不同原料组合对相似材料动力学特征的影响研究★

韩岩　辜非凡　郭金东　李硕　韦林兴（吉林大学建设工程学院，吉林长春　130026）



不同原料组合对相似材料动力学特征的影响研究★

韩岩辜非凡郭金东李硕韦林兴
（吉林大学建设工程学院，吉林长春130026）

摘要：以灌滩滑坡地质背景下的白云岩为研究对象，根据动力相似理论，分析了河砂、石英砂、石膏、水泥等不同原料组合对白云岩相似材料动力学特征的影响，并采用弹性波速测量和单轴压缩试验方法，研究了不同组合及配比下相似材料的物理、力学性质情况，得出了一些有价值的结论。

关键词：动力相似理论，单胶结物，复骨料，砂胶比，骨料比

1　概述

对于一般地质条件而言，相似模拟试验能够简化原型，降低研究成本并缩短运转周期［1］。作为试验的关键环节之一，相似材料原料的选择与组合对材料的物理力学性质有很大影响，决定试验的成功与否［2］。迄今为止，国内外众研究学者已对多种混合材料的性能和配比方案做了大量研究［3］。本文借鉴以往经验，选取河砂、石英砂和重晶石为骨料，石膏和水泥为胶结物，通过设计四组试验，研究单胶结物、复胶结物、复骨料等组合对相似材料动力学特征的影响。

本文白云岩目标参数如下：密度ρ=2.70 g/cm3，动泊松比μd= 0. 25，动弹性模量Ed=5. 71 GPa，静弹性模量Es=37. 5 MPa。

2　配比方案

本试验配比方案如表1～表4所示。其中：动弹性模量Ed与动泊松比μd：

其中，vp为纵波波速，m/s；vs为横波波速，m/s。

静弹性模量Es：

其中，F为压缩过程中的峰值压力，kN；A为试件横截面面积，mm2；ε为F时试件的竖向应变。

表1　A组配比方案

2.1单胶结物试件动力学参数随砂胶比的变化规律

由图1可见：水泥试件的密度整体大于石膏试件，两组试件的密度随砂胶比增大整体呈先增大后减小趋势并出现多个极值，砂胶比为9和7时水泥试件和石膏试件分别出现峰值。石膏试件的动泊松比整体大于水泥试件，两类相似材料的动泊松比随砂胶比增大呈先增大后减小趋势并出现多个极值，砂胶比为7和9时水泥试件和石膏试件分别出现峰值。石膏试件和水泥试件的动泊松比平均值分别大于和小于参考值。

表2　B组配比方案

表3　C组配比方案

表4　D组配比方案

由图2可见：动、静弹性模量随砂胶比的变化趋势整体相同，砂胶比为8和7时水泥试件和石膏试件两模量分别同时出现峰值。石膏试件动弹性模量整体大于水泥试件，峰值小于目标参数。两组试件静弹性模量平均值均大于目标参数。

2.2复胶结物试件动力学参数随胶结物比的变化规律

配比方案如表3所示。在砂胶比为9、水泥与石膏总量保持不变的条件下，通过改变水泥与石膏的质量比（胶结物比，下同）制成复胶结物试件。由图3可见：复胶结物相似材料的动泊松比和密度负相关，两者变化趋势整体相反。由图4可见，复胶结物试件动、静弹性模量随胶结物比增大变化趋势整体相同，呈现出先减小后增大的趋势，胶结物比为1时两模量取得最小值。

图1　动泊松比、密度随砂胶比变化曲线

图2　动、静弹性模量随砂胶比变化曲线

图3　动泊松比、密度随胶结物比变化曲线

图4　动、静弹性模量随胶结物比变化曲线

2.3复骨料试件动力学参数随胶结物比的变化规律

配比方案如表4所示。本文选择河砂和重晶石作为复合骨料，水泥或石膏作为胶结物。保持砂胶比为7，通过改变骨料比，分别以等质量的水泥和石膏与两种骨料混合制作试件。

由图5可见，两组试件动泊松比和密度整体随骨料比增大而增大。相同骨料比石膏试件的动泊松比基本大于水泥试件，密度则小于水泥试件。由图6可见，两组试件动、静弹性模量随骨料比的增大变化趋势一致，动弹性模量随骨料比增大先增大后减小，且石膏试件动弹性模量普遍高于水泥试件；静弹性模量随骨料比增大呈现“W”变化，且水泥试件静弹性模量普遍高于石膏试件。两组试件动泊松比、密度、动、静弹性模量均低于参考值。

图5　动泊松比、密度随骨料比变化曲线

图6　动、静弹性模量随骨料比变化曲线

3　结语

1）单胶结物试件的密度和动泊松比均随砂胶比增大先增大后减小，水泥试件两参数的降幅均大于石膏试件。动、静弹性模量变化趋势整体相同。石膏相似材料的动弹性模量整体大于水泥相似材料。2）复胶结物试件的动泊松比和密度负相关，动、静弹性模量随胶结物比增大变化趋势整体相同，呈现出先减小后增大的趋势，且在胶结物比为1时取得最小值。与具有相同砂胶比的单胶结物相似材料相比，复胶结物试件的密度、动、静弹性模量整体降低。3）复骨料试件动泊松比和密度整体随骨料比增大而增大，动、静弹性模量随骨料比的增大先增大后减小，动泊松比、密度、动、静弹性模量均低于参考值。

参考文献：

［1］黄星星.锦屏一级水电站岩体相似材料的配比试验及回归分析［D］.成都：成都理工大学硕士学位论文，2012.

［2］苏伟，冷伍明，雷金山，等.岩体相似材料试验研究［J］.土工基础，2008，22（5）：73-75.

［3］安伟刚.岩性相似材料研究［D］.长沙：中南大学硕士学位论文，2002.

Study on the impact of different raw material composition upon dynamical characteristics of similar materials★

Han Yan Gu Feifan Guo Jindong Li Shuo Wei Linxing
（College of Construction Engineering，Jilin University，Changchun 130026，China）

Abstract：Taking dolomite under geological background as the research target，according to dynamic similarity theory，the paper analyzes the impact of river sand，quartz sand，gypsum，cement and other different raw material composition upon dolomite similar material dynamical characteristics，applies elastic wave speed measurement and single-axis compaction testing method，and studies the physical and chemical conditions of similar material with different composition and mixing proportions，and finally draws some valuable conclusions.

Key words：dynamic similarity theory，single cementing material，composite cementing material，sand-binder ratio，aggregate ratio

中图分类号：TU501

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）09-0115-02

收稿日期：2016-01-17★：吉林大学大学生创新项目资助（项目编号：2014A63276）

作者简介：韩岩（1994-），男，在读本科生