隧道及地下工程岩体模型材料研究现状分析*

夏凯成 马 静 王高荣

自20世纪60年代中期以来,为了更仔细地了解基岩或围岩本身及它们对其上或内部建筑物的影响,人们开始采用地质力学模型试验方法进行研究。隧道模型试验是研究隧道科学的一个重要手段[2]。与普通的结构模型试验不同的是,这种试验需要在模型中模拟建筑物基岩或围岩的重力及地质构造,包括岩体中的断层、破碎带、软弱夹层以及节理裂隙等,使模型尽量地符合实际情况,从而研究基岩或围岩的变形状态、稳定条件及其对建筑物结构性能的影响。进行模型试验前,必须要选择相似材料。正确地选择模型材料是能否正确模拟原型的关键。

1 模型材料研究现状

1.1 概述

根据相似理论,在模型试验中应采用模型材料来制作模型[4]。模型材料的选择、配比以及试验模型的制作方法对材料的物理力学性质具有很大的影响,对模型试验的成功与否起着决定性作用。在模型试验研究中,选择合理的模型材料及配比具有重要意义。模型材料的选择必须兼顾各个方面,应考虑到所有可能影响试验结果的因素,权衡轻重,力求把因材料性质而导致的材料畸变减至最低。对于地下工程,应对原型材料的物理力学性能进行全面了解,尤其对工程地质条件以及室内和现场原位试验的结果都应了解清楚,使相似材料的研究有针对性。

1.2 国内外研究现状

意大利等国家的科研单位采用的地质力学相似材料有两类:一类是采用铅氧化物和石膏的混合物为主料,以砂子或小圆石作为辅助材料;另一类主要以环氧树脂、重晶石粉和甘油为组分,其强度和弹性模量均高于第一类相似材料,但是需要高温固化,其固化过程中散发的有毒气体也会危害人体的健康[6]。

目前,国内使用的模型材料主要有以下几种:1)采用重晶石粉为主料,以石膏、机油、石蜡或凡士林作为胶结剂,其他材料如石英砂、铁粉、膨润土粉等作为调节容重和弹模的辅助材料[7-9]。2)采用砂、石膏作为主要材料,其余材料为添加剂[10-13]。3)以加膜铁粉和重晶石粉为骨料,以松香为胶结剂[14]。4)隧道衬砌的模拟主要采用石膏、滑石粉、铁丝等[15,16]。

2 常见模型材料的特点

1)纯石膏材料。它属于气硬性矿物胶结料,这种胶结料通过水化作用的化学反应实现硬化。它的主要特性与石膏粉的磨细度、掺水量、初凝时间和终凝时间等有关。所有这些都对相似材料的性质有着本质的影响。它的性质与混凝土比较接近,均属于脆性材料,抗压强度大于抗拉强度,泊松比为0.2左右,通过配比调节可以得到E=1×103MPa～5×103MPa的材料。该材料具有成型方便、加工容易、性能稳定等特点,最适宜做线弹性应力模型。此外,石膏材料还具有取材容易,价格低的优点。但石膏材料有以下主要缺点:a.在天然环境中容易吸收空气中的水分,一旦吸湿受损,就会降低材料强度;b.相似材料对石膏用量敏感,在小比例模型中模拟低强度材料时,石膏用量不易控制。

2)石膏混合材料。应用较多的是砂—石膏材料。该材料的特点是强度比相当大,其抗压强度与抗弯强度之比为3～4,抗压强度与抗拉强度之比为5～8,而强度本身的大小对这些比例关系的影响不大。湿度的增大会导致强度的显著下降。

3)以石蜡为粘结剂的模型材料。这类材料的外加料有重晶石粉、细石英砂、云母、黏土等。该材料有如下优点:各向同性;由于在受热状态下具有较大塑性,制模时便于各层压实;模型在最后一层压实后2 h～3 h即可进行试验;材性不受湿度影响;模型加工制作方便;试验后材料可重复使用;材料力学性质稳定。该材料的缺点为:压、剪和压、拉强度之间的相关性不太好;有时与要求的相似指标相比弹性模量过低;塑性较大;液体石蜡价格较高。

4)以机油为粘结剂的相似材料。以机油为粘结剂的相似材料强度的时间效应比较明显。试件的成型初期,材料一般表现出较低的强度,由于机油有挥发性,随着机油的挥发,材料强度将有显著提高,同时材料强度随时间的增长呈明显的非线性,因此较难预期了解其强度的变化(见表1)(吴梦军,2007年)。

表1 机油为粘结剂相似材料的典型配比和参数

5)以松香为粘结剂的相似材料。武汉大学以韩伯鲤等为首的团队研制出了MIB材料[4]。该相似材料有重矿石粉末和重金属粉末。在重矿石粉末中,主要有石英砂和重晶石粉。在重金属粉末中,以铁粉作为粗骨料使用较为理想。但须选用新近制作的铁粉,且须进行防锈处理。胶粘剂宜采用弱胶结性的胶结剂,从多种高分子胶粘剂中进行筛选,认为松香较好,松香属于树脂类胶结剂,是一种脆性材料,能溶于酒精,对材料不起塑化作用,且胶结强度可由松香酒精溶液的浓度来调整,本身性能稳定,又价廉易得,是一种合适的胶结剂。

6)NIOS模型材料。含有主料磁铁矿晶矿粉、河砂、粘结剂石膏或水泥、拌合用水及添加剂。作为一种新型的地质力学相似材料,NIOS相似材料可以模拟较大的容重,其弹性模量和抗压强度等主要力学指标可以在比较大的范围内进行调整,配制也比较方便,并且其物理化学性质比较稳定,成本低廉,没有毒性,对操作人员的身体健康和环境没有危害,是一种很有前途的相似材料。但干燥太慢是其最主要的缺点[18-20]。

3 相似材料力学特性的测试

3.1 相似材料弹性常数的测定

对于均匀的、各向同性的材料而言,弹性模量E和泊松比μ完全可以确定材料的弹性性质。对于这两个参数,可以使用电测法和机械式量测两种方法。在实际科研中,为了节省经费和节约时间,在选择相似材料的初期阶段,由于试件多,试验量大,可先用百(千)分表量测,在基本确定相似材料后,再用电测法较为精确的测定材料的E,μ值。每组试验的试件不得少于5个。

3.2 单轴抗压强度的测定

试验在压力机上进行。测试前预先估计一个破坏荷载,然后控制加载速率,使破坏发生在1 min左右。每组试验的试件不得少于5个。

3.3 单轴抗拉强度的测定

由于相似材料的抗拉强度一般较低,难以用直接拉伸试验量测,因此通常采用间接拉伸试验进行测试。目前使用较多的间接拉伸试验是劈裂试验,又称为巴西试验。劈裂试验的试件为一圆盘,它是将经加工的圆盘状(或正方形板状)试件横置于压力机的承压板间,并在试件的上、下承压板之间各放置一根硬质钢丝作为垫条,然后加载使试件受压,试件沿径向产生张拉破坏,以求其抗拉强度。

3.4 抗剪强度指标的测定

相似材料的抗剪强度指标c,φ,可用直剪试验或三轴压缩试验进行,这里介绍直剪试验。

直剪试验在土力学直剪仪上进行,计算公式为:

具体作法是:对同一配比的试件,施以不同的正压力σ,得到相应的抗剪强度τ,以σ为横坐标,τ为纵坐标,标出 σ和τ;过各点重心作直线,该直线与σ轴的夹角即为材料内摩擦角φ,在下轴上的截距为材料内聚力c。

也可根据上式用最小二乘法对所测数据进行拟合,直接得到c,φ。每种配比的直剪试验试件为5个～8个。

4 结语

模型试验是根据一定的相似原理对特定工程问题进行缩尺研究的一种方法,而模型试验成功与否的首要和关键问题是必须提出满足相似准则的相似材料。适用于模型试验的模型材料较多,但没有绝对相似的模型材料。在做具体模型试验时,首先须通过广泛调研后进行各原材料的选取和配比设计,然后通过大量的室内试验测试各模型材料的物理力学参数,最后根据相似准则选取相似程度最好的模型材料,这样可以更好的模拟实际条件,为工程提供更多的帮助。

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