隧道及地下工程巖體模型材料研究現狀分析*

夏凱成 馬 靜 王高榮

自20世紀60年代中期以來,為了更仔細地了解基巖或圍巖本身及它們對其上或內部建筑物的影響,人們開始采用地質力學模型試驗方法進行研究。隧道模型試驗是研究隧道科學的一個重要手段[2]。與普通的結構模型試驗不同的是,這種試驗需要在模型中模擬建筑物基巖或圍巖的重力及地質構造,包括巖體中的斷層、破碎帶、軟弱夾層以及節理裂隙等,使模型盡量地符合實際情況,從而研究基巖或圍巖的變形狀態、穩定條件及其對建筑物結構性能的影響。進行模型試驗前,必須要選擇相似材料。正確地選擇模型材料是能否正確模擬原型的關鍵。

1 模型材料研究現狀

1.1 概述

根據相似理論,在模型試驗中應采用模型材料來制作模型[4]。模型材料的選擇、配比以及試驗模型的制作方法對材料的物理力學性質具有很大的影響,對模型試驗的成功與否起著決定性作用。在模型試驗研究中,選擇合理的模型材料及配比具有重要意義。模型材料的選擇必須兼顧各個方面,應考慮到所有可能影響試驗結果的因素,權衡輕重,力求把因材料性質而導致的材料畸變減至最低。對于地下工程,應對原型材料的物理力學性能進行全面了解,尤其對工程地質條件以及室內和現場原位試驗的結果都應了解清楚,使相似材料的研究有針對性。

1.2 國內外研究現狀

意大利等國家的科研單位采用的地質力學相似材料有兩類:一類是采用鉛氧化物和石膏的混合物為主料,以砂子或小圓石作為輔助材料;另一類主要以環氧樹脂、重晶石粉和甘油為組分,其強度和彈性模量均高于第一類相似材料,但是需要高溫固化,其固化過程中散發的有毒氣體也會危害人體的健康[6]。

目前,國內使用的模型材料主要有以下幾種:1)采用重晶石粉為主料,以石膏、機油、石蠟或凡士林作為膠結劑,其他材料如石英砂、鐵粉、膨潤土粉等作為調節容重和彈模的輔助材料[7-9]。2)采用砂、石膏作為主要材料,其余材料為添加劑[10-13]。3)以加膜鐵粉和重晶石粉為骨料,以松香為膠結劑[14]。4)隧道襯砌的模擬主要采用石膏、滑石粉、鐵絲等[15,16]。

2 常見模型材料的特點

1)純石膏材料。它屬于氣硬性礦物膠結料,這種膠結料通過水化作用的化學反應實現硬化。它的主要特性與石膏粉的磨細度、摻水量、初凝時間和終凝時間等有關。所有這些都對相似材料的性質有著本質的影響。它的性質與混凝土比較接近,均屬于脆性材料,抗壓強度大于抗拉強度,泊松比為0.2左右,通過配比調節可以得到E=1×103MPa～5×103MPa的材料。該材料具有成型方便、加工容易、性能穩定等特點,最適宜做線彈性應力模型。此外,石膏材料還具有取材容易,價格低的優點。但石膏材料有以下主要缺點:a.在天然環境中容易吸收空氣中的水分,一旦吸濕受損,就會降低材料強度;b.相似材料對石膏用量敏感,在小比例模型中模擬低強度材料時,石膏用量不易控制。

2)石膏混合材料。應用較多的是砂—石膏材料。該材料的特點是強度比相當大,其抗壓強度與抗彎強度之比為3～4,抗壓強度與抗拉強度之比為5～8,而強度本身的大小對這些比例關系的影響不大。濕度的增大會導致強度的顯著下降。

3)以石蠟為粘結劑的模型材料。這類材料的外加料有重晶石粉、細石英砂、云母、黏土等。該材料有如下優點:各向同性;由于在受熱狀態下具有較大塑性,制模時便于各層壓實;模型在最后一層壓實后2 h～3 h即可進行試驗;材性不受濕度影響;模型加工制作方便;試驗后材料可重復使用;材料力學性質穩定。該材料的缺點為:壓、剪和壓、拉強度之間的相關性不太好;有時與要求的相似指標相比彈性模量過低;塑性較大;液體石蠟價格較高。

4)以機油為粘結劑的相似材料。以機油為粘結劑的相似材料強度的時間效應比較明顯。試件的成型初期,材料一般表現出較低的強度,由于機油有揮發性,隨著機油的揮發,材料強度將有顯著提高,同時材料強度隨時間的增長呈明顯的非線性,因此較難預期了解其強度的變化(見表1)(吳夢軍,2007年)。

表1 機油為粘結劑相似材料的典型配比和參數

5)以松香為粘結劑的相似材料。武漢大學以韓伯鯉等為首的團隊研制出了MIB材料[4]。該相似材料有重礦石粉末和重金屬粉末。在重礦石粉末中,主要有石英砂和重晶石粉。在重金屬粉末中,以鐵粉作為粗骨料使用較為理想。但須選用新近制作的鐵粉,且須進行防銹處理。膠粘劑宜采用弱膠結性的膠結劑,從多種高分子膠粘劑中進行篩選,認為松香較好,松香屬于樹脂類膠結劑,是一種脆性材料,能溶于酒精,對材料不起塑化作用,且膠結強度可由松香酒精溶液的濃度來調整,本身性能穩定,又價廉易得,是一種合適的膠結劑。

6)NIOS模型材料。含有主料磁鐵礦晶礦粉、河砂、粘結劑石膏或水泥、拌合用水及添加劑。作為一種新型的地質力學相似材料,NIOS相似材料可以模擬較大的容重,其彈性模量和抗壓強度等主要力學指標可以在比較大的范圍內進行調整,配制也比較方便,并且其物理化學性質比較穩定,成本低廉,沒有毒性,對操作人員的身體健康和環境沒有危害,是一種很有前途的相似材料。但干燥太慢是其最主要的缺點[18-20]。

3 相似材料力學特性的測試

3.1 相似材料彈性常數的測定

對于均勻的、各向同性的材料而言,彈性模量E和泊松比μ完全可以確定材料的彈性性質。對于這兩個參數,可以使用電測法和機械式量測兩種方法。在實際科研中,為了節省經費和節約時間,在選擇相似材料的初期階段,由于試件多,試驗量大,可先用百(千)分表量測,在基本確定相似材料后,再用電測法較為精確的測定材料的E,μ值。每組試驗的試件不得少于5個。

3.2 單軸抗壓強度的測定

試驗在壓力機上進行。測試前預先估計一個破壞荷載,然后控制加載速率,使破壞發生在1 min左右。每組試驗的試件不得少于5個。

3.3 單軸抗拉強度的測定

由于相似材料的抗拉強度一般較低,難以用直接拉伸試驗量測,因此通常采用間接拉伸試驗進行測試。目前使用較多的間接拉伸試驗是劈裂試驗,又稱為巴西試驗。劈裂試驗的試件為一圓盤,它是將經加工的圓盤狀(或正方形板狀)試件橫置于壓力機的承壓板間,并在試件的上、下承壓板之間各放置一根硬質鋼絲作為墊條,然后加載使試件受壓,試件沿徑向產生張拉破壞,以求其抗拉強度。

3.4 抗剪強度指標的測定

相似材料的抗剪強度指標c,φ,可用直剪試驗或三軸壓縮試驗進行,這里介紹直剪試驗。

直剪試驗在土力學直剪儀上進行,計算公式為:

具體作法是:對同一配比的試件,施以不同的正壓力σ,得到相應的抗剪強度τ,以σ為橫坐標,τ為縱坐標,標出 σ和τ;過各點重心作直線,該直線與σ軸的夾角即為材料內摩擦角φ,在下軸上的截距為材料內聚力c。

也可根據上式用最小二乘法對所測數據進行擬合,直接得到c,φ。每種配比的直剪試驗試件為5個～8個。

4 結語

模型試驗是根據一定的相似原理對特定工程問題進行縮尺研究的一種方法,而模型試驗成功與否的首要和關鍵問題是必須提出滿足相似準則的相似材料。適用于模型試驗的模型材料較多,但沒有絕對相似的模型材料。在做具體模型試驗時,首先須通過廣泛調研后進行各原材料的選取和配比設計,然后通過大量的室內試驗測試各模型材料的物理力學參數,最后根據相似準則選取相似程度最好的模型材料,這樣可以更好的模擬實際條件,為工程提供更多的幫助。

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