新近系軟巖模擬材料的單軸抗壓實(shí)驗(yàn)特性

劉廣新

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安710043)

1 研究目的

本文的主要目的就是了解新近系軟弱巖石的力學(xué)特性，發(fā)展軟巖力學(xué)的研究方法，探索新的研究手段.為復(fù)雜的軟巖工程提供簡(jiǎn)便可行的實(shí)驗(yàn)研究技術(shù)[1].為巖石力學(xué)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)提供對(duì)比.拓寬有限變形力學(xué)的工程應(yīng)用范圍，促進(jìn)該項(xiàng)理論研究的發(fā)展.

在軟巖的研究過(guò)程中相似模擬被作為一個(gè)重要手段而廣泛運(yùn)用[2－3].但是在進(jìn)行相似模型實(shí)驗(yàn)之前，必須遵循一定的相似條件，即要求模型不僅要幾何相似，而且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所包含的各物理量或主要物理量應(yīng)與原型相似[4].

本文以安徽某地新近系泥巖夾砂巖為原型，采用對(duì)軟巖進(jìn)行材料及模型模擬的方法對(duì)軟巖的力學(xué)特性進(jìn)行研究.為模型實(shí)驗(yàn)選擇合適的模擬材料.

2 相似材料的選取

實(shí)驗(yàn)中相似材料的選取必須滿足以下條件[5－7]:

1)主要力學(xué)性質(zhì)與模擬的巖層相似.

2)力學(xué)性能穩(wěn)定，不易受外界條件(溫度、濕度等)的影響.

3)通過(guò)采用不同的原料比例，改變材料的力學(xué)特性，以適應(yīng)相似模擬條件的需要.

4)凝固時(shí)間短，易成型，制作方便.

5)易采購(gòu)，成本低廉.且對(duì)人無(wú)害.

組成相似材料的原料可分為骨料和膠結(jié)材料兩類.本次實(shí)驗(yàn)選用最常見(jiàn)的砂子為骨料，選用高嶺土、熟石膏、純黏土為膠結(jié)材料.嘗試不同的配比，以供打制模型時(shí)選取.考慮到在模型實(shí)驗(yàn)時(shí)試樣打制時(shí)間較長(zhǎng)而材料膠結(jié)較快因此加入一些起保水作用的輔助材料——甘油.為了更好的表現(xiàn)出軟巖的塑性，可加入鋰基脂作為輔助膠結(jié)材料[8].

3 材料配比方案

方案1砂+純黏土+水+甘油

配比1砂膠比1∶1，水為總質(zhì)量的1/20，甘油為總質(zhì)量的1/20.

配比2砂膠比3∶1，水為總質(zhì)量的1/20，甘油為總質(zhì)量的1/20.

配比3砂膠比2∶1，水為總質(zhì)量的1/15，甘油為總質(zhì)量的1/40.

配比4砂膠比2∶1，水為總質(zhì)量的1/15，甘油為總質(zhì)量的1/50.

方案2砂+純黏土+石膏+水+甘油

配比 1 砂膠比 2∶1，純黏土:石膏 0.6∶0.4，水為總質(zhì)量的1/15，甘油為總質(zhì)量的1/40.

配比 2 砂膠比 3∶1，純黏土:石膏 0.6∶0.4，水為總質(zhì)量的1/20，甘油為總質(zhì)量的1/20.

配比 3 砂膠比1∶1，純黏土:石膏 0.6∶0.4，水為總質(zhì)量的1/20，甘油為總質(zhì)量的1/20.

方案3砂+石膏+水+甘油

配比1砂:石膏2∶1，水為總質(zhì)量的1/10，甘油為總質(zhì)量的1/30.

配比2砂:石膏3∶1，水為總質(zhì)量的1/10，甘油為總質(zhì)量的1/30.

配比3砂:石膏4∶1，水為總質(zhì)量的1/10，甘油為總質(zhì)量的1/30.

方案4砂+純黏土+水

配比1砂膠比2∶1，水為總質(zhì)量的1/10.

配比2砂膠比1∶1，水為總質(zhì)量的1/15.

配比3砂膠比3∶1，水為總質(zhì)量的1/15.

4 實(shí)驗(yàn)方法

按照所提供的配合比，進(jìn)行材料稱量.把拌和均勻的砂漿放入專門的模具中，均勻搗實(shí)，放置3 d后方可實(shí)驗(yàn).每組做10個(gè)試件.見(jiàn)圖1.

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)＞呒皩?shí)樣

4.1 軟巖基本力學(xué)性質(zhì)

由于黏土礦物成分和含量各異，不同時(shí)代的軟巖，具有不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、物化性質(zhì)、水理性質(zhì)，最終使其力學(xué)特性明顯不同.新近系軟巖的單軸抗壓強(qiáng)度多小于10 MPa，彈性模量很小，泊松比較大[1，9].

通過(guò)單軸抗壓實(shí)驗(yàn)，可以得到軟巖的力學(xué)特性指標(biāo).例如，彈性模量E、泊松比μ、單向抗壓強(qiáng)度以及單向應(yīng)力應(yīng)變(σ－ε)曲線.圖2是安徽某地新近系軟巖(泥巖夾砂巖)的σ－ε曲線[10].

圖2 軟巖單軸壓縮實(shí)驗(yàn)曲線

在軟巖單軸抗壓實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，開(kāi)始巖石有明顯的體積壓縮，壓縮變形速度隨載荷增加逐步變小，接近抗壓強(qiáng)度極限時(shí)產(chǎn)生較明顯的體積膨脹現(xiàn)象.

4.2 模擬材料的單軸抗壓實(shí)驗(yàn)

使用TAW－2000微機(jī)控制巖石伺服三軸壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)[11]，在開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)前，要先施加一定的壓強(qiáng)，一般以0.3 MPa為宜.然后逐級(jí)施加荷載，設(shè)定加載速度為1 mm/min試樣加壓直至破壞.數(shù)據(jù)及時(shí)采集，繪制出應(yīng)力應(yīng)變曲線[12].

根據(jù)數(shù)據(jù)曲線可求出材料實(shí)樣的最大應(yīng)力，應(yīng)變，彈性模量，泊松比等主要物理力學(xué)特性.實(shí)驗(yàn)應(yīng)力－應(yīng)變曲線上升段斜率即為材料的彈性模量，徑向應(yīng)變－軸向應(yīng)變曲線平滑段斜率即為材料的泊松比[13].

4.3 模擬材料試樣的單軸壓縮應(yīng)力－應(yīng)變曲線

見(jiàn)圖3.

圖3 模擬材料單軸壓縮實(shí)驗(yàn)曲線

5 模擬試樣單軸抗壓強(qiáng)度的影響因素

5.1 水膠比對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度的影響

當(dāng)骨料性能一定時(shí)，模擬試件的抗壓強(qiáng)度隨著膠凝體和骨料之間的粘結(jié)強(qiáng)度的提高而提高.膠凝體的孔隙率及孔隙結(jié)構(gòu)特征是影響膠凝體強(qiáng)度的主要因素，且主要拌合物水膠比也有影響.抗壓強(qiáng)度與水膠比的關(guān)系類似于混凝土抗壓強(qiáng)度與水灰比的關(guān)系，即抗壓強(qiáng)度隨水膠比的增大而降低.

5.2 黏土和高嶺土對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度的影響

黏土、高嶺土是軟巖模擬材料的主要組分之一，是由黏土礦物組成的，其中影響最大的是蒙脫石和高嶺石.這些吸水性強(qiáng)的黏土礦物遇水膨脹，會(huì)導(dǎo)致材料的強(qiáng)度降低，即所謂“塑性化”作用.黏土的摻量不是影響配比材料強(qiáng)度的主要因素，隨著黏土摻量的變化其各種強(qiáng)度的變化規(guī)律不是很明顯，但是經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)還是能看出，隨著黏土摻量的增加材料的強(qiáng)度略有減小的趨勢(shì).見(jiàn)表1.

材料中摻加高齡土主要是用于改善其彈性模量，但隨著高齡土的摻入，抗壓強(qiáng)度有很大損失.但是其塑性會(huì)有所增強(qiáng).

表1 單軸實(shí)驗(yàn)曲線數(shù)據(jù)處理結(jié)果表

6 單軸抗壓本構(gòu)關(guān)系的擬合

選取應(yīng)力應(yīng)變曲線較符合軟巖變形特征的材料進(jìn)行單軸抗壓本構(gòu)關(guān)系擬合，在擬合過(guò)程中針對(duì)本次的實(shí)驗(yàn)曲線實(shí)選用了線性擬合，對(duì)數(shù)擬合，冪稱擬合，二次多項(xiàng)式擬合，三次多項(xiàng)式擬合等方法[13－15].結(jié)果表明，三次多項(xiàng)式擬合方法最符合本次實(shí)驗(yàn)曲線，相關(guān)系數(shù)都在0.96以上.完全滿足本次擬合要求.擬合結(jié)果如下:

方案1配比3該材料實(shí)驗(yàn)的擬合方程為:σ=－0.919ε3+1.05ε2+1.192 3ε +0.012 4. 即 a=－0.919，b=1.05，c=1.192 3，d=0.012.相關(guān)系數(shù)R2=0.998 2.

方案1配比4該材料實(shí)驗(yàn)的擬合方程為:σ=－0.248ε3+0.263ε2+1.607ε +0.015.即 a= －0.248，b=0.236，c=1.607，d=0.015.相關(guān)系數(shù) R2=0.997 9.

方案2配比2該材料實(shí)驗(yàn)的擬合方程為:σ=－ 0.948ε3+1.088ε2+1.446ε +0.418.即 a=－0.948，b=1.088，c=1.446，d=0.418.相關(guān)系數(shù)R2=0.973 8.

方案4配比1該材料實(shí)驗(yàn)的擬合方程為:σ=－ 0.03ε3+0.032ε2+0.679ε +0.058.即 a=－0.03，b=0.032，c=0.679，d=0.058.相關(guān)系數(shù)R2=0.992 3.

對(duì)以上所有擬合方程中的參數(shù)a、b、c、d求其加權(quán)平均值得:A= －0.204，B=0.231，C=0.417，D=0.043.則實(shí)驗(yàn)所得的軟巖模擬材料的單軸抗壓應(yīng)力－應(yīng)變經(jīng)驗(yàn)公式為:

σ = －0.204ε3+0.231ε2+0.4171ε +0.043.

7 結(jié)語(yǔ)

本文軟巖模擬材料研究選用細(xì)砂為骨料，純黏土、高嶺土為膠結(jié)材料，鋰基脂為輔助膠結(jié)材料.按照合適的配合比制作重塑樣.由對(duì)四種配比方案的單軸實(shí)驗(yàn)曲線分析對(duì)比可以選出:方案1配比3和4、方案2配比2、方案4配比1.這些材料的單軸實(shí)驗(yàn)應(yīng)力－應(yīng)變曲線與典型軟巖的單軸實(shí)驗(yàn)應(yīng)力－應(yīng)變曲線相似.

由對(duì)這四種方案的單軸實(shí)驗(yàn)曲線分析對(duì)比可以選出:方案1配比3和4、方案2配比2、方案4配比1.這些材料的單軸實(shí)驗(yàn)應(yīng)力－應(yīng)變曲線與典型軟巖的單軸實(shí)驗(yàn)應(yīng)力－應(yīng)變曲線相似，物理力學(xué)性質(zhì)可以滿足軟巖模擬需要，可以作為軟巖模擬實(shí)驗(yàn)的參考材料.在選用材料時(shí)應(yīng)根據(jù)模擬對(duì)象的性質(zhì)進(jìn)行選取，以力求最匹配.實(shí)驗(yàn)所得的參數(shù)可依據(jù)相似度的要求，在模型實(shí)驗(yàn)中得到運(yùn)用.為新近系軟巖巷道、隧洞的開(kāi)挖提供模擬參考.

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