楊善統(tǒng)，陳 娜，陳飛宇，劉貴應(yīng)，周 彬

(1.武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072;2.中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，重慶 401121)

深基坑模型試驗(yàn)相似材料研究

楊善統(tǒng)1，陳 娜1，陳飛宇1，劉貴應(yīng)2，周 彬2

(1.武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072;2.中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，重慶 401121)

選擇合適的相似材料是開(kāi)展模型試驗(yàn)研究的關(guān)鍵。為確定沙坪壩鐵路樞紐工程深基坑模型試驗(yàn)中用來(lái)模擬砂巖和泥巖的相似材料，選取重晶石粉、石膏、甘油和水作為原材料，采用正交試驗(yàn)法進(jìn)行配比研究。設(shè)計(jì)了3種不同的養(yǎng)護(hù)方式分析其對(duì)相似材料性能的影響，并采用極差分析法研究各種原材料對(duì)巖體相似材料力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明:用重晶石粉、石膏、甘油和水來(lái)模擬砂巖和泥巖是可行的;重晶石粉和石膏對(duì)相似材料性能影響最大，甘油次之，水最小;3種不同養(yǎng)護(hù)方式下相似材料性能變化較小。通過(guò)試驗(yàn)最終得到綜合性能較為接近的兩組配比來(lái)模擬砂巖和泥巖。

模型試驗(yàn) 相似材料 正交試驗(yàn) 養(yǎng)護(hù)方式 極差分析

巖體的物理模型試驗(yàn)?zāi)軌蜉^為真實(shí)地模擬復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造及地層組合，從而研究巖體的受力特性、破壞機(jī)制等問(wèn)題。巖體相似材料的研究是物理模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)，選取合理的模型材料及配比對(duì)物理模型試驗(yàn)極其重要［1］。

韓伯鯉等［2］(1997)開(kāi)發(fā)了一種以加膜鐵粉和重晶石粉為骨料，以松香為膠結(jié)劑的新型MIB材料，擴(kuò)大了該項(xiàng)材料的適用范圍。左保成等［3］(2004)采用石英砂、石膏和水泥的混合物模擬灰?guī)r，并添加濃度2%的動(dòng)物膠作為緩凝劑，研究了在相似材料中骨料與膠結(jié)物的配比、膠結(jié)物中的膠結(jié)材料配比及不同養(yǎng)護(hù)方式對(duì)相似材料強(qiáng)度的影響規(guī)律。王漢鵬等［4］(2006)以鐵精粉、重晶石粉和石英砂作為骨料，石膏作為調(diào)節(jié)劑，松香和酒精溶液作為膠結(jié)劑，研制出一種新型的相似材料鐵晶砂膠結(jié)料(IBSCM)。黃平路等［5］(2008)采用重晶石粉、鐵粉、甘油和水4種材料混合制成巖體相似材料，并進(jìn)行了某鐵礦工程的二維相似模型研究。張強(qiáng)勇等［6］(2008)以鐵礦粉、重晶石粉、石英砂、石膏粉和松香酒精為原材料研制出一種新型鐵晶砂膠結(jié)巖土相似材料。該材料具有重度高、低抗壓強(qiáng)度、低彈性模量、性能穩(wěn)定、無(wú)毒無(wú)害等優(yōu)點(diǎn)。

本文以沙坪壩鐵路樞紐工程深基坑模型試驗(yàn)研究為依托，模擬工程中的砂巖與泥巖兩種巖體材料，主要模擬其重度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量、變形模量等參數(shù)。通過(guò)選擇合適的材料進(jìn)行正交試驗(yàn)［7-8］配比研究，并設(shè)計(jì)不同的養(yǎng)護(hù)方案，研究養(yǎng)護(hù)方式對(duì)相似材料的影響。同時(shí)，采用極差分析法［9］研究各種原材料對(duì)巖體相似材料物理力學(xué)參數(shù)的影響，以此指導(dǎo)材料的配比研究。

1 原材料選取

相似材料的選取是物理模型試驗(yàn)中最重要的部分，相似材料應(yīng)滿(mǎn)足以下原則:①主要的力學(xué)及變形性能與模擬的巖體材料相似;②模型材料的變形模量、彈性模量要有較大的可調(diào)范圍;③制作方便，成型容易，凝固成型時(shí)沒(méi)有大的收縮;④原料來(lái)源豐富、價(jià)廉易得，易于加工成型;⑤試驗(yàn)中模型材料的物理力學(xué)性能穩(wěn)定，不因溫度、濕度的改變而產(chǎn)生明顯變化。

通常需根據(jù)研究課題的性質(zhì)尋找滿(mǎn)足主要物理力學(xué)參數(shù)相似的材料。由相似理論［10］可得到相似材料的物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 巖體相似材料的主要物理力學(xué)參數(shù)

由于本試驗(yàn)主要是研究基坑的變形情況，故主要以材料的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和變形模量作為測(cè)試參數(shù)。綜合考慮本試驗(yàn)原型地質(zhì)情況、應(yīng)力狀態(tài)、試驗(yàn)設(shè)備、材料價(jià)格與性能等因素，選擇重晶石粉、石膏、甘油和水作為原材料進(jìn)行相似材料試驗(yàn)研究。其中重晶石

粉是由山東濟(jì)南天和建材廠生產(chǎn)，規(guī)格為30～60目;石膏為湖北三寶石膏制品有限公司生產(chǎn)的半水纖維白石膏粉;甘油是由廣州廣醇化工科技有限公司生產(chǎn)，純度99.5%。主骨料為重晶石粉，膠結(jié)劑為石膏，添加劑包括甘油和水。

2 相似配比試驗(yàn)

2.1 試件制備與試驗(yàn)過(guò)程

依《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(SL264—2001)，單軸壓縮試驗(yàn)試樣規(guī)格取φ50 mm×100 mm。

試件制備方案:每一配比試驗(yàn)組制備6個(gè)試件，在相應(yīng)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)，然后在液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果取除去最大和最小后4個(gè)試件數(shù)據(jù)的平均值。試驗(yàn)過(guò)程如下:

1)對(duì)試件的原材料進(jìn)行研磨、稱(chēng)量，放入攪拌機(jī)攪拌2 min，然后裝入模具中分3次振動(dòng)密實(shí)，每次振動(dòng)30 s。將制備好的試塊頂部磨平，使之與模具頂面基本持平;

2)1 d后脫模，把試件放在相應(yīng)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù); 3)養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，對(duì)試件的上下面進(jìn)行磨平處理; 4)采用萬(wàn)能壓縮機(jī)做單軸壓縮試驗(yàn)，壓縮控制方式選擇位移控制模式，加載速率為0.010 mm/s;

5)通過(guò)數(shù)據(jù)處理得到試件的應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)及單軸抗壓強(qiáng)度、變形模量等參數(shù)。

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

初選原材料有4個(gè)因子，若按照全面組合試驗(yàn)則試驗(yàn)次數(shù)很多，采用正交試驗(yàn)可以大大減少試驗(yàn)工作量。正交試驗(yàn)從大量試驗(yàn)因子中選出具有均勻分散、齊整可比的代表點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，其特點(diǎn)是:每一因子不同水平在試驗(yàn)中出現(xiàn)的次數(shù)相同(均衡性);任意兩因子不同水平組合在試驗(yàn)中出現(xiàn)的次數(shù)也相同(正交性)。

第一批試驗(yàn)為正交試驗(yàn)，相似材料正交設(shè)計(jì)水平如表2所示。采用正交表設(shè)計(jì)后，進(jìn)行9組試驗(yàn)，見(jiàn)表3。養(yǎng)護(hù)方案為:自然條件下晾放，每天8:00，15:00，22:00時(shí)測(cè)量試件質(zhì)量，直到質(zhì)量保持恒定，周期為15 d。

表2 相似材料正交設(shè)計(jì)水平

第二批試驗(yàn)為養(yǎng)護(hù)方式試驗(yàn)，從第一批試驗(yàn)中選取較為接近目標(biāo)配比的兩組配比在3種不同養(yǎng)護(hù)方式下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，即砂巖樣3組、泥巖樣3組，共6組。養(yǎng)護(hù)方式1為自然條件下晾放15 d;養(yǎng)護(hù)方式2為放置在35℃氣溫下，每天8:00，15:00，22:00時(shí)測(cè)量試件質(zhì)量，直到質(zhì)量保持恒定(試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)此過(guò)程需5 d);養(yǎng)護(hù)方式3為35℃氣溫下養(yǎng)護(hù)5 d，然后晾放在自然條件下，每天8:00，15:00，22:00時(shí)測(cè)量試件質(zhì)量，4 d后質(zhì)量保持恒定。取砂巖樣組(每組6個(gè)試件)繪制試件質(zhì)量—養(yǎng)護(hù)時(shí)間曲線(xiàn)，見(jiàn)圖1。

表3 相似材料試驗(yàn)正交設(shè)計(jì)表L9(33)

圖1 不同養(yǎng)護(hù)方式下試件質(zhì)量—養(yǎng)護(hù)時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)

第三批試驗(yàn)，從前兩次試驗(yàn)中選擇合適的配比及養(yǎng)護(hù)方式，并通過(guò)極差分析得到各材料因子的影響大小，進(jìn)而再細(xì)分材料等級(jí)進(jìn)行正交試驗(yàn)，直至找到合適的配比方案。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

第一批試驗(yàn)試件物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4?？芍嗨撇牧系母髁W(xué)參數(shù)測(cè)量值分布較廣，基本可以滿(mǎn)足各種巖體材料的要求。其中第3組、第4組同泥巖、砂巖指標(biāo)較為接近，因此將這兩組配比用作后續(xù)試驗(yàn)。

隨機(jī)選取出第6組第2個(gè)試件，其應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。可知，該材料在壓縮過(guò)程中經(jīng)歷了壓密階段、彈性階段、塑性階段和破壞階段。相似材料的單

軸壓縮破壞機(jī)理與砂巖、泥巖極為相似，因此選用該相似材料模擬砂巖、泥巖是可行的。

表4 第一批試驗(yàn)試件物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

圖2 模型材料試件的應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)

第二批試驗(yàn)在不同養(yǎng)護(hù)方式下的抗壓強(qiáng)度曲線(xiàn)見(jiàn)圖3，其中抗壓強(qiáng)度為每組試驗(yàn)的平均值。

圖3 不同養(yǎng)護(hù)方式下試件的抗壓強(qiáng)度

由圖3可見(jiàn):①養(yǎng)護(hù)方式2對(duì)應(yīng)的試件抗壓強(qiáng)度最大，由于養(yǎng)護(hù)方式3對(duì)應(yīng)的試件質(zhì)量有所增加(增加的成分為水)，養(yǎng)護(hù)方式1對(duì)應(yīng)的試件含水量比養(yǎng)護(hù)方式2大(參見(jiàn)圖1)，說(shuō)明含水多的試件強(qiáng)度比含水少的低;②3種養(yǎng)護(hù)方式下強(qiáng)度變化不超過(guò)0.02 MPa，變化不大，因此為提高試驗(yàn)效率，第三批試驗(yàn)養(yǎng)護(hù)條件采用35℃氣溫下養(yǎng)護(hù)5 d。

采用極差分析法對(duì)第一批正交試驗(yàn)各材料因子進(jìn)行分析。將材料因子的各水平求平均值，然后用所得平均值求各材料因子的極差，結(jié)果見(jiàn)表5。極差大說(shuō)明該因素的不同水平產(chǎn)生的差異大，是重要因素，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響明顯。由表5可知，重晶石粉與石膏的極差最大，而且與其他兩項(xiàng)差異較大，說(shuō)明重晶石粉與石膏是最重要的因素，而甘油的極差次之，水的最小;其中甘油對(duì)于重度和抗壓強(qiáng)度的極差約為重晶石粉與石膏的1/4，但對(duì)變形模量和彈性模量的極差卻為重晶石粉與石膏的1/2左右，由此可看出甘油對(duì)變形模量和彈性模量的影響較為明顯。因此，在材料配比時(shí)，優(yōu)先考慮調(diào)節(jié)重晶石粉與石膏配比，將之控制在較為接近的范圍，并通過(guò)調(diào)節(jié)甘油含量使結(jié)果更為準(zhǔn)確。

表5 材料因子極差計(jì)算結(jié)果

第三批試驗(yàn)對(duì)配比進(jìn)行了細(xì)分，共做了40組試驗(yàn)，并選取第39組(8∶1，5.2%，9.5%)配比所得材料模擬砂巖，選取第36組(44∶1，5.8%，7.4%)配比所得材料模擬泥巖。所選配比相似材料試件物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表6。可見(jiàn)配比所得材料與目標(biāo)相似材料已較為接近，表明用該相似材料模擬巖體材料是可行的。

表6 相似材料試件的物理力學(xué)參數(shù)

4 結(jié)論

1)以重晶石粉、石膏、甘油和水作為原材料配比所得的相似材料無(wú)論是單軸壓縮破壞模式，還是應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)與砂巖、泥巖材料性能都非常相似，而且相似材料的各力學(xué)參數(shù)可調(diào)范圍較廣，可用來(lái)模擬砂巖和泥巖。

2)試驗(yàn)中3種不同養(yǎng)護(hù)方式對(duì)材料性能有一定影響，但影響不是很明顯。由極差分析結(jié)果可知，重晶石粉和石膏對(duì)相似材料的影響最為明顯，其次是甘油，水的影響最小。因此配比試驗(yàn)優(yōu)先調(diào)節(jié)重晶石粉和石膏，然后用甘油進(jìn)行微調(diào)。

3)綜合物理力學(xué)各參數(shù)，配比所得相似材料與目標(biāo)值較為接近，可用于砂巖和泥巖的模擬試驗(yàn)。該相似材料已應(yīng)用在沙坪壩鐵路樞紐工程深基坑模型試驗(yàn)第一批試驗(yàn)中。其性能優(yōu)越，效果良好。

［1］白占平，曹蘭柱，白潤(rùn)才.相似材料配比的正交試驗(yàn)研究［J］.露天采煤技術(shù)，1996(3):22-23.

［2］韓伯鯉，陳霞齡，宋一樂(lè)，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.

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

［4］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.

［5］黃平路，陳從新.露天與地下聯(lián)合開(kāi)采引起巖層移動(dòng)規(guī)律的模型試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2008，29(5):1310-1314.

［6］張強(qiáng)勇，李術(shù)才，郭小紅，等.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.

［7］高富強(qiáng)，王興庫(kù).巖體力學(xué)參數(shù)敏感性正交數(shù)值模擬試驗(yàn)［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2008，25(1):95-98.

［8］于懷昌，余宏明，劉漢東，等.基于正交試驗(yàn)與運(yùn)動(dòng)學(xué)的滾石防護(hù)計(jì)算方法［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010，35(1):55-60.

［9］董金玉，楊繼紅，楊國(guó)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(1):44-49.

［10］仵鋒鋒，曹平，萬(wàn)琳輝.相似理論及其在模擬試驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.采礦技術(shù)，2007(4):64-65，78.

Research on similar materials used in model test for deep foundation pit

YANG Shantong1，CHEN Na1，CHEN Feiyu1，LIU Guiying2，ZHOU Bin2
(1.School of Civil and Architectural Engineering，Wuhan University，Wuhan Hubei 430072，China; 2.China Railway Eryuan Engineering Group Co.ltd，Chongqing 401121，China)

Selecting the proper similar materials is the key to carry out model test research.T o determine the similar materials simulating sandstone and mudstone of deep foundation pit model test in Shapingba railway project，the barite powder，plaster，glycerin and water were selected as raw materials and the orthogonal experimental method was adopted for the proportion research.T hree different maintenance modes were designed and their effects on similar material performance were analyzed，and the impact of each raw material on mechanical properties of rock similar materials was studied by adopting range analysis method.T he results indicated that it is feasible to use the barite powder，plaster，glycerin and water to simulate sandstone and mudstone，the barite powder and plaster have the greatest influence on the similar material performance，followed by glycerol，and water has the minimal impact，and similar material performance changes little in different maintenance modes.T wo ratios which have similar comprehensive performance were used to simulate sandstone and mudstone by tests.

M odel test;Similar material;Orthogonal experiment;M aintenance mode;Range analysis

TU458+.4;TU94

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.23

(責(zé)任審編 李付軍)

2015-04-15;

:2015-05-26

重慶市應(yīng)用開(kāi)發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(cstc2014yykfB30003)

楊善統(tǒng)(1989— )，男，云南龍陵人，碩士研究生。

1003-1995(2015)09-0078-04