黃震，李曉昭，李仕杰，趙奎，許宏偉，吳銳

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隧道突水模型試驗(yàn)流固耦合相似材料的研制及應(yīng)用

黃震1, 2, 3，李曉昭1，李仕杰2，趙奎2，許宏偉2，吳銳2

(1. 南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京，210023； 2. 江西理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州，341000； 3. 中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州，221116)

為研究開挖擾動下隧道圍巖滲透突水演化規(guī)律，基于流固耦合相似理論，以水泥和石膏為膠結(jié)材料、砂為骨料，通過大量室內(nèi)試驗(yàn)配置一種能夠滿足彈性模量、強(qiáng)度、親水性、孔隙率、滲透系數(shù)以及軟化系數(shù)等要求的流固耦合相似材料。采用正交試驗(yàn)方法優(yōu)化相似材料的配比試驗(yàn)，研究各因素(砂粒徑、膏砂比、灰砂比、水砂比)對相似材料力學(xué)與水理性能的影響規(guī)律，并將該流固耦合相似材料應(yīng)用于隧道突水物理模型試驗(yàn)中。研究結(jié)果表明：該流固耦合相似材料能夠滿足試驗(yàn)要求，并能有效地模擬隧道突水的災(zāi)變演化過程。

隧道突水；相似材料；流固耦合；正交試驗(yàn)

為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展、國家安全的需求及中西部國土資源開發(fā)的需要，我國地下空間開發(fā)不斷走向地球深部，其中尤以深部資源開采和各類交通、水利水電工程建設(shè)最為顯著。深部隧道工程賦存環(huán)境往往具有“高地應(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓”等特性[1?2]，在建設(shè)過程中極易遭遇巖爆、突水突泥等各類動力地質(zhì)災(zāi)害，其中突水突泥所造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失在各類地質(zhì)災(zāi)害中居于前列[3?4]。研究隧道突水的發(fā)生和發(fā)展過程對于災(zāi)害的預(yù)防和治理具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。目前，隧道突水的研究方法主要有理論計(jì)算、數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)。但由于實(shí)際工程往往處于復(fù)雜的多相(流、固、氣等)和多場(溫度場、滲流場、應(yīng)力場和化學(xué)場等)耦合的地質(zhì)環(huán)境中，突水發(fā)生時(shí)，圍巖中的應(yīng)力場、位移場、滲流場及地球物理場等均將不斷發(fā)生變化，使得突水演化規(guī)律的研究十分困難，單憑依靠理論和數(shù)值計(jì)算難以對其進(jìn)行全面分析和研究。地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)可對突水災(zāi)變演化的多場信息進(jìn)行有效的分析和探討[5]，是研究流固耦合作用下隧道突水災(zāi)變演化規(guī)律的一種有效的方法。而流固耦合相似模型試驗(yàn)對相似材料要求較高，合理可靠的相似材料是模型試驗(yàn)?zāi)芊袢〉贸晒Φ年P(guān)鍵條 件[6]。左保成等[7]通過試驗(yàn)研究指出巖體介質(zhì)可用石英砂、石膏和水泥來模擬；張杰等[8]以石蠟作膠凝劑研制了“固?液”兩相模型材料，解決了材料遇水崩解問題；胡耀青等[9]用水泥、石子、石膏、滑石粉和克曬贏模擬巖層，用紅膠泥模擬軟弱隔水層，并在大型流固耦合模擬試驗(yàn)中取得了較好的效果；黃慶享等[10]通過試驗(yàn)確定了黏土隔水層的相似材料為石英砂、膨潤土、硅油和凡士林，解決了隔水層塑性和水理性的模擬難題；李樹忱等[11?12]以石蠟為膠結(jié)劑研制出了一種憎水型流固耦合相似材料，并成功應(yīng)用于隧道涌水模型試驗(yàn)研究中；韓濤等[13]以中粗砂、透水混凝土增強(qiáng)劑、水泥模擬孔隙巖體并成功運(yùn)用到富水條件下孔隙巖體與井壁耦合模型試驗(yàn)中；李術(shù)才等[6]研制了一種新型流固耦合相似材料SCVO，并成功應(yīng)用于海底隧道涌水模型試驗(yàn)中；周毅等[14]針對充填型巖溶管道突水，采用多種性能的調(diào)節(jié)劑，配制出相似性較好的巖體和充填物相似材料；王凱等[15]采用不同的材料研制出了適用于流固耦合模型試驗(yàn)的斷層及圍巖相似模擬材料。近年來部分突水相似模型試驗(yàn)開展情況如表1所示[5?6, 11?12, 14?23]。雖然流固耦合相似材料的研制已取得快速進(jìn)展，但目前模型試驗(yàn)相似材料大都針對具體工程進(jìn)行反復(fù)配比試驗(yàn)來確定1個(gè)最合適的配比，且以往相似材料多關(guān)注解決材料的遇水易崩解問題、相似模擬度差，忽略了對材料固體力學(xué)性質(zhì)和水理性的控制，沒有從根本上解決流固耦合相似材料的問 題[6, 11, 24?25]，因此，有必要進(jìn)一步對流固耦合相似材料進(jìn)行研究。本文作者在前人研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)流固耦合相似理論及正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，通過大量試驗(yàn)配置了一種組分簡單、價(jià)格低廉、制作簡便且滿足力學(xué)和水理性質(zhì)的流固耦合相似材料，并利用該相似材料開展隧道完整型巖盤滲透失穩(wěn)突水災(zāi)變演化規(guī)律的模型試驗(yàn)，以期為隧道突水方面研究提供參考。

表1 部分突水相似模型試驗(yàn)情況統(tǒng)計(jì)

注：*數(shù)據(jù)為直徑×長度。

1 流固耦合相似理論

進(jìn)行相似模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)研究對象的相似性確定其相似條件，即研究原型和模型的有關(guān)參數(shù)應(yīng)滿足相似關(guān)系[10]。但目前還無法在所有參數(shù)和本構(gòu)關(guān)系上使模型與原型完全相似，流固耦合相似材料除了要滿足傳統(tǒng)的強(qiáng)度、變形相似外，還需要滿足水理性的相似。在流固耦合相似理論的指導(dǎo)下，采用連續(xù)介質(zhì)的流固耦合數(shù)學(xué)模型，滲流方程、平衡方程及有效應(yīng)力方程可表示如下[8]。

滲流方程：

平衡方程：

有效應(yīng)力方程：

假設(shè)原型()和模型()各參數(shù)相似比為[5]

由式(2)可推出：

將式(1)與其幾何方程、物理方程聯(lián)立，消去應(yīng)力、變形分量得到只包含位移分量的方程為

聯(lián)立式(2)~(4)可求得[5,8]：

此外，根據(jù)滲流方程(式(1))，由于相似材料為均勻連續(xù)介質(zhì)，假設(shè)K=K=K=，引入如下函數(shù)：

式中：有C=C=C=，代入式(6)則有：

根據(jù)式(7)可得到各相似情況，見表2。但是，相似材料完全滿足相似條件十分困難，文獻(xiàn)[5,8]指出：對于流固耦合試驗(yàn)材料，要求相似材料能夠滿足基本相似理論并且材料遇水不發(fā)生崩解、軟化或塑性變形，保證材料的非親水性即可。彈性模量、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的量綱相同，所以，相似比也相同，其他相似指標(biāo)見表2。

2 流固耦合相似材料的配置

2.1 相似材料配置的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法優(yōu)化相似材料配比試驗(yàn)，通過大量試驗(yàn)配置出符合力學(xué)和水理性質(zhì)要求的流固耦合相似材料。本試驗(yàn)選擇砂子、石膏、水泥作為試驗(yàn)材料，其中砂子選用級配良好的河砂，試驗(yàn)前先用孔徑2 mm篩子篩除河砂中的粗顆粒和其他雜質(zhì)；水泥采用普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級為32.5級。砂子用量保持不變，為m，但選用不同的粒徑分布范圍()；試驗(yàn)選取L9(34)正交試驗(yàn)方案，每個(gè)因素取3個(gè)水平，根據(jù)正交表進(jìn)行相似材料配置試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方案見表3。

表2 流固耦合模型試驗(yàn)各相似條件

表3 正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

注：膏砂比、灰砂比和水砂比均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

相似材料配置試驗(yàn)包括材料的基本力學(xué)參數(shù)測試及水理性參數(shù)測試，其中相似材料的基本力學(xué)參數(shù)測試包括測試材料的彈性模量、單軸抗壓強(qiáng)度c、單軸抗拉強(qiáng)度t；水理性參數(shù)測試包括材料的親水性(吸水率)、孔隙率、滲透系數(shù)和軟化效應(yīng)。為了測試不同配比相似材料的性能，獲取各因素對材料參數(shù)的影響關(guān)系，每組配比每個(gè)試驗(yàn)參數(shù)制作3個(gè)試件，試件直徑×長度分別為50 mm×100 mm和50 mm×25 mm。試件的制作步驟如下：

1) 按照設(shè)計(jì)要求篩分出不同粒徑的砂子；

2) 按照設(shè)計(jì)配比稱取砂子、石膏、水泥和水，并將各組分材料攪拌均勻；

3) 將攪拌好的相似材料裝入模具內(nèi)，采用分層裝模壓實(shí)的方法；

4) 將試件放置48 h后進(jìn)行脫模，脫模后貼上標(biāo)簽。之后對試件放入水中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)完成后將試件進(jìn)行室溫下的自然風(fēng)干。

相似材料的配置過程如圖1所示。

圖1 相似材料配置過程

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 基本力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果

1) 單軸抗壓強(qiáng)度c和彈性模量。單軸壓縮試驗(yàn)采用的試件直徑×高度為50 mm×100 mm，試驗(yàn)時(shí)采用位移控制模式對相似材料試樣進(jìn)行軸向加載，加載速率設(shè)定為0.05 mm/min。其中彈性模量通過試驗(yàn)結(jié)果獲得，應(yīng)力?應(yīng)變曲線彈性階段的斜率即為彈性模量。部分相似材料試件單軸壓縮下的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線如圖2所示，其中試件編號1-1的意義為：對應(yīng)表3所列的試驗(yàn)號1，且同配比中試件編號為1，其余編號依此類推。

圖2 部分相似材料單軸壓縮的應(yīng)力?應(yīng)變曲線

由圖2可知：由砂子、水泥和石膏配制的相似材料試件的應(yīng)力?應(yīng)變曲線與天然巖石一樣具有典型的壓密變形段、線彈性變形段、屈服變形段、破壞階段及殘余變形段，因此，可以采用砂子、水泥和石膏配制的相似材料來模擬巖石。

表4所示為相似材料試件正交試驗(yàn)均值結(jié)果。為直觀表示各因素對單軸抗壓強(qiáng)度c和彈性模量的影響效果，根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果可得如圖3所示的因 素?指標(biāo)圖。從圖3可以看出：膏砂比及灰砂比對材料單軸抗壓強(qiáng)度c的影響十分顯著，水砂比次之，砂粒徑對材料單軸抗壓強(qiáng)度c的影響不明顯。其中，隨著的增大，c在1.43~1.68 MPa范圍內(nèi)變化，變化較小，說明對c的影響較弱，因此，進(jìn)行模型試驗(yàn)時(shí)可選擇砂子(粗骨料)粒徑范圍較大，這樣可減輕試驗(yàn)前河砂篩分的工作量。此外，由圖3可知：灰砂比及水砂比對材料彈性模量的影響較顯著，砂粒徑次之，膏砂比對材料彈性模量的影響較小。因此，進(jìn)行模型試驗(yàn)時(shí)，可根據(jù)模型結(jié)構(gòu)及相似性匹配選擇不同的配比。

表4 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果均值統(tǒng)計(jì)

(a) 粒徑；(b) 膏砂比；(c) 灰砂比；(d) 水砂比

2) 單軸抗拉強(qiáng)度t。采用巴西劈裂法測試相似材料試件的單軸抗拉強(qiáng)度t，試件直徑×長度為50 mm×25 mm。單軸抗拉強(qiáng)度正交試驗(yàn)均值結(jié)果如表4所示，部分相似材料試件單軸抗拉作用下的豎向載荷?位移關(guān)系曲線及破壞形態(tài)如圖4所示。對正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可得各因素對單軸抗拉強(qiáng)度t的影響效果的因素-指標(biāo)圖(圖5)。從圖5可以看出：灰砂比及水砂比對材料單軸抗拉強(qiáng)度t的影響較顯著，膏砂比次之，砂粒徑對材料單軸抗拉強(qiáng)度t的影響不明顯。

2.2.2 水理性質(zhì)測試結(jié)果

1) 親水性。親水性是表征相似材料水理性的重要指標(biāo)之一，其可通過吸水率來表征，在相同時(shí)間內(nèi)，吸水率越大，親水性越強(qiáng)[10, 15]。

由表4可知，不同配比的相似材料試件的吸水率相差較大，的變化范圍為4.31%~14.77%。流固耦合試驗(yàn)中需要保證材料的非親水性，因此，進(jìn)行模型試驗(yàn)時(shí)應(yīng)該選擇吸水率較小的配比。

圖6所示為根據(jù)正交試驗(yàn)分析結(jié)果得到的因素?指標(biāo)圖，從圖6可以看出：膏砂比及水砂比對材料水率的影響較顯著，灰砂比次之，砂粒徑對材料水率的影響較小。雖然對的影響很弱，但仍能看出隨著的增大而表現(xiàn)出增大的趨勢，這是由于越大，粗骨料之間接觸的越不緊密，孔隙越多，吸水率越大；同樣，隨著膏砂比的增大而不斷增大，且當(dāng)膏砂比從10%增大為15%時(shí)，從6.49%增大為10.87%，增幅達(dá)67.49%；當(dāng)膏砂比從15%增大為20%時(shí)，的增大速率放緩，增幅僅為5.52%；相反，隨著灰砂比及水砂比的增大，逐漸減小，分別從10.66%和11.59%降為8.05%和7.69%。綜上分析可知，應(yīng)該選擇膏砂比和較小、灰砂比和水砂比較大的配比進(jìn)行試驗(yàn)。

圖4 單軸抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

(a) 粒徑；(b) 膏砂比；(c) 灰砂比；(d) 水砂比

(a) 粒徑；(b) 膏砂比；(c) 灰砂比；(d) 水砂比

2) 孔隙率?？紫堵适欠从硯r石和相似材料物理性質(zhì)的重要指標(biāo)之一，是影響材料內(nèi)流體傳輸性能的重要參數(shù)。采用浸水吸滲法測試相似材料試件的孔隙率，首先將試件放入干燥箱中烘干，之后取出試件稱質(zhì)量，然后放入水中浸泡72 h，通過浸泡前后試件質(zhì)量的變化進(jìn)行計(jì)算。

從表4可以看出，相似材料試件的孔隙率變化范圍為13.12%~27.52%。根據(jù)正交分析可得各因素對相似材料孔隙率的影響曲線，如圖5所示。從圖5可以看出：各因素對孔隙率的影響均較顯著，其中灰砂比的影響最為顯著。因此，試驗(yàn)時(shí)可根據(jù)模擬巖性的不同選擇不同的配比，以獲得相似材料與原巖孔隙率的匹配。

3) 滲透系數(shù)。滲透系數(shù)是衡量材料滲透性和水理性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本文采用自行設(shè)計(jì)加工的滲透系數(shù)測試裝置對相似材料的滲透系數(shù)進(jìn)行測試。由表4可知，相似材料的滲透系數(shù)均值變化范圍為8.8×10?6~1.3×10?4 cm/s，說明相似材料可模擬的滲透系數(shù)范圍較大。圖6所示為正交分析獲得的滲透系數(shù)因素?指標(biāo)圖。由圖6可知：灰砂比對相似材料滲透性的影響最為顯著，砂粒徑及膏砂比次之，水砂比對滲透性的影響很?。浑S著灰砂比的增大，不斷減小，從1.0×10?4 cm/s減小到1.6×10?5 cm/s，降幅達(dá)84.2%，說明水泥含量對材料滲透性影響很大；隨著的增大，也逐漸增大。這主要是由于隨著的增大，粗骨料的顆粒級配越不均勻，內(nèi)部孔隙越大，導(dǎo)致滲透性越好。同樣，隨著膏砂比的增大，也逐漸增大，石膏遇水會發(fā)生輕微膨脹，導(dǎo)致材料滲透性變好。

(a) 粒徑；(b) 膏砂比；(c) 灰砂比；(d) 水砂比

4) 軟化效應(yīng)。進(jìn)行滲流突水模型試驗(yàn)時(shí)，相似材料將全程受到水的浸泡作用，材料在水的作用下必然會出現(xiàn)劣化，因此，流固耦合相似材料必須解決材料遇水軟化的問題，有必要對相似材料進(jìn)行軟化效應(yīng)測試，以選擇合適的配比[6]。軟化系數(shù)是表征巖石軟化效應(yīng)的指標(biāo)之一，是指飽水狀態(tài)下巖石的單軸抗壓強(qiáng)度σ與干燥狀態(tài)下(或自然含水狀態(tài)下)的單軸抗壓強(qiáng)度σ之比，軟化系數(shù)越小，表明巖石軟化效應(yīng)越強(qiáng)。

由于吸水率測試時(shí)已將相似材料試件放入水中浸泡72 h，因此，測試吸水率之后，將相似材料試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，得到飽水狀態(tài)下試件的單軸抗壓強(qiáng)度σ。將各配比飽水狀態(tài)下的單軸抗壓強(qiáng)度均值與未浸泡的試件單軸抗壓強(qiáng)度均質(zhì)比較即可計(jì)算出相似材料的軟化系數(shù)。由表4可知：不同配比軟化系數(shù)在0.26~0.70范圍內(nèi)變化，大部分配比材料的軟化系數(shù)低于0.5，說明大部分配比材料的強(qiáng)度軟化性很強(qiáng)，進(jìn)行流固耦合模型試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該選擇軟化系數(shù)大的材料。

根據(jù)正交分析結(jié)果作出各因素對材料軟化系數(shù)的影響曲線，如圖7所示。從圖7可以看出：灰砂比對相似材料軟化系數(shù)的影響相對顯著，膏砂比灰砂比次之，砂粒徑及水砂比對軟化系數(shù)的影響很小；隨著灰砂比的增大，不斷增大，當(dāng)灰砂比從5%增大為15%時(shí)，從0.28增大為0.57，增幅達(dá)106%，說明可以通過增大水泥用量來增大材料的軟化系數(shù)，降低材料遇水劣化程度；相反，隨著膏砂比的增大而逐漸減小，這與石膏耐水性差的特點(diǎn)一致。因此，為了增大材料抗遇水劣化程度，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)該選擇石膏用量少的配比。

綜合正交試驗(yàn)結(jié)果分析可知：水泥比灰砂比及石膏比對相似材料的大部分力學(xué)性質(zhì)和水理性質(zhì)影響較大，灰砂比越大，膏砂比越小，相似材料的力學(xué)及水理性能越好；砂粒徑及水砂比對相似材料的各項(xiàng)參數(shù)的影響較弱，其中砂粒徑只對相似材料孔隙和滲透性影響較為顯著，而水砂比對材料的力學(xué)性能影響較為顯著。

3 隧道突水模型試驗(yàn)中的應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)概括

以巖石隧道突水為例，模型長×寬×高為360 mm×240 mm×330 mm，模型試驗(yàn)幾何相似比為1/100，模型及監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖如圖8所示，其中，1~5為滲壓傳感器布置位置。為了滿足相似材料與天然巖石的相似性要求，達(dá)到流固耦合試驗(yàn)?zāi)康?，選取砂粒徑＜0.5 mm，膏砂比為10%，灰砂比為15%，水砂比為15%的相似材料配比進(jìn)行模型試驗(yàn)，本次試驗(yàn)原巖與相似材料的物理力學(xué)參數(shù)見表5。

試驗(yàn)過程主要分為模型制作和滲流突水試驗(yàn)2個(gè)方面。其中模型制作的具體流程為：按材料配比配制相似材料—攪拌均勻—分層攤鋪和夯實(shí)—監(jiān)測元件埋設(shè)—模型密封—靜置72 h后進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。試驗(yàn)開始后，首先以小流量向模型體內(nèi)注水來模擬初始滲流場，然后進(jìn)行隧道開挖，開挖采用手持式鉆機(jī)全斷面掘進(jìn)，共分5步開挖，每步開挖5~10 cm。在開挖過程中，持續(xù)對模型體進(jìn)行水壓加載，并對圍巖中監(jiān)測點(diǎn)的孔隙水壓力進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖9所示為隧道開挖過程中=18 cm監(jiān)測斷面上各測點(diǎn)監(jiān)測到的水壓、水力梯度動態(tài)變化曲線，其中橫坐標(biāo)正值為隧道掌子面超前監(jiān)測斷面距離，負(fù)值為掌子面通過監(jiān)測斷面之后的距離，而水力梯度為和滲流方向上單位滲透途徑上的水頭損失。從圖9可以看出：監(jiān)測斷面各測點(diǎn)位置的水壓力和水力梯度受開挖擾動影響均顯現(xiàn)明顯的波動現(xiàn)象，在隧道開挖過程中呈現(xiàn)出先穩(wěn)定后減小的演化過程；在隧道掌子面未開挖到監(jiān)測斷面時(shí)，圍巖中各測點(diǎn)孔隙水壓力和水力梯度基本穩(wěn)定，其中方向的水力梯度約為0.70 MPa/m，方向的水力梯度約為1.05 MPa/m，二者具有一定的差異，這主要由于方向?yàn)橹苯舆M(jìn)水方向，因此，其為優(yōu)勢滲流方向；在隧道掌子面開挖到監(jiān)測斷面附近時(shí)，圍巖中的水壓力和水力梯度迅速降低，出現(xiàn)明顯的突變，之后，水力梯度隨掌子面推過監(jiān)測斷面的距離持續(xù)降低，表明此時(shí)開挖擾動及滲流壓力作用產(chǎn)生了明顯的滲透阻力弱化效應(yīng)，從而造成圍巖內(nèi)部裂隙的連通性增強(qiáng)、阻水能力下降。經(jīng)分析認(rèn)為：當(dāng)掌子面推進(jìn)到監(jiān)測斷面附近時(shí)，圍巖在施工擾動的影響下出現(xiàn)明顯的損傷破壞，進(jìn)而導(dǎo)致裂隙滲流通道連通性增強(qiáng)。

綜上可知：開挖擾動對圍巖內(nèi)水壓力的分布具有顯著的影響，隧道突水是開挖擾動和地下水滲流共同作用的結(jié)果。

(a) 試驗(yàn)?zāi)Ｐ停?b) 監(jiān)測器布置示意圖

表5 原巖與相似材料的物理力學(xué)參數(shù)對比

(a) 滲壓及流量變化曲線；(b) 滲壓變化曲線；(c) 水力梯度曲線

4 結(jié)論

1) 應(yīng)用正交試驗(yàn)方法，通過大量配比試驗(yàn)，配置出了能夠滿足彈性模量、強(qiáng)度、親水性、孔隙率、滲透系數(shù)以及軟化系數(shù)等要求的流固耦合相似材料，該材料由砂子、石膏、水泥組成，組分簡單，價(jià)格低廉，制作簡便。

2) 灰砂比和膏砂比對相似材料的大部分力學(xué)性質(zhì)和水理性質(zhì)影響較大，灰砂比越大，膏砂比越小，相似材料的力學(xué)及水理性能越好；砂粒徑及水砂比對相似材料的各項(xiàng)參數(shù)的影響較弱，其中砂粒徑只對相似材料孔隙和滲透性影響較為顯著，而水砂比對材料的力學(xué)性能影響較為顯現(xiàn)。

3) 將該流固耦合相似材料運(yùn)用于隧道突水模型試驗(yàn)中，取得了良好效果。開挖擾動對圍巖內(nèi)水壓力的分布具有顯著的影響，隧道突水是開挖擾動和地下水滲流共同作用的結(jié)果。

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Research and development of similar material for liquid-solid coupling and its application in tunnel water-inrush model test

HUANG Zhen1, 2, 3, LI Xiaozhao1, LI Shijie2, ZHAO Kui2, XU Hongwei2, WU Rui2

(1. School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210023, China; 2. School of Resources and Environment Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China; 3. Sate Key Laboratory for Geomechanics & Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

A similar material for liquid-solid coupling which can satisfy the requirement in terms of elastic modulus, strength, hydrophilic property, porosity, hydraulic conductivity and softening coefficient was compounded through numerous tests based on the liquid-solid coupling theory. In the materials, cement and plaster were used as cementing material, and sand was used as aggregate. Influence of the factors such as sand particle, gypsum proportion, cement proportion and water usage on the mechanical and hydrological properties were investigated. Then, the similar material for liquid-solid coupling was applied in the tunnel water-inrush tests. The results show that this similar material meets the requirement of model tests and can effectively simulate the catastrophe evolution process of tunnel water inrush.

tunnel water inrush; similar material; liquid-solid coupling; orthogonal test

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.12.017

U451

A

1672?7207(2018)12?3029?11

2017?11?08；

2017?12?07

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2013CB036001)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41702326，41602294)；博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(BX201700113)；中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2017M620205)；江西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20171BAB206022)；中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(SKLGDUEK1703)；江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究基金資助項(xiàng)目(GJJ160675)(Project(2013CB036001) supported by the National Basic Research Development Program of China (973 Program); Projects(41702326, 41602294) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(BX201700113) supported by the Postdoctoral Innovative Talent Support Program of China; Project(20171M620205) supported by the China Postdoctoral Science Foundation; Project(20171BAB206022) supported by the Natural Science Foundation of Jiangxi Province; Project(SKLGDUEK1703) supported by the State Key Laboratory for GeoMechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining & Technology; Project(GJJ160675) supported by the Science and Technology Program of the Education Department of Jiangxi Province)

李曉昭，博士，教授，從事巖石力學(xué)與地下工程研究；E-mail：lixz@nju.edu.cn

(編輯 趙俊)