夏沅譜 姜開鋒 邢灝喆 范鵬賢

(1.解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院;2.爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

深長隧道突水突泥模型試驗(yàn)相似材料的研制*

夏沅譜1，2姜開鋒1，2邢灝喆1，2范鵬賢1，2

(1.解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院;2.爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

為了研究巖溶隧道突水突泥發(fā)生機(jī)理，根據(jù)模型試驗(yàn)相似理論，以宜萬鐵路野三關(guān)隧道為原型，借鑒前人研究成果，研制出一種新型相似材料。運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理共設(shè)計(jì)了16組相似材料配比試驗(yàn)，并對(duì)制作的試件進(jìn)行了單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、單軸抗拉強(qiáng)度、容重、內(nèi)摩擦角及黏聚力等物理力學(xué)指標(biāo)測試。采用極差分析法進(jìn)行各因素對(duì)各指標(biāo)的敏感性分析，作出了各因素與各物理力學(xué)指標(biāo)的直觀關(guān)系圖，并找出它們之間的影響規(guī)律，再結(jié)合水對(duì)試樣的影響，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整相似材料配比，以滿足突水突泥模型試驗(yàn)的要求。

突水突泥模型 相似材料 極差分析法

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)逐漸向西部山區(qū)推進(jìn)，在隧道施工中遇到的工程地質(zhì)條件日趨復(fù)雜,面臨的問題也越來越具有挑戰(zhàn)性，各種地質(zhì)災(zāi)害如突水突泥事故屢有發(fā)生。衡廣復(fù)線大瑤山隧道，廣鄰高速華鎣山隧道，渝懷鐵路圓梁山隧道，成黔公路通渝隧道，宜萬鐵路野三關(guān)、大支坪、馬鹿菁、齊岳山等隧道施工過程中，均發(fā)生了突泥突水事故，損失慘重[1]。地質(zhì)災(zāi)害問題對(duì)隧道的施工安全帶來嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，并容易引發(fā)事故進(jìn)而產(chǎn)生惡劣的社會(huì)影響。由于突水突泥災(zāi)害具有突發(fā)性和災(zāi)害性,在現(xiàn)場進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)研究存在較大困難,因而有必要通過開展室內(nèi)的突水突泥模型試驗(yàn)確認(rèn)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的條件，對(duì)突水突泥風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效的量化評(píng)估,形成精準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系,從而降低事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)概率。而相關(guān)的模型試驗(yàn)相似材料的研究是模型試驗(yàn)成功的先決條件，本文采用正交試驗(yàn)方法及極差分析法對(duì)相關(guān)的影響因素進(jìn)行分析[2]，重點(diǎn)研究了粗細(xì)骨料配比、松香酒精溶液濃度及石蠟重量比等因素對(duì)試件物理力學(xué)性能指標(biāo)的影響，為下一步突水突泥模型試驗(yàn)打下良好的基礎(chǔ)。

1 相似材料的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)巖體相似材料已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作。20世紀(jì)60年代，以E.Fumaglli為首的專家在意大利結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)所開創(chuàng)了工程地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù)。從20世紀(jì)70年代起，清華大學(xué)、河海大學(xué)、長江科學(xué)院、華北水利水電學(xué)院等國內(nèi)的相關(guān)單位結(jié)合大型水利工程的抗滑穩(wěn)定性問題及隧道圍巖穩(wěn)定性問題進(jìn)行了大量的科學(xué)研究，取得了一大批研究成果[3]。李連貴等、陳陸望等研制出了模擬脆性硬巖巖爆的相似材料[4-5]，并應(yīng)用到了實(shí)際模型試驗(yàn)中。韓伯鯉等介紹了以重晶石粉、加膜防銹鐵粉及松香酒精溶液按一定比例攪拌制成的MIB相似材料[6]，該材料的彈性模量可以根據(jù)膠膜厚度進(jìn)行調(diào)整，但是該試驗(yàn)加膜時(shí)的鐵粉黏結(jié)劑氯丁膠含有甲苯，對(duì)人體有害。山東大學(xué)張強(qiáng)勇、李術(shù)才等以鐵礦粉、重晶石粉、石英砂等為主料，松香酒精溶液為膠結(jié)劑，石膏粉為調(diào)節(jié)劑，并按一定的比例均勻攪拌壓實(shí)而成[7]。清華大學(xué)李仲奎等為了克服一些材料的容重過小、性質(zhì)不穩(wěn)定及成本過高等問題，經(jīng)過大量的試驗(yàn)，研制出了一種NIOS新型地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)材料[8]，該模型材料主要由磁鐵礦精礦粉、河砂、粘結(jié)劑、石膏或水泥拌合用水及添加劑等組成，能模擬容度大的原巖，力學(xué)性能穩(wěn)定，制作方便，成本低廉，應(yīng)用前景較好，但模型干燥時(shí)間長，養(yǎng)護(hù)不易。彭海明等對(duì)相似材料的原料選取、尺寸效應(yīng)進(jìn)行了相關(guān)的研究，以水泥石膏為巖石模擬材料并加入濃度為1%的硼砂溶液作為緩凝劑，但制作大試件時(shí)，試樣干燥緩慢且不能重復(fù)利用[9]。黃國軍等在研究牛頭山雙曲拱壩整體穩(wěn)定的三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中，介紹了以重晶石粉和鐵粉為基本填充料，機(jī)油為粘結(jié)劑，皂化加油水(一定比例)為防銹劑，膨潤土為添加劑的混合材料[10]。張寧等將以水泥、砂橡膠粉、水、減水劑、早強(qiáng)防凍劑、防水劑等混合，研制出新型巖石相似材料[3]，由于加入橡膠粉后使材料的物理力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易受外界環(huán)境(如溫度、濕度等)的影響，但也導(dǎo)致新型材料的密度會(huì)降低，因而不適合用于模擬大容重巖體。

以上模型相似材料都有各自的優(yōu)點(diǎn)，但在使用上也有一定的限制，為了彌補(bǔ)以往的巖體相似材料的不足，滿足長大隧道突水突泥模型試驗(yàn)的特殊要求，就必須研制出一種新型模型相似材料。

2 相似理論分析

相似材料模型試驗(yàn)時(shí)，選擇合理的模型材料對(duì)模型試驗(yàn)的成功起著決定性作用[11]。地質(zhì)力學(xué)模型中要求滿足原型與模型的相似規(guī)律，即必須滿足模型的幾何尺寸、邊界條件、荷載及相似材料的容重、強(qiáng)度及變形特性方面的相似。模型和原型在彈性應(yīng)力狀態(tài)、塑性應(yīng)力狀態(tài)、破壞狀態(tài)均應(yīng)符合相似條件[12]。根據(jù)彈性力學(xué)方程或量綱分析方法可以推導(dǎo)相似判據(jù)，原型和模型應(yīng)滿足彈性力學(xué)的平衡方程、相容方程、物理方程、幾何方程和邊界條件，可以得到各相似比之間的關(guān)系如下：

Cσ=CLCγ,

(1)

Cσ=CεCE,

(2)

Cε=1 ,

(3)

Cθ=1 ,

(4)

Cγ=1 ,

(5)

式中,Cσ,CL,Cγ,Cε,CE,Cθ分別為應(yīng)力、幾何、重度、應(yīng)變、彈性模量及內(nèi)摩擦角的相似比尺[13]。

本試驗(yàn)以宜萬鐵路野三關(guān)隧道為工程原型，已經(jīng)確定了原巖材料的物理力學(xué)參數(shù)。模型相似比尺定為1∶50，根據(jù)相似理論，由原巖物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算出模型材料的物理力學(xué)參數(shù)。具體結(jié)果見表1。

表1 原巖和模型材料物理力學(xué)參數(shù)

3 相似材料的研制

3.1 材料的選材

長大隧道突水突泥模型試驗(yàn)屬于固液兩相介質(zhì)問題,在選擇原料時(shí)要考慮滲流場與應(yīng)力場的耦合作用。一般來說相似材料的選材主要有以下幾項(xiàng)原則[3，6，14-16]:

(1)相似材料的主要力學(xué)性質(zhì)應(yīng)與原材料的物理力學(xué)性能相似。

(2)相似材料應(yīng)由散粒體組成，經(jīng)膠結(jié)強(qiáng)壓成形后，保證有較大的內(nèi)摩擦角。

(3)材料成型后應(yīng)具有較高的電氣絕緣度，力求不受時(shí)間、溫度、濕度等外界條件的影響，模擬過程中相似材料的物理、力學(xué)、化學(xué)等性能穩(wěn)定。

(4)改變材料的配比可使材料的力學(xué)性質(zhì)變化范圍大，以便適應(yīng)相似條件的需要。

(5)容易成型，制作工藝簡單，成型后能快速干燥，凝固時(shí)間短。

(6)材料來源廣，價(jià)格較低廉，以降低制作成本。

(7)對(duì)人體無任何毒害作用。

根據(jù)以上選材原則及前人的研究成果，新型相似材料決定采用重晶石粉、石英砂、松香酒精溶液及石蠟等，并在必要時(shí)可以把石英砂換成重晶石砂以提高試樣重度。其中石英砂作為粗骨料，重晶石粉為細(xì)骨料，松香酒精溶液作為膠結(jié)劑，石蠟?zāi)芴岣卟牧系乃硇阅?。為了?yàn)證相關(guān)規(guī)律的具體特性，首先進(jìn)行了大量的驗(yàn)證性試驗(yàn)。經(jīng)過驗(yàn)證性分析，決定將松香酒精溶液質(zhì)量占相似材料總重的比例統(tǒng)一設(shè)為7.5%,粗細(xì)骨料質(zhì)量比分別為1∶9、2∶8、3∶7、4∶6(記為影響因素A1、A2、A3、A4),松香酒精溶液的濃度分別為5%、10%、15%、20%(記為影響因素B1、B2、B3、B4),石蠟的質(zhì)量占比分別為0%、2%、4%、6%(記為影響因素C1、C2、C3、C4)，其余成分均為重晶石粉，質(zhì)量占比為76%～51.5%。

3.2 制作工藝

根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論，該試驗(yàn)是一個(gè)三因素四水平的試驗(yàn)，可用L16(45)形式的正交表，忽略第四、第五2列。正交表共有16列，需要進(jìn)行16組配比試驗(yàn)。每種配比制作20個(gè)試件，7個(gè)做干燥條件下的單軸壓縮破壞試驗(yàn)，5個(gè)做飽水后的單軸壓縮破壞試驗(yàn)，4個(gè)做直剪試驗(yàn)，4個(gè)做巴西劈裂試驗(yàn)，共需制作測試320個(gè)試件。試樣的具體制作過程：

(1)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的比例稱量各種原材料。

(2)將稱量好的石英砂烘干后迅速置于攪拌機(jī)中與重晶石粉攪拌混合均勻。

(3)將石蠟加熱至70°，熔化成液態(tài)。

(4)將松香放入酒精中制備松香酒精溶液。

(5)將液態(tài)石蠟和松香酒精溶液倒入混合均勻的骨料中拌和。

(6)將拌好的相似材料裝入模具中，放在壓力機(jī)下以5 MPa的壓力加壓成型。

(7)將成型后的試樣脫模，并貼上標(biāo)簽,放置在空氣中靜置2 d后，每隔6 h稱量，直至前后2次重量相差不超過1%。

(8)使用干燥后的試樣進(jìn)行相關(guān)的力學(xué)測試,如抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度測試等。

(9)將干燥后的試件泡水1 d，然后取出進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試。

3.3 材料的物力力學(xué)性能分析

對(duì)制作的試件進(jìn)行稱重,通過單軸壓縮、巴西劈裂以及直剪等試驗(yàn)可以得到抗壓強(qiáng)度σc、彈性模量E、抗拉強(qiáng)度σt、黏聚力c、內(nèi)摩擦角θ、容重γ等的物理力學(xué)指標(biāo)。單軸壓縮試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)見圖1。

圖1 單軸壓縮和直剪試驗(yàn)

經(jīng)過對(duì)各組同批次試樣的各指標(biāo)值進(jìn)行合理性分析并取平均值后,得到相似材料配比試驗(yàn)指標(biāo)，見表2。

表2 相似材料配比正交試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，抗壓強(qiáng)度分布在0.21～0.937 MPa,彈性模量分布在55.5～315.99 MPa,黏聚力分布在68.347～368.14 kPa,內(nèi)摩擦角分布在22.75°～57.74°,容重分布在15.86～19.09 kN/m3，這些力學(xué)指標(biāo)值分布范圍較廣。本試驗(yàn)是以宜萬鐵路野三關(guān)隧道為工程原型，根據(jù)相似原理求出了與原巖相對(duì)應(yīng)的模型材料物理力學(xué)參數(shù)，因此可以根據(jù)上面提供的指標(biāo)對(duì)配比進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，從而得到試驗(yàn)所需的配比。為了弄清楚影響因素對(duì)各物理力學(xué)指標(biāo)的影響規(guī)律，對(duì)相關(guān)的影響因素進(jìn)行敏感性分析是十分必要的。

3.3.1 容重的試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果中影響試件容重的各因素每個(gè)水平求平均值和極差，結(jié)果見表3。可知，因素A的極差最大，各因素對(duì)容重的敏感性大小為A>B>C,因素A對(duì)試樣容重的控制起主要作用。各因素與容重的關(guān)系見圖2。

表3 容重極差分析 kN/m3

水平組數(shù)石英砂/石英砂+重晶石粉A松香酒精溶液濃度B石蠟占質(zhì)量比C116.27517.3217.67217.60517.6117.485318.13517.5317.96418.53518.0717.435極差2.260.750.525

從圖2中可以看出，模型材料試件的容重隨著影響因素A(石英砂含量比)的增加而增加，其他2個(gè)影響因素對(duì)容重的影響不明顯。

圖2 各因素與容重的關(guān)系

3.3.2 抗壓強(qiáng)度與彈性模量的試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行敏感性分析，求得各因素每個(gè)水平平均值及極差，見表4。可知，對(duì)于抗壓強(qiáng)度來說，影響因素B(松香酒精溶液濃度)的極差最大，其次是A，最后是C，這說明松香酒精溶液濃度對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響最大，起控制作用。對(duì)于彈性模量，影響因素B(松香酒精溶液濃度)的極差最大，其次是A，各因素極差大小關(guān)系為B>A>C，說明松香酒精溶液濃度對(duì)試樣彈性模量的大小控制起主要作用。各因素與抗壓強(qiáng)度及彈性模量的關(guān)系，見圖3。

表4 抗壓強(qiáng)度及彈性模量極差結(jié)果 MPa

圖3 各因素與抗壓強(qiáng)度及彈性模量的關(guān)系

從圖3可以看出，抗壓強(qiáng)度與各影響因素的關(guān)系都是隨著A、B、C的取值增大而增大，松香酒精溶液濃度的影響最大，變化范圍為0.43～0.909 MPa。而彈性模量隨著影響因素A和B的取值增大而增大，且在一定范圍內(nèi)隨著影響因素C的增大而減小。在設(shè)計(jì)調(diào)整相似材料比時(shí)應(yīng)注意各因素如何影響抗壓強(qiáng)度及彈性模量。

3.3.3 抗拉強(qiáng)度影響因素分析

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果中影響試件抗拉強(qiáng)度的各因素每個(gè)水平求平均值和極差，結(jié)果見表5?？芍獦O差最大的是松香酒精溶液濃度B，其次是A和C，大小關(guān)系為B>A>C,說明酒精溶液濃度的大小對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響最大，起控制作用。各因素與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系見圖4。可知松香酒精溶液濃度的影響范圍為0.108 3～0.192 MPa,影響范圍大，在一定范圍內(nèi)因素C取值的增大也會(huì)引起抗拉強(qiáng)度的增大，但影響范圍有限，因素A與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系不大。

表5 抗拉強(qiáng)度極差結(jié)果 MPa

水平組數(shù)石英砂/石英砂+重晶石粉A松香酒精溶液濃度B石蠟占質(zhì)量比C10.13680.10830.132720.116250.10970.124330.15060.14050.140540.15180.1920.109極差0.034750.08370.0315

圖4 各影響因素與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

3.3.4 內(nèi)摩擦角及黏聚力影響因素分析

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果中影響試件內(nèi)摩擦角及黏聚力的各因素每個(gè)水平求平均值和極差，結(jié)果見表6?？芍獌?nèi)摩擦角極差最大的是因素A(石英砂/石英砂+重晶石粉)，最小的是石蠟重量比C；而黏聚力極差最大的是松香酒精溶液濃度B，最小的是因素A。各因素與內(nèi)摩擦角及黏聚力的關(guān)系見圖5。

表6 內(nèi)摩擦角及黏聚力極差結(jié)果

水平組數(shù)內(nèi)摩擦角/(°)粗骨料石英砂比重A松香酒精溶液濃度B石蠟質(zhì)量比C黏聚力/kPa粗骨料石英砂比重A松香酒精溶液濃度B石蠟質(zhì)量比C133.6938.6941.93187.73110.5134.52244.3244.0243.695146.9115.87181.77344.2339.8539.85178.67173.35173.35445.9545.6445.64176.38197.81200.14極差12.266.955.7940.8387.3165.62

由圖5可知，隨著因素A(石英砂骨料占比)的增加，內(nèi)摩擦角總體上有增大的趨勢(shì)，并在一定范圍內(nèi)顯著增大，其他兩因素與內(nèi)摩擦角的關(guān)系不大。隨著影響因素B和C取值的增大，試樣的黏聚力也顯著最大，而因素A(粗細(xì)骨料配比)對(duì)黏聚力的影響不大。

圖5 各影響因素與內(nèi)摩擦角及黏聚力的關(guān)系

3.3.5 水對(duì)模型試件抗壓強(qiáng)度的影響

由于配制的相似材料是用來模擬巖溶隧道突水突泥機(jī)理模型試驗(yàn)的，故要考慮到水對(duì)試樣的影響，特別是對(duì)試件強(qiáng)度的影響。根據(jù)試驗(yàn)的要求，每組選出了5個(gè)試樣泡水1 d后取出,再測其抗壓強(qiáng)度，對(duì)各組數(shù)據(jù)取均值得到表7。

表7 試樣泡水后的抗壓強(qiáng)度 MPa

試驗(yàn)組號(hào)1#2#3#4#5#6#7#8#抗壓強(qiáng)度0.1860.430.760.8060.3030.4620.6640.826試驗(yàn)組號(hào)9#10#11#12#13#14#15#16#抗壓強(qiáng)度0.5380.7720.6550.7120.4540.5720.6590.805

通過表2和表7的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),試樣泡水后,抗壓強(qiáng)度普遍下降,降幅最大的是15#試樣,達(dá)25.4%。各影響因素與泡水后的抗壓強(qiáng)度關(guān)系見圖6。

圖6 泡水后的抗壓強(qiáng)度與各影響因素的關(guān)系

通過圖3和圖6比較可知，泡水后的抗壓強(qiáng)度與各影響因素的關(guān)系曲線與未泡水的關(guān)系曲線非常相似，只是各水平組數(shù)的均值強(qiáng)度減少了，平均降幅為15.3%，為了更好地了解水對(duì)模型試驗(yàn)的影響，后續(xù)需做試驗(yàn)進(jìn)一步確定。

綜合分析各物理力學(xué)指標(biāo)與各影響因素的關(guān)系以及泡水后抗壓強(qiáng)度的變化等情況，進(jìn)行了一些試驗(yàn)，并通過計(jì)算得出相似材料各物理力學(xué)指標(biāo)與表1中所列的各參數(shù)指標(biāo)比較接近，且符合相似理論的相關(guān)要求。

4 結(jié) 論

(1)以宜萬鐵路野三關(guān)隧道突水突泥為原型，根據(jù)模型試驗(yàn)的需要，在前人大量研究的基礎(chǔ)上，研制以石英砂、重晶石粉為骨料，松香酒精溶液為粘結(jié)劑，石蠟為增水劑做相似材料，利用正交法以石英砂/石英砂+重晶石粉質(zhì)量比、松香酒精溶液濃度及石蠟的質(zhì)量比為影響因素，每個(gè)因素設(shè)置了4個(gè)水平，共設(shè)計(jì)了16組配比，每組制作20個(gè)試樣，進(jìn)行稱重及單軸壓縮、巴西劈裂和直剪試驗(yàn)等，得到了不同相似配比材料的容重、抗壓強(qiáng)度、彈性模量、抗拉強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角和黏聚力等物理力學(xué)指標(biāo)。

(2)對(duì)各組內(nèi)物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行分析并取平均值，然后采用極差分析法對(duì)各因素影響各物理力學(xué)性能指標(biāo)的敏感性進(jìn)行分析，得出石英砂/石英砂+重晶石粉質(zhì)量比對(duì)試樣容重和內(nèi)摩擦角起主要控制作用，而對(duì)抗壓強(qiáng)度、彈性模量、抗拉強(qiáng)度及黏聚力起控制作用的是松香酒精溶液濃度，石蠟主要對(duì)抗壓強(qiáng)度、彈性模量和黏聚力等有較大影響，特別是彈性模量會(huì)隨著石蠟含量的增加而減少，應(yīng)特別注意。

(3)為了得到較精確的相似材料配比方案，需綜合考慮各因素對(duì)各物理力學(xué)指標(biāo)的影響以及水對(duì)相似材料的影響，進(jìn)行相應(yīng)的配比調(diào)整，得到按照石英砂占骨料比重為43.8%,松香酒精溶液溶度為7.5%，石蠟含量為8.3%制成的模擬材料和原型材料相似，為下一步的突水突泥模型試驗(yàn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] 許振浩，李術(shù)才，李利平，等.基于層次分析法的巖溶隧道突水突泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J].巖土力學(xué),2011，32(6)：1757-1766.

[2] 董金玉，楊繼紅,楊國香，等.基于正交設(shè)計(jì)的模型試驗(yàn)相似材料的配比試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2012,37(1):44-49.

[3] 張 寧，李術(shù)才,李明田，等.新型巖石相似材料的研制[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2009,39(4):149-154.

[4] 李連貴，徐文勝,許迎年，等.巖爆模擬材料研制及模擬試驗(yàn)分析[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2001，29(6):80-82.

[5] 陳陸望，白世偉.脆性巖體巖爆傾向性的相似材料配比試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2006,27(S):1050-1054.

[6] 韓伯鯉，陳霞齡,宋一樂，等.巖體相似材料的研究[J].武漢水利電力大學(xué)學(xué)報(bào),1997，30(2):6-9.

[7] 張強(qiáng)勇,李術(shù)才,郭小紅.鐵晶砂膠結(jié)新型巖土相似材料的研制及其應(yīng)用[J].巖土力學(xué),2008,29(8):2126-2130.

[8] 馬芳平,李仲奎,羅光福.NIOS模型材料及其在地質(zhì)力學(xué)相似模型試驗(yàn)中的應(yīng)用[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2004,23(1):48-52.

[9] 彭海明,彭振斌，韓金田，等.巖性相似材料的研究[J].廣東土木與建筑,2002,12(12):13-17.

[10] 黃國軍，周 澄,趙海濤.牛頭山雙曲拱壩整體穩(wěn)定的三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究[J].西北水電,2004(2):49-53.

[11] 李曉紅，盧義正，康 勇,等.巖石力學(xué)試驗(yàn)?zāi)M技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社，2007.

[12] 沈 泰.地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)展[J].長江科學(xué)院院報(bào)，2001，18(5):32-36.

[13] 董昌周，區(qū) 晨.隧道圍巖體相似材料試驗(yàn)研究[J].浙江科技學(xué)院院報(bào)，2011(12)：499-502.

[14] 王漢鵬，李術(shù)才,張強(qiáng)勇，等.新型地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)相似材料的研制[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006,25(9):1842-1847.

[15] 林韻梅.實(shí)驗(yàn)巖石力學(xué)—模擬研究[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1984.

[16] 左保成,陳從新,劉才華，等.相似材料試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2004,25(11):1805-1808.

Development of the Similar Material of Water or Mud Inrush Clay Model Test in Deep and Long Tunnel

Xia Yuanpu1,2Jiang Kaifeng1,2Xing Haozhe1,2Fan Pengxian1,2

(1.Defense Engineering College, PLA University of Science and Technology;2.State Key Laboratory for Disaster Prevention & Mitigation of Explosion & Impact)

In order to do research on the occurrence mechanise of water or mud inrush of krast tunnel, according to the theory of similar test model, taking the Yesanguang tunnel of Yichang-Wanzhou railway as an research example, a new similar mateiral is developed based on the existing research results. According to the orthogonal experiment design principle, 16 groups of similar material tests are designed, physical and mechanical indexs such as uniaxial compressive strength, elastic modulus, uniaxial tensile strength, bulk density, angle of internal friction and cohension of the specimens are tested. The sensitivity of various factors to the above indexes are analyzed by using the spannweite analysis method, the visual diagram of various factors to the above physical and mechanical indexes is obtained, and the influence law of various factors to the above physical and mechanical indexes is analyzed. Besides that, combing with the influence of water to the specimens, according to the actual situation, the ratio of similar material is adjusted so as to meet the requirements of water or mud inrush model.

Water or mud inrush model, Similar material, Spannweite analysis method

*國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2013CB036005)。

2014-08-08)

夏沅譜(1989—)，男，碩士研究生，210007 江蘇省南京市。