土相似材料力学特性的影响规律，并将其应用于模型试验中，以期为类似模型相似材料的制备提供参考。

1 正交试验方案设计

1.1 原材料的选取原则

根据湿陷性黄土的湿陷机理[12]，以及前人的研究成果[13-15]，原材料的选取需遵循以下原则：

1)相似材料应具有较大的容重和较小的孔隙率，因此原材料选用密度较大且粒径较小的物质。

2)胶结材料宜选用胶结性较弱的材料，以降低混合材料的强度，确保性能稳定。

3)材料自身需具有大孔性或多孔性结构，能够模拟湿陷性黄土的湿陷特性。

4)为满足对不同材料相似比的需求，通过改变相似材料的配比，能调整相似材料各力学参数的变化范围。

1.2 原材料的确定

1)骨料：①河砂,选取经筛选后粒径相同的河砂，用以提供一定的强度和渗透性;②重晶石粉(粒径47 μm),其硬度小，密度大，可作为配重材料，用来调节相似材料的容重。如图1(a)、(b)所示。

图1 相似材料原料

2)胶结材料：①黏土,选取经筛选后颗粒均匀的黏土，其具有一定的吸水性，且强度低、渗透率低，还具有适度的黏结性;②石膏,性能稳定，具有一定的强度和黏结性。如图1(c)、(d)所示。

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3)调节材料：硅藻土,遇水后强度明显降低，其微观表面孔隙结构单元数量较多，在宏观上表现出孔隙小、孔隙数量较多的特征[16]，可用来调节相似材料的湿陷性。如图1(e)所示。

1.3 正交试验设计

设计正交试验时选取湿陷性黄土相似材料的湿陷系数、黏聚力和内摩擦角作为考察指标，选取以下5个因素作为正交试验的影响因素：骨胶比(骨料与胶结材料质量之比)、土膏比(黏土与石膏质量之比)、重晶石粉质量分数(重晶石粉质量与骨料质量之比)、硅藻土质量分数(硅藻土质量与总质量之比)和含水率(水的质量与总质量之比)，每个影响因素设计5个水平。选取“5因素5水平”的正交试验表L25(55)设计正交试验。为了突显试验选取点的均匀性和齐整性，各个影响因素以等间距变化的方式设计试验方案[17]。正交试验设计水平如表1所示。

表1 相似材料正交试验设计水平

2 正交试验结果及各影响因素显著性分析

2.1 正交试验结果分析

根据表1设计正交试验方案，制备ø61.8 mm×20 mm标准试样，如图2所示。

图2 相似材料试样

依据GB/T 50266—2013《工程岩体试验方法标准》[18]对不同配比的相似材料试样进行湿陷固结试验[2]及直剪试验，测定其湿陷系数、黏聚力和内摩擦角。湿陷系数计算公式如下：

(1)

式中：δs为湿陷系数；hp为加压200 kPa后，试样下沉稳定时的高度，mm；h′p为浸水(饱和)后，试样下沉稳定时的高度，mm；h0为试样的原始高度，mm。

相似材料力学参数测试结果如表2所示。

表2 湿陷性黄土相似材料正交试验结果

对表2数据分析可知，不同配比的相似材料的力学参数分布范围较广，湿陷系数为0.010～0.087，黏聚力为0.05～18.41 kPa，内摩擦角为3.49°～30.01°，在进行相似材料模拟试验时可根据地表原型黄土的力学参数选择合适的相似常数，并通过调节相似材料配比使相似材料力学参数介于试验范围内。

2.2 各影响因素显著性分析

极差分析法是通过分析每一个影响因素的极差值来确定某一影响因素不同水平对考察指标的影响程度排序。依据正交试验理论，对各个影响因素相同水平的结果取平均值，极差值由平均值中的极大值减去极小值求得，极差值大表明该影响因素不同水平对考察指标试验结果产生的影响较大，属于重要因素，反之则影响较小[8]。各个影响因素的极差值如表3所示。

表3 各影响因素极差值

3 相似材料力学参数的变化规律分析

根据正交试验结果，求得各影响因素相同水平的均值，绘制各影响因素对相似材料力学参数影响的直观分析图，并分析各影响因素对相似材料力学参数的影响规律。各影响因素直观分析图如图3所示。

(a)材料力学参数与骨胶比的关系

(b)材料力学参数与土膏比的关系

(c)材料力学参数与重晶石粉质量分数的关系

(d)材料力学参数与硅藻土质量分数的关系

(e)材料力学参数与含水率的关系

由图3可以看出：

1)相似材料湿陷系数与土膏比、硅藻土质量分数呈正相关关系；与骨胶比、含水率呈负相关关系；由于骨胶比中骨料的占比越来越大，胶结材料的占比越来越小，导致湿陷系数随土膏比数值的增大而缓慢增大；重晶石粉质量分数变化对相似材料湿陷系数的影响规律并不明显。

2)相似材料黏聚力与骨胶比呈负相关关系；与硅藻土质量分数呈正相关关系，硅藻土质量分数越高，黏聚力越大，相似材料的黏性特征更明显；含水率对相似材料黏聚力的影响趋势为先增大后减小，且存在一个最优的含水率(约11%)使相似材料黏聚力达到最大值9.31 kPa，超过此值时相似材料将会因水分过多而呈现出一定的流动性，这与文献[14]的研究结论相符；土膏比、重晶石粉质量分数对相似材料黏聚力的影响规律并不明显。

3)相似材料内摩擦角与骨胶比呈正相关关系；与重晶石粉质量分数、硅藻土质量分数、含水率呈负相关关系，由于试验所选取的重晶石粉粒径较小，减弱了骨料的砂性特征，导致内摩擦角随重晶石粉质量分数的增大而减小；土膏比对相似材料内摩擦角的影响规律不明显。

4 工程应用

相似模拟试验以陕北榆神矿区韩家湾煤矿为研究对象，该煤矿开采煤层为2-2煤层，结构简单，平均煤层厚度为4.5 m，为近水平煤层，煤层埋深约为130 m。2304综采工作面已结束开采，其走向长度为1 800 m，倾向长度为270 m，采用全部垮落法管理顶板。工作面地表为第四系马兰组黄土，下伏离石组黄土，均具有典型湿陷性，总平均厚度约为21.4 m。

相似模拟试验选取几何相似常数αl=150。模拟地表原型黄土力学参数与相似材料力学参数理论值如表4所示。

表4 地表原型黄土及相似材料力学参数

对比表2正交试验结果和表4相似材料力学参数理论值可知，在正交试验第18组的基础上适当增加材料的黏聚力，降低湿陷系数和内摩擦角即可得到相似材料的配比。结合各影响因素显著性及相似材料力学参数变化规律分析结果，经多次配比试验，最终确定模型相似材料的配比：骨胶比为8∶2、土膏比为9∶1、重晶石粉质量分数为6%、硅藻土质量分数为23%、含水率为13%。经测试得到相似材料力学参数如表5所示。

表5 相似材料力学参数测试结果

由表4、表5计算可知，相似材料力学参数试验值与理论值之间的吻合度较高，偏差分别是：湿陷系数为5.6%，黏聚力为6.3%，内摩擦角为5.3%，基本满足试验要求。

试验模拟煤层开采完毕，待地表下沉稳定后得到地表裂缝图，如图4所示。

图4 地表裂缝图

测得相似模拟试验中地表裂缝宽度为0.1～2.3 mm(见图4(a))，位于工作面开切眼后方，地表最大下沉值为2 602 mm；通过布置地表移动变形观测站，对2304综采工作面地表移动进行长期观测，测得地表最大裂缝宽度为320 mm(见图4(b))，位于工作面开切眼后方，地表最大下沉值为2 435 mm。

现场实测地表下沉曲线与试验模拟地表下沉曲线如图5所示。

图5 地表下沉曲线

现场实测结果中的地表裂缝宽度和地表最大下沉值与相似模拟试验结果的吻合度较高，偏差分别为7.8%和6.9%。说明相似材料力学特性与地表原型黄土力学特性具有较好的相似性。

5 结论

1)不同配比的相似材料力学参数分布范围较广，湿陷系数为0.010～0.087，黏聚力为0.05～18.41 kPa，内摩擦角为3.49°～30.01°，能满足相似模拟试验对相似材料的要求。

2)对相似材料湿陷系数的影响显著性由大到小依次为硅藻土质量分数、含水率、骨胶比、土膏比、重晶石粉质量分数；对黏聚力的影响显著性由大到小依次为含水率、骨胶比、硅藻土质量分数、土膏比、重晶石粉质量分数；对内摩擦角的影响显著性由大到小依次为骨胶比、含水率、硅藻土质量分数、重晶石粉质量分数、土膏比。

3)相似材料湿陷系数与土膏比、硅藻土质量分数呈正相关关系，与骨胶比、含水率呈负相关关系；黏聚力与骨胶比呈负相关关系，与硅藻土质量分数呈正相关关系；内摩擦角与骨胶比呈正相关关系，与重晶石粉质量分数、硅藻土质量分数、含水率呈负相关关系。工程应用结果表明，相似材料力学特性与地表原型黄土力学特性具有较好的相似性，可为类似模型相似材料的研究提供参考。