泥巖相似材料力學性能影響因素試驗研究

李昌進，劉伊帥，李廷春，朱慶文，李志臣，王昭陽

（1.山東科技大學 山東省土木工程防災減災重點實驗室，山東 青島266590；2.莒縣建設科技推廣培訓中心，山東 日照276500）

我國西北部地區煤炭資源儲量豐富，但開采條 件十分復雜，主要原因是已開采的地層中存在著泥化弱膠結軟巖，該類巖石強度低、膠結差且遇水泥化，給巷道支護造成了極大的困難[1-3]。針對泥巖地層巷道的支護難題，在實驗室內開展泥巖巷道真三軸地質力學模型試驗，是1 種行之有效的研究方法[4]。開展模型試驗需要選擇合適配比的相似材料，將相似材料填入模型試驗臺內，再進行加載[5]。關于相似材料的配比選擇，詹志發[6]、夏雨[7]、李童悅[8]等均進行了相似材料的配比試驗。選擇好相似材料后，需要將相似材料分層填入模型試驗臺內，并層層壓實[9]。在此過程中，成型壓力、孔隙率、含水率、溫度、砂膠比和密度都會影響相似材料的力學性能，柴敬等[10]、朱羽萌[11]、任大瑞等[12]、王鵬[13]等人分別選取了以上影響因素的一部分進行了試驗研究并得出了有利于提高模型試驗精度的結論；但除以上影響因素外，相似材料填料時的分層層數和壓實次數也會改變相似材料的力學性能，同時，將下一層夯實后繼續填料時，相似材料分層界面上已經風干，無法保持原有的膠結能力，如不采取相應的界面處理方式，同樣會導致相似材料力學性能改變，最終影響模型試驗的準確性。以上分層層數、壓實次數和界面處理方式這3個因素對試驗結果影響很大，但目前關于這些影響因素的研究很少。因此，為了指導泥巖地層巷道模型試驗填料并提高試驗精度，在現有的研究基礎上，選取以黃沙、重晶石粉、石英砂為骨料，石膏為膠結材料的泥巖相似材料制作試件。在模型試驗填料過程的3 個影響因素下利用相似材料試件進行單軸壓縮和巴西劈裂試驗，得到各影響因素下的相似材料力學性能參數。對各個影響因素下的力學性能參數的變化進行了分析，并建立了相似材料力學性質與填料過程影響因素之間的多元線性回歸方程，來采取合理的措施保證模型試驗精確有效的進行。

1 試驗方案

1.1 相似材料的選擇

依據相似理論，本次試驗選取泥巖相似材料作為試驗材料，其中黃沙、重晶石粉和石英砂為骨料，石膏為膠結材料，在準備相似材料時每組的總重要保證成功壓制4 個單軸壓縮試件和4 個巴西劈裂試件。相似材料具體參數及配比見表1。

表1 相似材料具體參數及配比Table 1 Specific parameters and ratio of similar material

1.2 試驗方案設計

采用控制變量的研究方法，研究模型試驗填料過程中分層層數、壓實次數和界面處理方式3 個影響因素條件下相似材料試件力學性能的變化。共設計14 組試驗，每組試驗中單軸壓縮試件和巴西劈裂試件均制作4 個。根據相關試驗標準[14]，控制單軸壓縮試件尺寸為φ50 mm×100 mm，巴西劈裂試件尺寸為φ50 mm×50 mm。

研究分層層數的影響時，分層層數取1、2、3、4、5 層，分層裝料，將下層材料裝入模具夯實，并對下層材料上表面進行粗糙處理，再將上層材料裝入模具夯實，在夯實后將模具置于3 MPa 壓力下將試件壓制成型[9]。其中，分層層數為1 層的試件為1 次裝料壓制成型的完整試件。

研究壓實次數的影響時，分2 層制作試件，將相似材料分2 次倒入模具內分別夯實，中間的分層界面上進行粗糙處理，夯實后將試件在3 MPa 壓力下進行壓制，壓實次數取1、2、3、4、5 次。

研究界面處理方式的影響時，由于泥巖相似材料采用的膠結材料為石膏，石膏加入一定量的水才能實現其膠結能力。因此分別采取無處理、粗糙處理、噴灑水處理、做粗糙并噴灑水處理、噴灑均勻拌合10%濃度的石膏水處理和做粗糙并噴灑均勻拌合10%濃度的石膏水處理的方式對分層界面進行處理，其中水和石膏水每次用量皆為1.5 mL，試件分2 層制作。具體試驗設計方案見表2。

表2 試驗設計方案Table 2 Experimental design scheme

2 試驗過程

首先分別稱量出規定配比質量的黃沙、石英砂、重晶石粉和石膏粉，將稱量好的原料加在一起，攪拌均勻，并裝袋備用。取已攪拌均勻的相似材料，加入規定配比質量的水拌和均勻。為防止在試件壓制過程中拌和好的相似材料水分蒸發，將拌和好的相似材料裝在塑料瓶中，并擰緊瓶蓋。利用電子天平稱量出一定質量拌和好的相似材料，倒入模具內，初步夯實后，使用SANS 萬能試驗機，調節成型壓力的峰值為3 MPa，以2 mm/min 的壓實速度對相似材料進行壓制。壓力達到峰值后，取下模具并拆開，將壓制成型的試件取出，在坐標紙上擺放規整，不同影響因素下制作完成的試件如圖1。在室溫下待各組試件完全干燥后，進行單軸壓縮和巴西劈裂試驗，試驗破壞后的試件如圖2。通過對數據進行處理和計算得到單軸抗壓強度、彈性模量和抗拉強度。

圖1 不同影響因素下制作完成的試件Fig.1 Completed specimens under different influencing factors

圖2 試驗破壞后的試件Fig.2 Specimen after test failure

3 試驗結果分析

3.1 分層層數影響下相似材料力學性能的變化

3.1.1 規律分析

由試驗結果繪制的單軸抗壓強度σc、彈性模量E、抗拉強度σt與分層層數的關系曲線如圖3。

圖3 分層層數影響下相似材料力學性能的變化Fig.3 Changes of mechanical properties of similar material under the influence of the number of layers

由圖3 可知，隨著分層層數的增加，相似材料試件的σc、E、σt均減小，設分層層數為x，進行擬合得到關系式（表3）。分層層數增加至5 層時，相比于分層1 層的完整試件，材料的單軸抗壓強度降低了23.80%，材料的彈性模量降低了32.20%，材料的抗拉強度降低了20.83%。

表3 分層層數x 與相似材料力學性能的擬合關系Table 3 The fitting relationship between the number of layers x and the mechanical properties of similar material

3.1.2 機理分析

在分層界面上，上下2 層之間存在結構面[15]。結構面上下兩壁面間的接觸與無分層的完整試件不同，其接觸為點接觸或局部接觸[16]，即接觸不完全。在相似材料試件制作時，盡管對分層界面進行粗糙處理，一定程度上打破了結構面效應，但結構面上下兩壁面之間仍然屬于不完全接觸，因而會導致相似材料力學性能的下降。且分層越多，形成的結構面越多，則試件內部各分層界面接觸更加不完全，層與層之間不連續性增加，相似材料的力學性能下降更為劇烈，且變形增大。

3.2 壓實次數影響下相似材料力學性能的變化

3.2.1 規律分析

由試驗結果繪制的單軸抗壓強度σc、彈性模量E、抗拉強度σt與壓實次數的關系曲線如圖4。

圖4 壓實次數影響下相似材料力學性能的變化Fig.4 Changes of mechanical properties of similar material under the influence of compaction times

由如圖4 可知，隨壓實次數的增加，相似材料試件的σc、E、σt均增大，設壓實次數為y，進行擬合得到關系式（表4）。壓實次數增加至5 次時，相比于壓實次數為1 次時材料的單軸抗壓強度提高了15.00%，材料的彈性模量提高了28.61%，材料的抗拉強度提高了6.76%。根據曲線的變化趨勢，當壓實次數增加到4 次后，試件的力學性能的增加幅度開始趨于平緩，而且壓實次數為4 次時試件的單軸抗壓強度、彈性模量和抗拉強度與完整試件最為接近。

表4 壓實次數y 與相似材料力學性能的擬合關系Table 4 The fitting relationship between compaction times y and mechanical properties of similar material

3.2.2 機理分析

在重塑土制備過程中，壓實功能越強，重塑土的密度越大[17]。因此，壓實次數的增加會使得相似材料試件密實度提高、孔隙比變小，相應的力學性能也會提高[18]。

3.3 界面處理方式影響下相似材料力學性能的變化

3.3.1 規律分析

通過對無處理、粗糙處理、噴灑水處理、做粗糙并噴灑水處理、噴灑均勻拌合10%濃度的石膏水處理和做粗糙并噴灑均勻拌合10%濃度的石膏水處理條件下的相似材料試件進行單軸壓縮試驗和巴西劈裂試驗，得到各個處理方式下的單軸抗壓強度、彈性模量和抗拉強度，并與一次成型的完整試件的力學性能參數進行對比。根據試驗結果，繪制的單軸抗壓強度σc、彈性模量E 和抗拉強度σt與界面處理方式的關系曲線如圖5。

圖5 界面處理方式影響下相似材料力學性能的變化Fig.5 Changes of mechanical properties of similar material under the influence of interface treatment

由圖5 可知，當界面處理方式依次為無處理、噴灑水處理、噴灑石膏水處理和粗糙處理、做粗糙并噴灑水處理、做粗糙并噴灑石膏水處理時，單軸抗壓強度、彈性模量和抗拉強度均逐漸增大。相比于無處理的分層界面，做粗糙處理時相似材料力學性質提高明顯，而且與噴灑水處理時比較接近。而相比于進行粗糙處理的分層界面，做粗糙并噴灑水處理時單軸抗壓強度提高了4.80%，彈性模量提高了6.40%，抗拉強度提高了4.26%；做粗糙并噴灑石膏水處理時單軸抗壓強度提高了14.25%，彈性模量提高了22.63%，抗拉強度提高了7.99%。

3.3.2 機理分析

在相似材料試件的制作過程中，水分的蒸發會使石膏與水的結合不夠充分，水膏比減小，導致膠結能力降低[19]。在分層界面上，石膏的膠結能力下降會使兩層間結構面效應加劇，通過噴灑水處理可以在一定程度上提高石膏的膠結能力，進一步，噴灑石膏水處理可以起到更好的效果。同時，對層間界面進行粗糙處理可以改善層間結構面的不連續性，使分層界面上的相似材料顆粒之間接觸面積增大，在此基礎上進行噴灑石膏水處理能更好的提高相似材料試件的力學性能。

4 多元回歸分析

為了在模型試驗填料時能夠定量的對以上3 個影響因素進行選擇與處理，采用多元回歸分析的方法來建立相似材料力學性質和填料過程影響因素之間的關系[20]。

由于界面處理方式沒有具體的數值，在進行分析之前，首先要對界面處理方式進行賦值，設界面處理方式的值為z。經過以上的試驗分析可知做粗糙處理能夠有效的提高相似材料的力學性質，為此選取以下界面處理方式進行賦值并分析，對界面處理方式z 的賦值見表5。

表5 對界面處理方式z 的賦值Table 5 Assignment of interface processing mode z

在前面的擬合分析中已經設分層層數為x，壓實次數為y，經多元回歸分析得到回歸方程如下：

以上回歸方程的相關性值分別為0.983 63、0.976 78 和0.994 08，可以看出，各個相關性值都比較接近1，回歸方程的準確性比較高。通過以上三元一次方程，即可確定出相似材料力學性質與填料過程影響因素之間的定量關系。

5 結 論

1）在各分層界面間進行粗糙處理的條件下，分層層數由1 層增加至5 層，材料的單軸抗壓強度、彈性模量和抗拉強度分別降低23.80%、32.20%、20.83%。分層增多會使試件內部結構面增多，層與層之間不連續性增加，相似材料的力學性能下降。

2）在各分層界面間進行粗糙處理的條件下，壓實次數由1 次增加至5 次，材料的單軸抗壓強度、彈性模量和抗拉強度分別提高了15.00%、28.61%、6.76%。當壓實次數為4 次時試件的力學性能與完整試件最為接近，壓實次數大于4 次后試件的力學性能增幅開始趨緩。

3）相比于進行粗糙處理的分層界面，噴灑均勻拌合10%濃度的石膏水處理時單軸抗壓強度、彈性模量和抗拉強度分別提高了14.25%、22.63%、7.99%，此時試件強度與完整試件的強度最為接近。

4）建立了相似材料力學性質與填料過程的3 個影響因素的多元線性回歸方程，可以在以上分析的基礎上，定量的確定出分層層數、壓實次數和界面處理方式三者的處理方式，以幫助減小模型試驗填料過程的誤差，保證模型試驗相似材料的力學性質，進而提高模型試驗精度。