相似材料性能調節方法綜述

嚴澤臣，李宏，潘軼（.解放軍理工大學，南京0007；.沈陽軍區工程科研所，沈陽06；.第94968部隊，南京）

相似材料性能調節方法綜述

嚴澤臣1，李宏2，潘軼3
（1.解放軍理工大學，南京210007；2.沈陽軍區工程科研所，沈陽110162；3.第94968部隊，南京211131）

相似材料是模型試驗順利開展的重要前提和基礎。由于巖石和工況的多樣性，難以找出一種材料能夠完全滿足不同工況模型試驗的要求，因而在研究中對相似材料物理力學參數的調節具有重要意義。論文總結了近年來研制的主要相似材料，并對其物理力學參數的調節方法進行了分析，指出了目前研究的主要進展和不足之處。相關結論可為相似材料的研究提供參考。

模型試驗；相似材料；性能；調節

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.011

1　引言

模型試驗是巖石力學和地下工程研究的重要方法，它能直觀反映研究對象的實際變化規律，揭示可控影響因素對工程活動誘發工程災變過程的影響，從而為避免和防控工程災害提供技術支持。地質力學模型試驗涵蓋相似理論、相似材料以及試驗技術3個主要方面。滿足相似條件要求的相似材料是模型試驗順利開展的重要前提和基礎，關系到模型試驗的成敗和科學性。因此，國內外模型試驗領域的專家學者均將其視為極其重要的研究內容[1]。由于巖石種類和變形破壞過程的多樣性，難以找出一種材料能夠完全滿足不同工況模型試驗的要求，因而在研究中對相似材料物理力學參數的調節具有重要意義。

2　制備和基本性能研究

相似材料是隨著模型試驗的發展而得到研究的，因而首先在歐洲得到了發展。20世紀60年代，Fumagalli等[2]在意大利結構模型試驗所（ISMES）開創了工程地質力學模型試驗技術，并研制了以石膏為黏結劑，以氧化鉛粉、膨潤土為填充劑的材料。但此類材料價格昂貴且有毒性。ISMES還發展了以環氧樹脂為黏結劑，以重晶石粉、浮石粉為填充劑的復合材料。美國、英國、日本等國也開展了相似材料的研究。如Burget等[3]通過環氧樹脂加3%~5%的硬化劑，研制了用于模擬煤巖突出的相似材料。20世紀60年代以來，以Glushinkhin、Zlotnikov為代表的前蘇聯科學家研發了一系列用于不同目的的模型試驗相似材料，其中包括水泥砂漿、石膏-水泥混合砂漿、環氧樹脂砂漿等。《Modelingingeo-mechanics》一書[4]代表了前蘇聯在模型試驗領域的成就。但蘇聯解體以后，相關研究未能得到很好的繼承發展。

近20年來，世界巖石力學與工程的研究中心逐步向我國轉移，關于模型試驗的研究也日益活躍，相似材料研發水平和制備技術得到了很大的提高。20世紀80年代，韓伯鯉等[5,6]研制了M IB模型材料，成為我國第一種影響較大的相似材料。21世紀以來，清華大學、山東大學、武漢大學、中國礦業大學、武漢巖土力學研究所、長江科學院等均在相似材料的研發和制備上投入了大量人力物力，并取得了顯著的進步。如李仲奎等[7]研制的NIOS相似材料，陳陸望等[8]研制的巖爆模擬相似材料，張強勇、李術才等[9,10]研制的鐵晶砂膠結相似材料（IBSCM）等。除此之外，還有很多學者針對不同問題的特殊需求，研制了具有特定性質的相似材料[11～14]。

3　物理力學參數調節方法

由于巖石材料的多樣性，用單一的相似材料很難滿足相似理論對相似材料物理力學性質的要求。因此在實際應用中，相似材料物理力學性質的調整是一項非常基礎且重要的工作。一般情況下，相似材料是按照強度設計的，在滿足強度比尺要求的條件下，進一步考慮容重、彈性模量等重要參數，通過添加輔助性的材料，使幾個主要參數均滿足相似理論的要求。

由于相似理論中幾何比尺αL、容重比尺αγ、應力比尺ασ須滿足限制關系ασ=αLαγ，因此，為簡化試驗設計和數據處理，很多研究人員試圖調節相似材料的容重，使αγ=1。

為此，大相對密度的散粒物質常被用作相似材料的主要原材料之一。如韓伯鯉等研制的M IB模型材料使用了鐵粉，李仲奎等研制的NIOS相似材料使用了磁鐵礦精礦粉，張強勇、李術才等研制的鐵晶砂膠結相似材料使用了鐵精粉。增重劑有效地提高了相似材料的容重，但同時使相似材料的成分變得更加復雜。為了尋找合適特性的相似材料常常需要開展大量的試配工作。為了解決容重調節的問題，范鵬賢等對松香膠結相似材料開展了系統的試驗研究，提出了用重晶石砂替代石英砂的方法，并通過對比試驗驗證了該方法的可行性，實現了在基本不影響相似材料強度和彈性模量前提下的容重調節。

在相似材料彈性模量、摩擦角等參數的調節方面，不同學者對特殊處理工藝、膠結劑用量、添加劑、粗骨料粒徑等因素的影響開展了研究。為了降低相似材料的彈性模量，韓伯鯉等采用柔性物質給粒狀物體（鐵粉）加上外膜，即將氯丁膠黏劑溶液和經過篩選的散粒體用攪拌機攪拌，溶劑揮發后，鐵粉上即裹覆了一層柔性氯丁膠。由于氯丁膠有毒，目前已很少采用。調節膠結劑的用量和種類可以一定程度上增大或減小相似材料的彈性模量。但是現有的文獻表明，膠結劑對強度和彈性模量的影響往往是耦合的，在一定的強度要求下，彈性模量的調節范圍并不大。目前的相似材料多是針對某種特定工況的模擬，在材料通用性上還有很大欠缺。添加橡膠粉、硅膠等柔性材料也是一種可能調節相似材料彈性模量的途徑，但還缺乏系統的研究。

除此之外，大型模型試驗對相似材料的消耗往往數量巨大，研發一種可以重復使用的相似材料及其回收再利用工藝，可以節省經費、降低污染，也是一項非常有意義的工作。

4　結語

試配相似材料的巨大工作量和試驗周期，制約了模型試驗在深部巖體力學研究領域的應用。目前，大多采用的試配法當圍巖工況改變時，需要重新試配相似材料，耗費大量的人力和時間。尤其是對相似材料彈性模量的調節，目前還沒有很好的辦法。

因此，對新型相似材料的研發和制備的研究應重點關注物理力學參數的解耦，通過揭示不同組分與物理力學參數相互制約關系，建立一套物理力學參數設計和調整方法，從而研制出物理力學參數變化范圍大，參數與設計預期偏差小，且方便回收再利用的多用途綠色相似材料。

【1】張強勇，李術才，李勇，等.地下工程模型試驗新方法、新技術及工程應用[M].北京:科學出版社,2012.

【2】FumagalliE.StaticalandGeomechanicalModels[M].New York：SpringerVerlag.1973.

【3】Burgert W,LippmanM.Modelsof translator rock bursting in coal[J]. International Journal of Rock Mechanics and M iningSciences& GeomechanicsAbstracts,1981（18）:285-294．

【4】Glushikhin F.P.,KutsnetsovG.N.,ShklyarskyM.F.etal.Modelingin geo-mechanics[M].Moscow：Nedra,1991.

【5】韓伯鯉，張文昌，楊存奮.地質力學模型材料(M IB)的研究[J].西北水電技術,1983,2(3):49-54.

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

【7】李仲奎，盧達溶，中山元，等.三維模型試驗新技術及其在大型地下洞群研究中的應用[J].巖石力學與工程學報,2003,22(9):1430-1436.【8】陳陸望，白世偉.脆性巖體巖爆傾向性的相似材料配比試驗研究[J].巖土力學，2006,27(S):1050-1054.

【9】張強勇，李術才，郭小紅，等.鐵晶砂膠結新型巖土相似材料的研制及其應用[J].巖土力學，2008,29(8):2126-2130.

【10】張強勇，劉德軍，賈超，等.鹽巖油氣儲庫介質地質力學模型相似材料的研制[J].巖土力學，2009,30(12):3581-3586.

【11】劉德軍，呂晶，張強勇，等.具有流變特性的鹽巖相似材料的研制及應用[J].巖土工程學報，2011，33(10):1590-1595.

【12】李樹忱，馮現大，李術才，等.新型固流耦合相似材料的研制及其應用[J].巖石力學與工程學，2010,29(2):281-288.

【13】Im reB,W ildhaberB,SpringmanSM.Aphysicalanaloguematerialto simulate sturzstroms[J].InternationalJournalofPhysicalModelling in Geotechnics,2011,11(2):69-86.

【14】李元海，林志斌，秦先林，等.透明巖體相似材料力學特性研究[J].中國礦業大學學報，2015，44(6):977-982.

Sim ilarity Material Performance Adjustment Method Review

YAN Ze-chen1，LI Hong2，PAN Yi3
(1.PLAUniversityofScience and Technology,Nanjing 210007，China；2.Institute of Engineering Research and DesignofShenyang M ilitaryRegion,Shenyang110162，China；3.94968Army,Nanjing211131，China)

Analogue material is the foundation of geomechanical model test.Duo to the diversity of rock types and engineer conditions,there is no analogue material meet the scaling criterion once for all.Therefore the properties adjustment is of great importance.In this paper,main progresses in analogue material developing and properties adjusting are summarized and the shortcom ingsarepointedout.Theconclusionscanprovidebeneficialreferenceforfurtherresearch.

modeltest;analoguematerial;property;adjustment

TU599;TU458+.4

A

1007-9467（2016）11-0048-02

嚴澤臣（1991～），男，江蘇泰州人，工程師，從事地下工程防災減災研究。

2016-05-31