長江階地粉質黏土相似材料配比試驗研究

景文琪

(中鐵二十一局集團軌道交通工程有限公司 湖北武漢 430000)

1 引言

地質力學模型試驗是研究基坑工程開挖卸荷引起周圍土體應力場變化的有效途徑之一，具有直觀性和整體性等特點，因此可廣泛應用于隧道圍巖、深埋巷道、混凝土高壩等研究中。作為模型試驗的基礎，相似材料配比試驗由于其成本較低、指標控制效果佳、制作方便等優勢，在工程地質領域逐漸得到應用。本文開展考慮黏聚力和內摩擦角兩組物理力學參數的長江階地粉質黏土相似材料配比影響研究[1－4]。

近年來，國內外學者就地質力學相似材料的研究已取得一定的成果。Liu等[5]依據相似理論和量綱分析，推導出煤巖力學參數相似準則，采用水泥、砂、丁腈橡膠和聚苯乙烯配置煤巖相似材料；Wu等[6]運用石英砂、石膏、水泥和水按一定配合比模擬砂巖，通過錨固邊坡相似模型試驗進行實測驗證；胡萌等[7]選取河砂、陶砂、水泥、石膏、蒸餾水模擬紅砂巖相似材料，設計四因素三水平正交試驗，得到各因素對飽和密度、孔隙度、單軸抗壓強度和聲波波速的影響規律，最終通過MATLAB程序進行多元線性回歸分析，得出紅砂巖相似材料配比經驗方程；范鶴等[8]以砂、石膏、硅藻土為原料，將正交試驗與增加局部試驗相結合，在最少的試驗次數下確定相似材料配比；李弋等[9]初次提出以河砂作為粗骨料研制DMM模型材料，并將其應用于混凝土高壩動力模型材料的試驗研究中；王建寧等[10]采用模糊評價法對二十五組配合比方案進行綜合分析，最終在滿足試驗需求的前提下得到與目標土質最接近的一組軟弱土質相似材料；竇遠明等[11]運用石英砂、重晶石粉、石膏、洗衣液和膨潤土等原料，通過正交試驗按一定配合比模擬軟弱土質相似材料，研究骨膠比、洗膏比、含水量、膨潤土摻量、重晶石粉含量五種因素對相似材料各物理力學參數的影響規律，再結合方差法與極差法分析上述五種因素的敏感性以及顯著性。但是，目前的研究多集中于巖石相似材料的制備與原材料的選擇，現有的土質相似材料的配置均有地域性強、普適性差等缺點。

本文以長江階地粉質黏土為原型，以滑石粉、鈉基膨潤土、100目石英砂以及水為原材料，設計三因素三水平正交試驗，選擇內摩擦角和黏聚力為相似性的考察指標，利用極差分析法和方差分析法得出滑石粉含量、膨潤土含量以及含水量對上述兩個物理參數的影響規律。

2 原材料選擇與正交試驗方案設計

2.1 原材料選擇

項目場地位于長江階地，主要土體為粉質黏土，其黏聚力和內摩擦角兩項力學參數分別為15 kPa和16°。選取滑石粉、鈉基膨潤土、100目石英砂以及水為原材料，其中鈉基膨潤土為添加劑，與鈣基膨潤土相比，鈉基膨潤土的吸水時間長(吸水速度慢)，而鈣基膨潤土吸水速度快，因此，做剪切試驗時，如果使用鈣基膨潤土，因其吸水速率快，對試樣的物理力學性質會產生一定影響造成試驗結果不準確[12]。滑石具有潤滑性、抗黏、吸附力強、化學性質不活潑等優良的物理化學特性，本試驗原型土體的黏聚力很小，所以選擇膠結性較小的滑石粉，以達到減小相似材料內摩擦角和黏聚力的目的，見圖1。

圖1 相似材料原料

2.2 正交試驗方案設計

試驗主要考察指標為黏聚力與內摩擦角，因此選擇加入對兩項物理力學參數影響較大的滑石粉和鈉基膨潤土進行三因素三水平正交試驗。三因素包括:滑石粉含量、膨潤土含量以及含水率，每種因素設置三個水平。相似材料的正交配比方案見表1。

表1 正交試驗方案及結果

3 試驗結果

根據正交試驗方案制備9組相似材料試樣，對9組試樣分別進行剪切試驗(見圖2)，得出其黏聚力和內摩擦角，結果見表1。由表1可知，不同配比相似材料所對應的參數指標差距較大，黏聚力最小為1.09 kPa，最大為15.1 kPa；而內摩擦角最小為 18°，最大為26.4°，符合基坑模型試驗對該地區粉質黏土相似材料的要求。

圖2 剪切試驗

4 影響因素極差分析

本節采用極差法分析兩項力學指標對三種因素的敏感性大小，所得極差越大，則說明考察指標在該因素不同水平情況下變化較大，該因素對考察指標影響較大，即考察指標對該因素較為敏感；反之，則說明該因素對考察指標影響較小，考察指標對該因素不敏感。各因素極差分析結果如表2所示。

表2 各因素極差分析

4.1 黏聚力影響因素極差分析

由表2可知，膨潤土含量極差最大，其次為滑石粉含量，含水率極差最小，即膨潤土含量>滑石粉含量>含水率。因此，對于粉質黏土相似材料的黏聚力，三種因素對其敏感性大小順序為:膨潤土含量、滑石粉含量、含水率。在相似材料配比試驗中，鈉基膨潤土作為添加劑加入含量占比很小，這是由于在選擇其范圍時，考慮到膨潤土的膨脹性以及模擬對象的含水率，膨潤土含量不宜過大，所以選定的摻入量較低。但其對黏聚力的敏感性卻很大，說明膨潤土含量對相似材料的黏聚力起到決定性作用。除鈉基膨潤土外，滑石粉含量對黏聚力敏感性也較大，原因之一為滑石粉的摻入量在三個控制因素中占比最大。由圖3可知，當增加滑石粉含量時，相似材料的黏聚力逐漸增大，說明滑石粉的含量對其影響程度也很大，含水率對相似材料黏聚力影響較小。

圖3 黏聚力影響因素敏感性分析

4.2 內摩擦角影響因素極差分析

由表2可知，對于內摩擦角這一參數，滑石粉含量極差最大，其次為膨潤土含量，含水率的極差最小，因此，三種因素對粉質黏土相似材料的內摩擦角敏感性大小順序為:滑石粉含量、膨潤土含量、含水率。因為滑石粉對材料黏聚力和內摩擦角影響均較大，在相似材料配比試驗設計中滑石粉占比較大。由圖4可知，當滑石粉摻入量超過30%后，增加滑石粉含量，內摩擦角變化較小；當增加鈉基膨潤土摻入量，相似材料的內摩擦角趨近于線性逐漸增大，說明膨潤土的含量對相似材料內摩擦角影響程度較大；含水率對內摩擦角敏感性也較小。

圖4 內摩擦角影響因素敏感性分析

5 影響因素方差分析

方差分析法能夠精確估計各試驗結果影響的重要程度，當水平數較大以及各影響因素有交互作用時，極差分析法不便于分析各影響因素對試驗指標的影響。

5.1 黏聚力影響因素方差分析

從表3所計算的各因素均方值可以看出，在含水率、滑石粉含量以及膨潤土含量三種不同因素中，膨潤土含量的計算結果值最大，表示膨潤土含量對黏聚力影響程度最大，該因素最為顯著，與正交試驗所得結果相符；而含水率的均方值很小，表示含水量對黏聚力幾乎不產生影響，即含水率不顯著；滑石粉含量對黏聚力影響相對較大，主要是因為其膠結性較小，可達到減小相似材料黏聚力的目的。各因素對黏聚力的影響程度為:膨潤土含量>滑石粉含量>含水率，與黏聚力因素敏感性分析所得結論一致。

表3 黏聚力影響因素方差分析

5.2 內摩擦角影響因素方差分析

從表4計算的各因素均方值可以得出，三種因素中，滑石粉含量的計算結果均方值最大，表示滑石粉含量對內摩擦角影響程度最大，此因素最顯著；而含水率的計算結果依舊很小，表示在相似配比正交試驗中，水的含量對內摩擦角影響小。各因素對內摩擦角的影響程度為:滑石粉含量>膨潤土含量>含水率，與內摩擦角因素敏感性分析所得結論一致。

表4 內摩擦角影響因素方差分析

通過正交試驗結果可知，當石英砂含量42.5%、含水量15%、滑石粉含量40%、鈉基膨潤土含量2.5%時，所制得相似材料的黏聚力為15.1 kPa，內摩擦角為16.4°，與長江階地粉質黏土的力學性質接近，可用于后續基坑模型試驗。

6 結論

(1)按照石英砂含量42.5%、含水量15%、滑石粉含量40%、鈉基膨潤土含量2.5%的配合比，所配制出的相似材料力學性質與長江階地粉質黏土相近。

(2)采用極差法分析兩項力學指標對三種因素的敏感性大小，對于長江階地粉質黏土相似材料的黏聚力，三種因素對其敏感性大小順序為膨潤土含量、滑石粉含量、含水率；三種因素對其內摩擦角的敏感性大小順序為滑石粉含量、膨潤土含量、含水率。

(3)通過方差法分析對黏聚力和內摩擦角有顯著影響的因素，其結果與極差分析法所得結論具有一致性。