裂隙类岩石试件的配比探讨

孟刚，袁延召,，申艳军，张凯峰，刘磊

（1. 中建西部建设北方有限公司，陕西　西安　710116；2. 西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西　西安　710054）

裂隙类岩石试件的配比探讨

孟刚1，袁延召1,2，申艳军2，张凯峰1，刘磊1

（1. 中建西部建设北方有限公司，陕西西安710116；2. 西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西西安710054）

本文就寒区裂隙岩石的类比研究的关键问题即模拟岩石基本性质的类岩石混凝土的配比，通过对砂岩的模拟类岩石的配比过程阐述相似试验的原理，并对含有初始贯通单裂隙类岩石试件的配比设计进行研究，总结归纳出制备此类试验的规范制备流程及方法，为后期标准化试验方法以及流程提供技术借鉴。

寒区；裂隙；岩石；配比

0　引言

在寒区隧道建设方面，我国多条铁路隧道都存在着冻害现象。因为冻害的作用影响，个别隧道常年不能进行使用，不少隧道由于隧道渗漏严重，导致衬砌渗水挂冰，几乎报废，或因衬砌积水冻胀造成混凝土衬砌开裂，隧道渗漏结冰。此类岩体工程灾害问题屡见不鲜，造成重大经济损失，严重影响隧道正常运营。因此，对寒区岩体冻融破坏的问题进行深入的研究具有长远意义，目前，国内外关于裂隙岩体的试验研究已经硕果累累，鉴于含有初始贯通裂隙天然岩体试件难以制作等原因，目前研究大多采用类岩石混凝土试件进行相似模拟研究。本文将重点阐述相似试验的原理，对含有初始贯通单裂隙类岩石试件的配比原理以及试件的制备过程标准化进行阐述，为今后类岩石工艺流程提出规范性建议以及借鉴。

1　类岩石的相似理论以及配合比研究

通常，我们把两个及以上的事物存在共同现象或规律的时候称为“相似”。在科学研究及工程应用中，我们分别称这两者为“模型”和“原型”。通过研究“模型”的性质规律以达到对“原型”探究的手段，称之为相似模拟。在当前方兴未艾的科学研究中，相似模拟研究已经成为一种非常重要的科学研究手段，而对于类岩石的配合比研究根据相似理论的规律对混凝土的配比进行计算以及拓展。

1.1相似定理

相似理论以三个相似定理为基础[1]，相似定理可用来指导模型的设计及相关运用。

（1）相似第一定理

相似第一定理也叫相似正定理，可表述为：对相似的现象其相似指标等于1。或者表述为：对相似的现象，其相似准则的数值相同。如果两系统在对应的各点上均能满足相似现象所对应的物理量之比为常数这一条件，并且两系统的物理现象都可以用同一基本方程来描述，则称两系统的现象相似。这一定理通过定义现象的相似来确定其性质，并对相似模拟试验提供指导方向。当使用这个定理进行模拟试验时，需要先推导出其相似准则，之后再测量出相关的物理量，终而得出相似准则的数值。

（2）相似第二定理

相似第二定理也叫Π定理，可表述为：约束两相似现象的基本物理方程可以用量纲分析的方法转换成相似判据 方程来表达新方程，即转换成Π方程，且两个相似系统的 方程必须相同。

对某一物理现象有n个物理量，其自变量和因变量可表示如下：

式中：k个物理量的量纲是独立的，其余的为导出量纲。经过相似变换可表示成相似准则 之间的函数，即

根据第二相似定理可知，即使不知道现象的数理方程，只要知道相关的参数，根据 定理推导出准则方程，即可进行研究。同时，第二相似定理可减少变量的个数，也减少了试验次数。

（3）相似第三定理

相似第三定理也叫相似存在定理，可表述为：同类物理现象，如果单值量相似，而且由单值量所组成的相似判据在数值上相等，现象才相互相似。

通过上述的三个相似定理，可以看出，根据相似第一定理，可以将相似试验中模型系统内的相似判据推广到原型系统之中，但这只是个理论上的概念，在实际应用中，效果并不明显。根据相似第二定理，可以将模型试验的结果应用在原型之上。相似第三定理指出了相似试验中所应遵守的准则。因而，后两个相似定理更为实用。

1.2相似比

如果模型和原型的两个系统相似，则两者之间在几何特征和物理特征方面肯定存在一定的比例关系，由此便可以模型的特征为依据来研究原型的特征。将原型P与模型M之间相同的物理量之比叫做相似比[2]，以字母C来表示。此处定义，L为长度， γ为重度，δ为位移，X为应力，ε为应变，σi为抗拉强度，σc为抗压强度，c为内聚力，φ为内摩擦角，μ为泊松比，f为摩擦系数。

另外，相似模拟试验中的相似比还应满足如下关系：

1.3配比方案设计

目前，对裂隙岩体的试验研究越来越多，能否获取理想的裂隙岩样对于研究成败至关重要。然而，通过现场取样的手段获取满足试验要求、具有不同裂隙特征的岩样是十分困难的。目前，在完整岩样中预制贯通裂隙有刀具切割、高压水切、锯条切割、激光切割等手段，但效果都不甚理想。类岩石混凝土试件具有取材方便、易于成型，可通过改变材料配比调节各项参数使之类同于岩石特征等优点，广泛应用于相似模拟试验中。因而，找到一种能模拟岩石特性的类岩石混凝土材料来替代裂隙岩体进行相关物理试验是一个较为理想的方法。在进行配比方案研究之前，有必要对国内同行相关类岩石材料配比方案及思路进行汇总，如表1。

总结前人相似材料的研究成果发现，前人多采用细砂为粗骨料，水泥、重晶石粉为细骨料，石膏为胶结剂，水及各种添加剂按一定比例混合配制出类岩石材料来模拟砂岩等软岩材料。制备出的类岩石材料与天然的岩石材料相比符合相似准则，具有和岩石相似的剪胀特性与脆性特性。同时，通过调整类岩石材料的配比可以很好的模拟不同岩石材料的强度和变形等特征。因此，岩石力学相关的物理力学试验广泛采用相似材料来替代。本试验依据相关研究成果，确定采用白水泥、河砂、石膏、铁粉、水为基本原材料，研制能够模拟白垩系砂岩的相似材料。

表1　类岩石相似材料配比总结[3-20]

为了严格控制类岩石材料与白垩系砂岩材料在物理、力学及热物理参数方面的相似性，根据各种基本原材料的性能差异，本文基于正交试验法对不同掺量水泥、砂、石膏、铁粉的配比进行研究。以最贴近砂岩各方面性质的配比为基准，经过对基准配比数十次的微调和测试，最终确定出类岩石试件的最优质量配合比（水泥:砂子:铁粉:石膏:水=11:11:0.6:5.6:1）。通过对最终配比制作出的类岩石试件物理参数进行测试，测试结果见表2，可以看出各项物理参数与白垩系砂岩非常接近，相似比尺符合要求，能够满足相似准则，可作为模拟白垩系砂岩的相似材料进行相关试验。

2　类岩石试样的制样设备及过程工艺

对上述的材料的制备只是对相似度进行了配比，但是要将配合比对类岩石进行制备过程以及批量生产的设备进行制备。由此很有必要对类岩石的制备的过程进标准化的规范，根据前人的设计规范以及总结其制备过程，以及一些混凝土构件的基本的制备过程，本文总结了一套规范的裂隙混凝土的制备过程，并通过对初始单裂隙的试件制备来表述这一规范流程，为后期的试验提供技术借鉴。

表2　白垩系砂岩与类岩石材料的参数对比

2.1制样设备

类岩石试样的制备过程是在西安科技大学建筑与土木工程学院建筑材料实验室完成的。制备试样所需的设备及材料如下：

（1）TD型电子天平：精度±0.01g。

（2）量杯、量筒：用于称量各种原材料质量和体积。

（3）水泥胶砂搅拌机：用以搅拌各配制材料。

（4）批灰刀：用于混合、搅拌物料和制样。

（5）试样模具盒：材质为有机玻璃，尺寸为80mm×80mm×100mm，含有初始单裂隙（0°、45°）倾角各5个。

（6）铁模具盒：材质为铁，含有三个100mm×100mm×100mm凹槽，用以固定自制有机玻璃模试样具盒，进而利用振动台进行振捣。

（7）龙骨木楔：木质材料，规格为20mm×40mm×120mm，数量若干。

（8）薄铁片：规格为80mm×80mm×1mm，用以插入自制的试样模具盒与龙骨中间，起到挤压紧密的效果，数量若干。

（9）裂隙铁片：规格为90mm×15mm×3mm，制作试件时，插入模具盒以预制裂隙。

（10）ZH·DG-80型混凝土试验振动台：制样过程中用来振捣。

（11）辅助材料：螺丝刀、胶带、剪刀、锉刀。

2.2试件制作过程

基于上文中确定的类岩石材料配合比，进行单裂隙类岩石试件的制作。后续试验中的各项试验结果与制备出的类岩石试件的密实性、均一性、完整性密切相关。因而，必须严格按照制样流程操作，细心制备，制作过程如下：

（1）称量：按设计好的材料配比分别称量白水泥、砂子、石膏、铁粉和水，倒入各自的容器中。

（2）搅拌：将所称量的水泥、石膏、铁粉、蒸馏水、砂子依次倒入搅拌机中进行搅拌。

（3）组装模具盒：将有机玻璃模具盒组装完成、并在其内部涂抹凡士林。将方形铁片用胶带粘贴在有机玻璃模具盒底部，把裂隙铁片插入有机玻璃模具盒中。之后，将有机玻璃模具盒放入铁模具盒中，并用龙骨木楔将有机玻璃模具盒固定在铁模具盒中。

（4）填充物料：将搅拌好的混合料，添加到有机玻璃模具盒中至1/3高度处。

（5）振捣：将铁模具盒放在振动台上，随着振捣过程中气泡的溢出，加入混合料直至高出有机模具盒子，振捣至混合料中无气泡溢出，再将有机模具盒从铁模具盒中拿出。

（6）拆模养护：振捣完成12h后，拔出裂隙铁片，拆掉有机玻璃模具盒，取出试样放入恒温养护箱中进行恒温养护28天。

图1　制样所需的设备及材料

图2　类岩石试件的制备过程

2.3试件打磨及筛选

利用自制有机模具盒浇筑的类岩石试样，其上下端部表面将不够平整。因此在制样过程中，混合料的浇筑高度略高出模具盒表面，试样高度略高于100mm。待养护完成后，利用双端面磨平机，将试件两端部打磨平整，最后获得的单裂隙岩体类岩石试件尺寸为 φ50mm×100mm。试件在尺寸和精度上都满足《工程岩体试验方法标准》[23]中的相关要求，即试件高度与直径之比宜为2.0～2.5，试件直径在48～54mm；试件两端面不平行度误差不大于0.05mm，沿试件高度、直径的误差不大于0.3mm，端面垂直于试件轴线，偏差不大于0.25°的规定。

根据热物理参数测试试验中关于试件尺寸的要求，待试件养护完成后，挑取几个类岩石试件，利用自动切石机将其切割，再通过双端面磨平机打磨，最终制备出足量的尺寸为φ50mm×30mm的岩样（图3）。

对制作完成的试件进行筛选，以剔除不适宜进行后续试验的类岩石试样。首先利用肉眼观察，挑出具有明显孔洞、缺陷、裂纹的试件，其次剔除高度、质量有明显差异性的试件，最后根据试件的纵波波速筛选。纵波波速测试验采用RSMSY5智能声波检测仪对不同裂隙角度的类岩石试件进行纵波波速测试，根据波速大小，筛选波速在理想范围内的试件，最后将所有试件进行分类编号。

图3　类岩石试件打磨及筛选

3　结论

本文总结了国内类岩石材料配比试验，根据相似试验原理，利用正交试验法确定多组材料的质量配比，制作出单裂隙岩体试件，测试其各项物理力学参数，并与天然岩石相比较，确定出最贴近砂岩特性的最优材料配合比，并对试验的标准流程进行规范性总结，得出以下结论：

（1）本文根据相似理论等原理，得出最佳的配比方案，最终确定砂岩的类岩石试件的配合比为水泥:砂子:铁粉:石膏:水=11:11:0.6:5.6:1。

（2）根据自行设计的有机玻璃模具盒及相关器具，总结了一套单裂隙类岩石试件的标准化制作方法以及规范的制样流程，为后期的试验提供技术借鉴。

（3）基于理论推理得出的配合比，通过规范的制样流程制作出大量含有倾角（0°、45°）的裂隙岩体类岩石试件。类岩石材料试件的制作模拟裂隙岩体冻融循环及受荷试验提供了可靠的试验对象的规范操作的整体流程。

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［通讯地址］陕西省西安市长安区王寺西街中建西部建设北方有限公司研发中心（710116）

孟刚（1970—），男，中建西部建设北方有限公司技术质量部经理。