六角形采场充填体的离心模拟试验研究

2022-10-27孙文杰程国祥廖永晖海成龙陈怀教

湖南有色金属 2022年5期

孙文杰，程国祥，廖永晖，海成龙，陈怀教

（金川镍钴研究设计院有限责任公司，甘肃金昌 737100）

离心模拟试验对模拟自重为主要荷载的岩土结构物的破坏机理特别有效，是以小比尺离心模拟试验采用与原型相同的材料，在离心机形成高加速度场中达到与原型相同的应力水平，从而使模型与原型的应力应变相等，变形相似，破坏机理相同，能再现原型特性，具有可以减小模型尺寸，大大缩短试验时间，建立各种非均质模型，模拟各种复杂工程的状况，从而提高了模型的预测能力［1-4］。

本次试验的目的是利用土工离心机模拟简化六角形采场上部充填体的受力、变形和破坏规律。通过离心机模型试验得到采场模型随着离心机加速度的变化规律。

由于针对六角形采场充填体的离心模拟试验国内外还未有专家学者进行研究过［5-7］，在国内外六角形采场充填体强度的研究中还属于空白，没有相关的研究成果进行参考，因此，第一阶段的离心模拟试验主要为探索性试验，充填体强度采用5 MPa。

1 试验设备及主要的试验参数

1.1 试验设备

本次试验采用清华大学土工离心机，该试验机1993年建成，已经做过大量的各类离心模拟试验，完全可以满足本次试验的要求。

该离心机的设计最大加速度为250 g，但在试验过程中，由于受辅助设施的影响，若加速度过高，容易影响辅助设备的工作效率，根据以往的试验经验，最大加速度在100 g左右时，辅助设备能够正常运作，同时考虑模型箱的尺寸，最终确定本次离心模拟试验的最大离心加速度为100 g。

土工离心试验相似比的基本原则是满足模型和原型应力的相似性，为了保证模型和原型应力相同，原型和模型各物理量之间必须具有一定的相似比例关系。

1.2 采场结构参数

采场最大宽度为六角形采场中部两个凿岩巷道内侧的距离，与数值模拟中所阐述的采场宽度有所不同，两者相差一个凿岩巷道的宽度。如图1所示。

图1 采场宽度

1.3 模型试验

根据确定的采场尺寸方案，对整个离心试验模型的尺寸进行计算，结合清华大学离心试验机模型箱的尺寸和离心模拟试验要求，最终确定了模具的内部净尺寸为50 cm×60 cm×20 cm（长×宽×高）。

整个模具的材质采用具有较高刚度的高端有机玻璃，有机玻璃的厚度为25 mm，模型中部预留六角形采场。六角形采场的模型材料同样采用有机玻璃，考虑六角形采场在离心模拟试验时需要拆除，模拟开挖过程，为了拆卸方便，避免对充填体模型产生较大的人为扰动从而影响充填体的强度，六角形采场由六块相互独立的有机玻璃板组成，有机玻璃板之间采用螺栓连接，方便拆卸。

为了在充填体浇筑过程中，使充填体快速沉淀和强度均匀，在模型的一侧布置了直径5 mm的滤水孔，滤水孔的布置间隔为50 mm×50 mm，在模具内侧布置滤水孔的一侧粘贴滤纸，防止在滤水过程中水泥随滤水一同流出，影响充填体的强度。

模具采用内外两层有机玻璃板，外板厚度为25 mm，内板厚度为5 mm，在要布置标记点的一侧不设置内板，外板在离心模拟试验时需要拆除，为了拆卸方便，模型四周与底部的外板相互独立，之间采用直径为6 mm的螺栓连接，方便拆除。内板由于不需要拆除，因此内板设计为一个整体，与充填体直接接触。整个模具的精度要求为：尺寸的精度误差≤1 mm，有机玻璃外板刚度变形≤1%。制作完成的整体模具如图2所示。

图2 物理模型

2 离心模型试验结果分析

首先以5 g／min的加载速度缓慢加载至100 g，加至100 g后，稳定10 min，观察模型的变化和破坏情况，模型未发生明显的失稳破坏。缓慢降低离心加速度至1 g，拆下模型，观察模型的变形情况。结果图如图3所示。

图3 离心模型试验位移分布结果图（单位：mm）

试验过程中，随着离心机加速度的提高，重力由1 g逐步增加至100 g，采场周围出现明显的位移变化。在5 g时，物理模型最大位移为2.4 mm；25 g时，最大位移为5.2 mm；50 g时，最大位移为9.8 mm；75 g时，最大位移为15.5 mm；90 g时，最大位移为17 mm；100 g时，最大位移为20.2 mm。

随着加载加速度的增加，物理模型中产生的位移接近线性增大，得到的线性拟合曲线如图4所示。通过拟合曲线可以推断出模型随着离心加速度的变化产生位移变化的规律。