孟剛，袁延召,，申艷軍，張凱峰，劉磊

（1. 中建西部建設(shè)北方有限公司，陜西　西安　710116；2. 西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，陜西　西安　710054）

裂隙類巖石試件的配比探討

孟剛1，袁延召1,2，申艷軍2，張凱峰1，劉磊1

（1. 中建西部建設(shè)北方有限公司，陜西西安710116；2. 西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，陜西西安710054）

本文就寒區(qū)裂隙巖石的類比研究的關(guān)鍵問(wèn)題即模擬巖石基本性質(zhì)的類巖石混凝土的配比，通過(guò)對(duì)砂巖的模擬類巖石的配比過(guò)程闡述相似試驗(yàn)的原理，并對(duì)含有初始貫通單裂隙類巖石試件的配比設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，總結(jié)歸納出制備此類試驗(yàn)的規(guī)范制備流程及方法，為后期標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)方法以及流程提供技術(shù)借鑒。

寒區(qū)；裂隙；巖石；配比

0　引言

在寒區(qū)隧道建設(shè)方面，我國(guó)多條鐵路隧道都存在著凍害現(xiàn)象。因?yàn)閮龊Φ淖饔糜绊?，個(gè)別隧道常年不能進(jìn)行使用，不少隧道由于隧道滲漏嚴(yán)重，導(dǎo)致襯砌滲水掛冰，幾乎報(bào)廢，或因襯砌積水凍脹造成混凝土襯砌開(kāi)裂，隧道滲漏結(jié)冰。此類巖體工程災(zāi)害問(wèn)題屢見(jiàn)不鮮，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響隧道正常運(yùn)營(yíng)。因此，對(duì)寒區(qū)巖體凍融破壞的問(wèn)題進(jìn)行深入的研究具有長(zhǎng)遠(yuǎn)意義，目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于裂隙巖體的試驗(yàn)研究已經(jīng)碩果累累，鑒于含有初始貫通裂隙天然巖體試件難以制作等原因，目前研究大多采用類巖石混凝土試件進(jìn)行相似模擬研究。本文將重點(diǎn)闡述相似試驗(yàn)的原理，對(duì)含有初始貫通單裂隙類巖石試件的配比原理以及試件的制備過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行闡述，為今后類巖石工藝流程提出規(guī)范性建議以及借鑒。

1　類巖石的相似理論以及配合比研究

通常，我們把兩個(gè)及以上的事物存在共同現(xiàn)象或規(guī)律的時(shí)候稱為“相似”。在科學(xué)研究及工程應(yīng)用中，我們分別稱這兩者為“模型”和“原型”。通過(guò)研究“模型”的性質(zhì)規(guī)律以達(dá)到對(duì)“原型”探究的手段，稱之為相似模擬。在當(dāng)前方興未艾的科學(xué)研究中，相似模擬研究已經(jīng)成為一種非常重要的科學(xué)研究手段，而對(duì)于類巖石的配合比研究根據(jù)相似理論的規(guī)律對(duì)混凝土的配比進(jìn)行計(jì)算以及拓展。

1.1相似定理

相似理論以三個(gè)相似定理為基礎(chǔ)[1]，相似定理可用來(lái)指導(dǎo)模型的設(shè)計(jì)及相關(guān)運(yùn)用。

（1）相似第一定理

相似第一定理也叫相似正定理，可表述為：對(duì)相似的現(xiàn)象其相似指標(biāo)等于1?；蛘弑硎鰹椋簩?duì)相似的現(xiàn)象，其相似準(zhǔn)則的數(shù)值相同。如果兩系統(tǒng)在對(duì)應(yīng)的各點(diǎn)上均能滿足相似現(xiàn)象所對(duì)應(yīng)的物理量之比為常數(shù)這一條件，并且兩系統(tǒng)的物理現(xiàn)象都可以用同一基本方程來(lái)描述，則稱兩系統(tǒng)的現(xiàn)象相似。這一定理通過(guò)定義現(xiàn)象的相似來(lái)確定其性質(zhì)，并對(duì)相似模擬試驗(yàn)提供指導(dǎo)方向。當(dāng)使用這個(gè)定理進(jìn)行模擬試驗(yàn)時(shí)，需要先推導(dǎo)出其相似準(zhǔn)則，之后再測(cè)量出相關(guān)的物理量，終而得出相似準(zhǔn)則的數(shù)值。

（2）相似第二定理

相似第二定理也叫Π定理，可表述為：約束兩相似現(xiàn)象的基本物理方程可以用量綱分析的方法轉(zhuǎn)換成相似判據(jù) 方程來(lái)表達(dá)新方程，即轉(zhuǎn)換成Π方程，且兩個(gè)相似系統(tǒng)的 方程必須相同。

對(duì)某一物理現(xiàn)象有n個(gè)物理量，其自變量和因變量可表示如下：

式中：k個(gè)物理量的量綱是獨(dú)立的，其余的為導(dǎo)出量綱。經(jīng)過(guò)相似變換可表示成相似準(zhǔn)則 之間的函數(shù)，即

根據(jù)第二相似定理可知，即使不知道現(xiàn)象的數(shù)理方程，只要知道相關(guān)的參數(shù)，根據(jù) 定理推導(dǎo)出準(zhǔn)則方程，即可進(jìn)行研究。同時(shí)，第二相似定理可減少變量的個(gè)數(shù)，也減少了試驗(yàn)次數(shù)。

（3）相似第三定理

相似第三定理也叫相似存在定理，可表述為：同類物理現(xiàn)象，如果單值量相似，而且由單值量所組成的相似判據(jù)在數(shù)值上相等，現(xiàn)象才相互相似。

通過(guò)上述的三個(gè)相似定理，可以看出，根據(jù)相似第一定理，可以將相似試驗(yàn)中模型系統(tǒng)內(nèi)的相似判據(jù)推廣到原型系統(tǒng)之中，但這只是個(gè)理論上的概念，在實(shí)際應(yīng)用中，效果并不明顯。根據(jù)相似第二定理，可以將模型試驗(yàn)的結(jié)果應(yīng)用在原型之上。相似第三定理指出了相似試驗(yàn)中所應(yīng)遵守的準(zhǔn)則。因而，后兩個(gè)相似定理更為實(shí)用。

1.2相似比

如果模型和原型的兩個(gè)系統(tǒng)相似，則兩者之間在幾何特征和物理特征方面肯定存在一定的比例關(guān)系，由此便可以模型的特征為依據(jù)來(lái)研究原型的特征。將原型P與模型M之間相同的物理量之比叫做相似比[2]，以字母C來(lái)表示。此處定義，L為長(zhǎng)度， γ為重度，δ為位移，X為應(yīng)力，ε為應(yīng)變，σi為抗拉強(qiáng)度，σc為抗壓強(qiáng)度，c為內(nèi)聚力，φ為內(nèi)摩擦角，μ為泊松比，f為摩擦系數(shù)。

另外，相似模擬試驗(yàn)中的相似比還應(yīng)滿足如下關(guān)系：

1.3配比方案設(shè)計(jì)

目前，對(duì)裂隙巖體的試驗(yàn)研究越來(lái)越多，能否獲取理想的裂隙巖樣對(duì)于研究成敗至關(guān)重要。然而，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣的手段獲取滿足試驗(yàn)要求、具有不同裂隙特征的巖樣是十分困難的。目前，在完整巖樣中預(yù)制貫通裂隙有刀具切割、高壓水切、鋸條切割、激光切割等手段，但效果都不甚理想。類巖石混凝土試件具有取材方便、易于成型，可通過(guò)改變材料配比調(diào)節(jié)各項(xiàng)參數(shù)使之類同于巖石特征等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于相似模擬試驗(yàn)中。因而，找到一種能模擬巖石特性的類巖石混凝土材料來(lái)替代裂隙巖體進(jìn)行相關(guān)物理試驗(yàn)是一個(gè)較為理想的方法。在進(jìn)行配比方案研究之前，有必要對(duì)國(guó)內(nèi)同行相關(guān)類巖石材料配比方案及思路進(jìn)行匯總，如表1。

總結(jié)前人相似材料的研究成果發(fā)現(xiàn)，前人多采用細(xì)砂為粗骨料，水泥、重晶石粉為細(xì)骨料，石膏為膠結(jié)劑，水及各種添加劑按一定比例混合配制出類巖石材料來(lái)模擬砂巖等軟巖材料。制備出的類巖石材料與天然的巖石材料相比符合相似準(zhǔn)則，具有和巖石相似的剪脹特性與脆性特性。同時(shí)，通過(guò)調(diào)整類巖石材料的配比可以很好的模擬不同巖石材料的強(qiáng)度和變形等特征。因此，巖石力學(xué)相關(guān)的物理力學(xué)試驗(yàn)廣泛采用相似材料來(lái)替代。本試驗(yàn)依據(jù)相關(guān)研究成果，確定采用白水泥、河砂、石膏、鐵粉、水為基本原材料，研制能夠模擬白堊系砂巖的相似材料。

表1　類巖石相似材料配比總結(jié)[3-20]

為了嚴(yán)格控制類巖石材料與白堊系砂巖材料在物理、力學(xué)及熱物理參數(shù)方面的相似性，根據(jù)各種基本原材料的性能差異，本文基于正交試驗(yàn)法對(duì)不同摻量水泥、砂、石膏、鐵粉的配比進(jìn)行研究。以最貼近砂巖各方面性質(zhì)的配比為基準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)對(duì)基準(zhǔn)配比數(shù)十次的微調(diào)和測(cè)試，最終確定出類巖石試件的最優(yōu)質(zhì)量配合比（水泥:砂子:鐵粉:石膏:水=11:11:0.6:5.6:1）。通過(guò)對(duì)最終配比制作出的類巖石試件物理參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，可以看出各項(xiàng)物理參數(shù)與白堊系砂巖非常接近，相似比尺符合要求，能夠滿足相似準(zhǔn)則，可作為模擬白堊系砂巖的相似材料進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

2　類巖石試樣的制樣設(shè)備及過(guò)程工藝

對(duì)上述的材料的制備只是對(duì)相似度進(jìn)行了配比，但是要將配合比對(duì)類巖石進(jìn)行制備過(guò)程以及批量生產(chǎn)的設(shè)備進(jìn)行制備。由此很有必要對(duì)類巖石的制備的過(guò)程進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)范，根據(jù)前人的設(shè)計(jì)規(guī)范以及總結(jié)其制備過(guò)程，以及一些混凝土構(gòu)件的基本的制備過(guò)程，本文總結(jié)了一套規(guī)范的裂隙混凝土的制備過(guò)程，并通過(guò)對(duì)初始單裂隙的試件制備來(lái)表述這一規(guī)范流程，為后期的試驗(yàn)提供技術(shù)借鑒。

表2　白堊系砂巖與類巖石材料的參數(shù)對(duì)比

2.1制樣設(shè)備

類巖石試樣的制備過(guò)程是在西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院建筑材料實(shí)驗(yàn)室完成的。制備試樣所需的設(shè)備及材料如下：

（1）TD型電子天平：精度±0.01g。

（2）量杯、量筒：用于稱量各種原材料質(zhì)量和體積。

（3）水泥膠砂攪拌機(jī)：用以攪拌各配制材料。

（4）批灰刀：用于混合、攪拌物料和制樣。

（5）試樣模具盒：材質(zhì)為有機(jī)玻璃，尺寸為80mm×80mm×100mm，含有初始單裂隙（0°、45°）傾角各5個(gè)。

（6）鐵模具盒：材質(zhì)為鐵，含有三個(gè)100mm×100mm×100mm凹槽，用以固定自制有機(jī)玻璃模試樣具盒，進(jìn)而利用振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行振搗。

（7）龍骨木楔：木質(zhì)材料，規(guī)格為20mm×40mm×120mm，數(shù)量若干。

（8）薄鐵片：規(guī)格為80mm×80mm×1mm，用以插入自制的試樣模具盒與龍骨中間，起到擠壓緊密的效果，數(shù)量若干。

（9）裂隙鐵片：規(guī)格為90mm×15mm×3mm，制作試件時(shí)，插入模具盒以預(yù)制裂隙。

（10）ZH·DG-80型混凝土試驗(yàn)振動(dòng)臺(tái)：制樣過(guò)程中用來(lái)振搗。

（11）輔助材料：螺絲刀、膠帶、剪刀、銼刀。

2.2試件制作過(guò)程

基于上文中確定的類巖石材料配合比，進(jìn)行單裂隙類巖石試件的制作。后續(xù)試驗(yàn)中的各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果與制備出的類巖石試件的密實(shí)性、均一性、完整性密切相關(guān)。因而，必須嚴(yán)格按照制樣流程操作，細(xì)心制備，制作過(guò)程如下：

（1）稱量：按設(shè)計(jì)好的材料配比分別稱量白水泥、砂子、石膏、鐵粉和水，倒入各自的容器中。

（2）攪拌：將所稱量的水泥、石膏、鐵粉、蒸餾水、砂子依次倒入攪拌機(jī)中進(jìn)行攪拌。

（3）組裝模具盒：將有機(jī)玻璃模具盒組裝完成、并在其內(nèi)部涂抹凡士林。將方形鐵片用膠帶粘貼在有機(jī)玻璃模具盒底部，把裂隙鐵片插入有機(jī)玻璃模具盒中。之后，將有機(jī)玻璃模具盒放入鐵模具盒中，并用龍骨木楔將有機(jī)玻璃模具盒固定在鐵模具盒中。

（4）填充物料：將攪拌好的混合料，添加到有機(jī)玻璃模具盒中至1/3高度處。

（5）振搗：將鐵模具盒放在振動(dòng)臺(tái)上，隨著振搗過(guò)程中氣泡的溢出，加入混合料直至高出有機(jī)模具盒子，振搗至混合料中無(wú)氣泡溢出，再將有機(jī)模具盒從鐵模具盒中拿出。

（6）拆模養(yǎng)護(hù)：振搗完成12h后，拔出裂隙鐵片，拆掉有機(jī)玻璃模具盒，取出試樣放入恒溫養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行恒溫養(yǎng)護(hù)28天。

圖1　制樣所需的設(shè)備及材料

圖2　類巖石試件的制備過(guò)程

2.3試件打磨及篩選

利用自制有機(jī)模具盒澆筑的類巖石試樣，其上下端部表面將不夠平整。因此在制樣過(guò)程中，混合料的澆筑高度略高出模具盒表面，試樣高度略高于100mm。待養(yǎng)護(hù)完成后，利用雙端面磨平機(jī)，將試件兩端部打磨平整，最后獲得的單裂隙巖體類巖石試件尺寸為 φ50mm×100mm。試件在尺寸和精度上都滿足《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[23]中的相關(guān)要求，即試件高度與直徑之比宜為2.0～2.5，試件直徑在48～54mm；試件兩端面不平行度誤差不大于0.05mm，沿試件高度、直徑的誤差不大于0.3mm，端面垂直于試件軸線，偏差不大于0.25°的規(guī)定。

根據(jù)熱物理參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)中關(guān)于試件尺寸的要求，待試件養(yǎng)護(hù)完成后，挑取幾個(gè)類巖石試件，利用自動(dòng)切石機(jī)將其切割，再通過(guò)雙端面磨平機(jī)打磨，最終制備出足量的尺寸為φ50mm×30mm的巖樣（圖3）。

對(duì)制作完成的試件進(jìn)行篩選，以剔除不適宜進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)的類巖石試樣。首先利用肉眼觀察，挑出具有明顯孔洞、缺陷、裂紋的試件，其次剔除高度、質(zhì)量有明顯差異性的試件，最后根據(jù)試件的縱波波速篩選?？v波波速測(cè)試驗(yàn)采用RSMSY5智能聲波檢測(cè)儀對(duì)不同裂隙角度的類巖石試件進(jìn)行縱波波速測(cè)試，根據(jù)波速大小，篩選波速在理想范圍內(nèi)的試件，最后將所有試件進(jìn)行分類編號(hào)。

圖3　類巖石試件打磨及篩選

3　結(jié)論

本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)類巖石材料配比試驗(yàn)，根據(jù)相似試驗(yàn)原理，利用正交試驗(yàn)法確定多組材料的質(zhì)量配比，制作出單裂隙巖體試件，測(cè)試其各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)，并與天然巖石相比較，確定出最貼近砂巖特性的最優(yōu)材料配合比，并對(duì)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行規(guī)范性總結(jié)，得出以下結(jié)論：

（1）本文根據(jù)相似理論等原理，得出最佳的配比方案，最終確定砂巖的類巖石試件的配合比為水泥:砂子:鐵粉:石膏:水=11:11:0.6:5.6:1。

（2）根據(jù)自行設(shè)計(jì)的有機(jī)玻璃模具盒及相關(guān)器具，總結(jié)了一套單裂隙類巖石試件的標(biāo)準(zhǔn)化制作方法以及規(guī)范的制樣流程，為后期的試驗(yàn)提供技術(shù)借鑒。

（3）基于理論推理得出的配合比，通過(guò)規(guī)范的制樣流程制作出大量含有傾角（0°、45°）的裂隙巖體類巖石試件。類巖石材料試件的制作模擬裂隙巖體凍融循環(huán)及受荷試驗(yàn)提供了可靠的試驗(yàn)對(duì)象的規(guī)范操作的整體流程。

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［通訊地址］陜西省西安市長(zhǎng)安區(qū)王寺西街中建西部建設(shè)北方有限公司研發(fā)中心（710116）

孟剛（1970—），男，中建西部建設(shè)北方有限公司技術(shù)質(zhì)量部經(jīng)理。