巖體相似模擬試驗設計研究

(華北科技學院安全工程學院 河北 三河 065201)

一、引言

在城市軌道交通中，地下地鐵是解決大城市中繁忙的地面交通運輸問題的重要手段，近幾年貴陽市建設地鐵，采用鉆爆法進行掘進作業，爆破過程中振動是不可避免的，為了減少爆破振動對地下管線、建筑物的影響，現對當地巖石進行相似模擬試驗，以便對相似模擬材料進行爆破振動相關試驗，更好的減少現場爆破振動的影響。相似模擬試驗是基于相似理論進行相似模擬試驗研究地下工程方面較為實用可靠的研究手段，在此方面，不少學者運用各種材料構建地質力學模型，通過改變骨料和膠結材料及附加的添加材料的配比來研究對模擬目標巖體的物理性質、力學性質參數之間的關系及影響程度。

栗東平等[1]人選用水泥石膏相似材料制作模型，研究證明了用該相似材料來模擬巖石性能的可行性,提出了用該相似材料模擬部分沉積巖的配合比；董金玉等[2]人應用正交設計方法，得出不同配比的相似材料的物理力學參數分布范圍大，能夠滿足不同性質巖體模型試驗對巖體相似材料的要求；武伯弢等[3]人采用5種原材料(重晶石粉、石膏、細砂、洗衣液和水)，通過力學試驗測得所配相似材料的力學參數，研制出一種用于IV 級圍巖的相似材料；陳志敏等[4]人基于正交試驗設計方法，用黃土、石英砂、水泥、石膏和自來水為組料，較好地模擬了Ⅳ級、Ⅴ級和Ⅵ級圍巖；楊軍平等[5]人選用河砂、黏土、膨潤土和自來水為原料，研制了Ⅳ級弱膨脹圍巖的相似材料。

二、相似材料試驗過程

(一)相似原理

相似模型的建立需要滿足原型和模型的相似定律，即模型的幾何相似、物理參數相似、材料力學參數相似、邊界條件相似等相似條件，通過量綱分析可推導相似模型應滿足的相似關系，即Cσ=CγCL，Cδ=CεCL，Cσ=CECε

其中應力相似常數Cσ、容重相似常數Cγ、幾何相似常數CL、位移相似常數Cδ、應變相似常數Cε、彈模相似常數CE

對于模型試驗要求所有無量綱物理量(如應變、內摩擦角、摩擦系數，泊松比等)應滿足Cε=Cf=Cφ=Cμ=1

根據實際條件，模型試驗的幾何相似比CL為13，模型試驗的原巖為石灰巖，主要物理力學參數如下表1

表1 石灰巖和相似材料物理力學性質參數

(二)相似材料選取要求

在相似模擬試驗的過程，對于相似材料的選取一定程度影響著試驗的進程及其結果，為了更好的實現模型與原型的統一，選取的相似材料一般應符合以下基本要求：

(1)均質的和各向同性的，主要力學性質與模擬的巖層或結構相似。

(2)變形性質和強度性質符合相似原理的要求。

(3)制作方便、凝固快速、成型容易，在凝固時沒有大的收縮。

(4)在研究巖體自重影響時，模型材料有相應的容重。

(5)在進行破壞試驗時，模型材料 具有類似的結構和相似于原型材料的破壞特征。

(6)材料的力學性能穩定，受溫度、濕度等外界條件的影響小

(7)改變材料配比，可調整材料的某些物理力學性質指標

(8)成本低，來源豐富，符合經濟易行的原則。

實際上在選擇一種材料都滿足上述的條件是不現實的，但是，可以選擇某些材料滿足基本要求即可。

(三)相似材料的選取

根據前人已經做的相關大量的相似模擬試驗的基礎上，選用細度為10目砂子為骨料，水泥為膠結材料，為了快速獲得良好的相似模型試件，根據前人的研究基礎上，設定了本實驗以下配比方案，水泥：砂：水重量配比分別為1:2:0.4、1:3:0.4、2:3:0.8、2:3:0.4、1:4:0.4，試件尺寸均為Φ50×100mm，各取4個。

三、相似試驗結果分析

(一)骨料含量的影響

為研究砂對相似模型的影響，逐漸增加砂的比例，進行靜力學試驗測試試樣的單軸抗壓強度和單軸抗拉強度，隨著骨料含量的增加，試驗的單軸抗壓強度、單軸抗拉強度及彈性模量均有增大。

(二)膠結材料含量的影響

選用固定砂和水，研究膠結材料水泥對相似模型的影響，隨著水泥含量的增加，試樣的單軸抗壓強度和單軸抗拉強度也有所增加，因為水泥的膠結作用，增加了骨料的粘結力，提高了試驗的強度。

(三)水量的影響

通過改變摻水率的大小，進而研究試樣的靜力學的參數的變化，隨著摻水率的增加，試驗的強度有減小的趨勢，但不是很明顯，說明摻水率在一定程度上影響試樣的強度，但是骨料和膠結材料是主要影響因素。

(四)配比的確定

通過上述試驗表明以及結合原巖的物理力學性質，相似模擬材料配比為1:2:0.4能較好的滿足試驗要求。

四、結語

通過靜力學試驗不僅可以得到以水泥、砂和水組成的相似模擬材料是可以模擬石灰巖的力學性質的，而且上述材料還具有來源廣泛，價格低廉，取材方便，無毒無害等優良的特點。

通過改變相似模擬材料各個成份的配比，確定了水泥：砂：水=1：2:0.4可以較好的滿足原巖的要求，并且骨料和膠結材料的比例對于試樣的強度有明顯影響，呈正相關趨勢。