裂隙類巖石試件的配比探討

孟剛，袁延召,，申艷軍，張凱峰，劉磊

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

本文就寒區裂隙巖石的類比研究的關鍵問題即模擬巖石基本性質的類巖石混凝土的配比，通過對砂巖的模擬類巖石的配比過程闡述相似試驗的原理，并對含有初始貫通單裂隙類巖石試件的配比設計進行研究，總結歸納出制備此類試驗的規范制備流程及方法，為后期標準化試驗方法以及流程提供技術借鑒。

寒區；裂隙；巖石；配比

0　引言

在寒區隧道建設方面，我國多條鐵路隧道都存在著凍害現象。因為凍害的作用影響，個別隧道常年不能進行使用，不少隧道由于隧道滲漏嚴重，導致襯砌滲水掛冰，幾乎報廢，或因襯砌積水凍脹造成混凝土襯砌開裂，隧道滲漏結冰。此類巖體工程災害問題屢見不鮮，造成重大經濟損失，嚴重影響隧道正常運營。因此，對寒區巖體凍融破壞的問題進行深入的研究具有長遠意義，目前，國內外關于裂隙巖體的試驗研究已經碩果累累，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行相似模擬研究。本文將重點闡述相似試驗的原理，對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程標準化進行闡述，為今后類巖石工藝流程提出規范性建議以及借鑒。

1　類巖石的相似理論以及配合比研究

通常，我們把兩個及以上的事物存在共同現象或規律的時候稱為“相似”。在科學研究及工程應用中，我們分別稱這兩者為“模型”和“原型”。通過研究“模型”的性質規律以達到對“原型”探究的手段，稱之為相似模擬。在當前方興未艾的科學研究中，相似模擬研究已經成為一種非常重要的科學研究手段，而對于類巖石的配合比研究根據相似理論的規律對混凝土的配比進行計算以及拓展。

1.1相似定理

相似理論以三個相似定理為基礎[1]，相似定理可用來指導模型的設計及相關運用。

（1）相似第一定理

相似第一定理也叫相似正定理，可表述為：對相似的現象其相似指標等于1。或者表述為：對相似的現象，其相似準則的數值相同。如果兩系統在對應的各點上均能滿足相似現象所對應的物理量之比為常數這一條件，并且兩系統的物理現象都可以用同一基本方程來描述，則稱兩系統的現象相似。這一定理通過定義現象的相似來確定其性質，并對相似模擬試驗提供指導方向。當使用這個定理進行模擬試驗時，需要先推導出其相似準則，之后再測量出相關的物理量，終而得出相似準則的數值。

（2）相似第二定理

相似第二定理也叫Π定理，可表述為：約束兩相似現象的基本物理方程可以用量綱分析的方法轉換成相似判據 方程來表達新方程，即轉換成Π方程，且兩個相似系統的 方程必須相同。

對某一物理現象有n個物理量，其自變量和因變量可表示如下：

式中：k個物理量的量綱是獨立的，其余的為導出量綱。經過相似變換可表示成相似準則 之間的函數，即

根據第二相似定理可知，即使不知道現象的數理方程，只要知道相關的參數，根據 定理推導出準則方程，即可進行研究。同時，第二相似定理可減少變量的個數，也減少了試驗次數。

（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：同類物理現象，如果單值量相似，而且由單值量所組成的相似判據在數值上相等，現象才相互相似。

通過上述的三個相似定理，可以看出，根據相似第一定理，可以將相似試驗中模型系統內的相似判據推廣到原型系統之中，但這只是個理論上的概念，在實際應用中，效果并不明顯。根據相似第二定理，可以將模型試驗的結果應用在原型之上。相似第三定理指出了相似試驗中所應遵守的準則。因而，后兩個相似定理更為實用。

1.2相似比

如果模型和原型的兩個系統相似，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系，由此便可以模型的特征為依據來研究原型的特征。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來表示。此處定義，L為長度， γ為重度，δ為位移，X為應力，ε為應變，σi為抗拉強度，σc為抗壓強度，c為內聚力，φ為內摩擦角，μ為泊松比，f為摩擦系數。

另外，相似模擬試驗中的相似比還應滿足如下關系：

1.3配比方案設計

目前，對裂隙巖體的試驗研究越來越多，能否獲取理想的裂隙巖樣對于研究成敗至關重要。然而，通過現場取樣的手段獲取滿足試驗要求、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，可通過改變材料配比調節各項參數使之類同于巖石特征等優點，廣泛應用于相似模擬試驗中。因而，找到一種能模擬巖石特性的類巖石混凝土材料來替代裂隙巖體進行相關物理試驗是一個較為理想的方法。在進行配比方案研究之前，有必要對國內同行相關類巖石材料配比方案及思路進行匯總，如表1。

總結前人相似材料的研究成果發現，前人多采用細砂為粗骨料，水泥、重晶石粉為細骨料，石膏為膠結劑，水及各種添加劑按一定比例混合配制出類巖石材料來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則，具有和巖石相似的剪脹特性與脆性特性。同時，通過調整類巖石材料的配比可以很好的模擬不同巖石材料的強度和變形等特征。因此，巖石力學相關的物理力學試驗廣泛采用相似材料來替代。本試驗依據相關研究成果，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[3-20]

為了嚴格控制類巖石材料與白堊系砂巖材料在物理、力學及熱物理參數方面的相似性，根據各種基本原材料的性能差異，本文基于正交試驗法對不同摻量水泥、砂、石膏、鐵粉的配比進行研究。以最貼近砂巖各方面性質的配比為基準，經過對基準配比數十次的微調和測試，最終確定出類巖石試件的最優質量配合比（水泥:砂子:鐵粉:石膏:水=11:11:0.6:5.6:1）。通過對最終配比制作出的類巖石試件物理參數進行測試，測試結果見表2，可以看出各項物理參數與白堊系砂巖非常接近，相似比尺符合要求，能夠滿足相似準則，可作為模擬白堊系砂巖的相似材料進行相關試驗。

2　類巖石試樣的制樣設備及過程工藝

對上述的材料的制備只是對相似度進行了配比，但是要將配合比對類巖石進行制備過程以及批量生產的設備進行制備。由此很有必要對類巖石的制備的過程進標準化的規范，根據前人的設計規范以及總結其制備過程，以及一些混凝土構件的基本的制備過程，本文總結了一套規范的裂隙混凝土的制備過程，并通過對初始單裂隙的試件制備來表述這一規范流程，為后期的試驗提供技術借鑒。

表2　白堊系砂巖與類巖石材料的參數對比

2.1制樣設備

類巖石試樣的制備過程是在西安科技大學建筑與土木工程學院建筑材料實驗室完成的。制備試樣所需的設備及材料如下：

（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量和體積。

（3）水泥膠砂攪拌機：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：材質為有機玻璃，尺寸為80mm×80mm×100mm，含有初始單裂隙（0°、45°）傾角各5個。

（6）鐵模具盒：材質為鐵，含有三個100mm×100mm×100mm凹槽，用以固定自制有機玻璃模試樣具盒，進而利用振動臺進行振搗。

（7）龍骨木楔：木質材料，規格為20mm×40mm×120mm，數量若干。

（8）薄鐵片：規格為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，數量若干。

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

（10）ZH·DG-80型混凝土試驗振動臺：制樣過程中用來振搗。

（11）輔助材料：螺絲刀、膠帶、剪刀、銼刀。

2.2試件制作過程

基于上文中確定的類巖石材料配合比，進行單裂隙類巖石試件的制作。后續試驗中的各項試驗結果與制備出的類巖石試件的密實性、均一性、完整性密切相關。因而，必須嚴格按照制樣流程操作，細心制備，制作過程如下：

（1）稱量：按設計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中進行攪拌。

（3）組裝模具盒：將有機玻璃模具盒組裝完成、并在其內部涂抹凡士林。將方形鐵片用膠帶粘貼在有機玻璃模具盒底部，把裂隙鐵片插入有機玻璃模具盒中。之后，將有機玻璃模具盒放入鐵模具盒中，并用龍骨木楔將有機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，添加到有機玻璃模具盒中至1/3高度處。

（5）振搗：將鐵模具盒放在振動臺上，隨著振搗過程中氣泡的溢出，加入混合料直至高出有機模具盒子，振搗至混合料中無氣泡溢出，再將有機模具盒從鐵模具盒中拿出。

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

圖1　制樣所需的設備及材料

圖2　類巖石試件的制備過程

2.3試件打磨及篩選

利用自制有機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。待養護完成后，利用雙端面磨平機，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《工程巖體試驗方法標準》[23]中的相關要求，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°的規定。

根據熱物理參數測試試驗中關于試件尺寸的要求，待試件養護完成后，挑取幾個類巖石試件，利用自動切石機將其切割，再通過雙端面磨平機打磨，最終制備出足量的尺寸為φ50mm×30mm的巖樣（圖3）。

對制作完成的試件進行篩選，以剔除不適宜進行后續試驗的類巖石試樣。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、質量有明顯差異性的試件，最后根據試件的縱波波速篩選。縱波波速測試驗采用RSMSY5智能聲波檢測儀對不同裂隙角度的類巖石試件進行縱波波速測試，根據波速大小，篩選波速在理想范圍內的試件，最后將所有試件進行分類編號。

圖3　類巖石試件打磨及篩選

3　結論

本文總結了國內類巖石材料配比試驗，根據相似試驗原理，利用正交試驗法確定多組材料的質量配比，制作出單裂隙巖體試件，測試其各項物理力學參數，并與天然巖石相比較，確定出最貼近砂巖特性的最優材料配合比，并對試驗的標準流程進行規范性總結，得出以下結論：

（1）本文根據相似理論等原理，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）根據自行設計的有機玻璃模具盒及相關器具，總結了一套單裂隙類巖石試件的標準化制作方法以及規范的制樣流程，為后期的試驗提供技術借鑒。

（3）基于理論推理得出的配合比，通過規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及受荷試驗提供了可靠的試驗對象的規范操作的整體流程。

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

孟剛（1970—），男，中建西部建設北方有限公司技術質量部經理。