Ⅳ級(jí)弱膨脹圍巖相似材料的試驗(yàn)研究

楊軍平，李盛南，樊永華，周立新，馬　勇

(1.桂林理工大學(xué)廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西桂林541004；2.賀州市住房與城鄉(xiāng)建設(shè)局， 廣西賀州542800)

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Ⅳ級(jí)弱膨脹圍巖相似材料的試驗(yàn)研究

楊軍平1,2，李盛南1，樊永華1，周立新1，馬勇1

(1.桂林理工大學(xué)廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西桂林541004；2.賀州市住房與城鄉(xiāng)建設(shè)局， 廣西賀州542800)

摘要：為了研制Ⅳ級(jí)弱膨脹圍巖的相似材料，選取河砂、黏土、膨潤(rùn)土和自來(lái)水為原料，利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一個(gè)L16(43)三因素四水平正交試驗(yàn)方案，并通過(guò)稱重、直剪、自由膨脹率和干燥飽和吸水實(shí)驗(yàn)，得出了各配比的控制指標(biāo)值，利用極差法分析影響各控制指標(biāo)的主要因素；試驗(yàn)結(jié)果表明：相似材料正交試驗(yàn)的指標(biāo)值變化范圍很大，能夠滿足相似材料的各項(xiàng)指標(biāo)要求；含水率是影響?zhàn)ぞ哿?、?nèi)摩擦角的主要因素，膨潤(rùn)土的含量是影響自由膨脹率和干燥飽和吸水率的主要因素。

關(guān)鍵詞:相似材料;極差法;正交試驗(yàn);配比

膨脹圍巖隧道施工具有復(fù)雜的力學(xué)特性，特別是膨脹圍巖遇水后巖體軟化、承載力下降極容易造成工程事故[1-3]。目前，對(duì)膨脹圍巖隧道施工的研究并不多，還沒(méi)有成熟的理論可直接用于實(shí)際的工程，然而對(duì)膨脹圍巖隧道的設(shè)計(jì)和施工只能靠經(jīng)驗(yàn)主觀估算，勢(shì)必會(huì)造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)和安全隱患[4]。而運(yùn)用相似模型試驗(yàn)?zāi)軐?duì)實(shí)際原型的施工過(guò)程進(jìn)行全面研究，得出的試驗(yàn)結(jié)果可以直接運(yùn)用實(shí)際工程，所以相似模型試驗(yàn)是研究膨脹圍巖隧道施工的一種有力工具[5]。模型試驗(yàn)要能準(zhǔn)確反映原型的實(shí)際工程性態(tài)就必須滿足相似原理，然而在相似理論基礎(chǔ)上，正確配制相似材料是模型試驗(yàn)成功的關(guān)鍵因素。目前，已有一些學(xué)者對(duì)相似材料進(jìn)行了研究，取得了一定的成果。武伯弢等[6]選用重晶石粉、石膏、細(xì)砂和水等材料成功研制了Ⅳ級(jí)圍巖的相似材料；李寶富等[7]選用砂、石膏、碳酸鈣和水研制出了低強(qiáng)度煤巖相似材料；孫琦等[8]運(yùn)用砂、云母、石灰、石膏配制出了沈陽(yáng)礦區(qū)煤層的相似材料；陳志敏[9]采用黃土、石英砂、水泥、石膏和自來(lái)水制作出了Ⅳ～Ⅵ級(jí)圍巖隧道的相似材料；賴建英等[10]運(yùn)用砂、膨潤(rùn)土、石灰和水等材料成功配出了具有膨脹性的圍巖材料；胡畔等[11]運(yùn)用膨潤(rùn)土加砂做原料得出了地下儲(chǔ)備庫(kù)的緩沖相似材料。然而還沒(méi)有學(xué)者對(duì)隧道膨脹圍巖的相似材料進(jìn)行研究，對(duì)膨脹圍巖的相似材料不能簡(jiǎn)單以非膨脹性的材料代替，而現(xiàn)今又沒(méi)有相關(guān)研究成果可以借鑒，所以本文研究Ⅳ級(jí)弱膨脹圍巖的相似材料對(duì)膨脹圍巖隧道模型試驗(yàn)具有極其重要的實(shí)際意義。

1相似材料控制指標(biāo)和原料的選取

1.1模型試驗(yàn)相似理論

表1　原型圍巖與模型材料的物理力學(xué)參數(shù)

1.2試驗(yàn)原材料的選取

隧道膨脹圍巖相似材料的選取應(yīng)滿足以下主要原則：①材料易得、廉價(jià)、來(lái)源廣泛。②材料無(wú)毒容易澆筑成型。③改變材料配比模型控制指標(biāo)值變化較大。④材料性質(zhì)穩(wěn)定，不受外界環(huán)境的影響。⑤相似材料均勻連續(xù)，各向同性。⑥混合材料之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。試驗(yàn)以河砂和黏土為骨料、膨潤(rùn)土為膠結(jié)材料與自來(lái)水均勻拌合；其中河砂粒徑0.25～0.5 mm的顆粒含量為40%，小于0.25 mm的顆粒含量為60%；黏土為粒徑小于0.25的粉質(zhì)黏土；膨潤(rùn)土為鈉基膨潤(rùn)土，其主要指標(biāo)為蒙脫石：80%～85%，膨脹容：25～50 mL/g,膠質(zhì)價(jià)：≥99 mL/15 g，2 h吸水率：250%～350%，水為普通自來(lái)水。

2相似材料配比及試驗(yàn)過(guò)程

2.1正交試驗(yàn)方法

正交試驗(yàn)法是根據(jù)正交表來(lái)設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案和分析試驗(yàn)結(jié)果，在多因素實(shí)驗(yàn)中可以大幅減少全面試驗(yàn)的次數(shù)，而又不降低試驗(yàn)的可靠度。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，因素和水平直接決定了正交試驗(yàn)表格和試驗(yàn)的可行性。本次試驗(yàn)設(shè)置三因素A、B、C分別代表砂土比(河砂與黏土的質(zhì)量比)、骨膠比(河砂和黏土的總質(zhì)量與膨潤(rùn)土的質(zhì)量之比)、含水率(水的質(zhì)量與混合顆?？傎|(zhì)量的比)，各因素設(shè)置四水平分別為3∶1、4∶1、5∶1、6∶1；2∶1、3∶1、5∶1、8∶1；6%、9%、12%、15%。L16(43)三因素四水平正交試驗(yàn)表各材料配比如表2。

2.2試樣制作與試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料使用前均在烘箱內(nèi)烘干24 h以上，連續(xù)3次稱量材料質(zhì)量沒(méi)有變化為準(zhǔn)。將材料按河砂、黏土、膨潤(rùn)土的先后順序加入，人工拌合均勻后，向混合材料均勻噴水，噴水過(guò)程中不斷攪拌，為防止混合材料結(jié)團(tuán)后吸水不均勻，應(yīng)將混合材料充分碾細(xì)，嚴(yán)格控制結(jié)團(tuán)顆粒的大小。將混合材料在密封條件下常溫養(yǎng)護(hù)24 h后，按正交表格的順序制作不同配比的環(huán)刀試樣，分別量取2倍環(huán)刀體積(截面面積30 cm2，高2.0 cm)的混合材料，裝入環(huán)刀制樣模具中，用千斤頂緩慢壓實(shí)試樣，制作過(guò)程參照《土工試驗(yàn)規(guī)程》。每組不同配比的混合材料制作8個(gè)環(huán)刀樣，稱重后取平均值計(jì)算重度，其中5個(gè)環(huán)刀樣進(jìn)行不固結(jié)不排水直剪試驗(yàn)，測(cè)定黏聚力和內(nèi)摩擦角，3個(gè)環(huán)刀樣進(jìn)行干燥飽和吸水試驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1試驗(yàn)結(jié)果總體分析

通過(guò)對(duì)16組不同配比的試驗(yàn)混合材料進(jìn)行稱重、直剪、自由膨脹率和干燥飽和吸水率試驗(yàn)，分別得到了各組材料的密度、黏聚力、內(nèi)摩擦角、自由膨脹率和干燥飽和吸水率的試驗(yàn)結(jié)果匯總?cè)绫?。

表2　正交試驗(yàn)的材料配比及試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)總體試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可知以河砂和黏土為骨料，膨潤(rùn)土為膠凝材料配制出的相似材料，其控制指標(biāo)變化范圍較大，重度變化范圍為17.7～22.8 kN/m3，黏聚力變化范圍為16.7～96.4 kPa，內(nèi)摩擦角的變化范圍為16.9°～38°，自由膨脹率變化范圍為42%～95%，干燥飽和吸水率的變化范圍為19.3%～53%，基本包含了Ⅳ級(jí)弱膨脹圍巖相似材料控制指標(biāo)的變化范圍。其中，第5組和第14組配比的砂土比、骨膠比、含水率分別為4∶1、8∶1、9%，6∶1、5∶1、12%時(shí)，均能滿足Ⅳ級(jí)弱膨脹圍巖各項(xiàng)指標(biāo)要求，可直接作為相似材料用于模型試驗(yàn)。

3.2各影響因素敏感性分析

運(yùn)用極差法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行影響因素主次分析，通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算得出各因素的極差，極差越大表示因素的水平變化對(duì)指標(biāo)的影響越大，即此因素為該指標(biāo)的主要影響因素。極差法分析的主要指標(biāo)計(jì)算如下：

(1)

R=max{k1,k2,…,ki,…，}-min{k1,k2,…,ki,…，}，

(2)

其中，i為同一因素中的某一水平；N為同一因素中某一水平的指標(biāo)值；Ki為某列上同一水平所對(duì)應(yīng)的指標(biāo)值之和；ki為某列上因素取i時(shí)所得指標(biāo)和的算術(shù)平均值；n為任意列上各水平的水平數(shù)；R為極差。

3.2.1重度的正交試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果中各因素對(duì)應(yīng)水平的重度指標(biāo)值之和、算術(shù)平均值和極差計(jì)算匯總見(jiàn)表3。從表3中可知：B因素的極差最大，C因素的極差其次，A因素的極差最小，各因素對(duì)重度指標(biāo)的影響程度次序?yàn)锽>C>A。

各因素對(duì)應(yīng)水平對(duì)重度指標(biāo)的影響趨勢(shì)見(jiàn)圖1。重度隨骨膠比的增加而逐漸增加，原因是骨料的密度比膨脹潤(rùn)土的密度大很多，增加骨料的比例，等體積壓入環(huán)刀的材料質(zhì)量也就增加；重度隨含水率的增加也逐漸增加，是因?yàn)樗肿犹畛淞嘶旌狭现g的孔隙，在體積不變的情況下密度也就自然增加了；砂土比對(duì)相似材料的重度影響較小，是因?yàn)樯邦w粒較小，其密度和黏土的密度比較接近，故砂土比變化不會(huì)對(duì)重度產(chǎn)生較大的影響。

圖1　各因素水平變化對(duì)重度的影響趨勢(shì)Fig.1　The affecting trend of bulk densitywith change of the factor level

因素ABCK179.186.977.2K280.982.079.1K381.178.480.7K480.374.184.4k119.821.719.3k220.220.519.8k320.319.620.2k420.118.521.1極差0.53.21.3影響因素主次BCA

3.2.2黏聚力的正交試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果中各因素對(duì)應(yīng)水平的黏聚力指標(biāo)值之和、算術(shù)平均值和極差計(jì)算匯總見(jiàn)表4.從表4中可知：C因素的極差最大，B因素的極差其次，A因素的極差最小，各因素對(duì)黏聚力的影響程度次序?yàn)镃>B>A。

各因素對(duì)應(yīng)水平對(duì)黏聚力指標(biāo)的影響趨勢(shì)見(jiàn)圖2。黏聚力隨含水率的增加而減小，是因?yàn)榕驖?rùn)土中80%以上都是蒙脫石，蒙脫石有很強(qiáng)的吸水能力，能與水分子在層間形成氫鍵，把水分子吸附在表面形成水層，隨著水分子的增加水層變厚，所以導(dǎo)致蒙脫石對(duì)骨料的吸力下降，從而表現(xiàn)出黏聚力下降；黏聚力隨骨膠比的增加而減小，原因是混合料的膠結(jié)力主要來(lái)自膨潤(rùn)土，骨膠比的增大減少了膨潤(rùn)土的含量，進(jìn)而減小了黏聚力。

圖2　各因素水平變化對(duì)黏聚力的影響趨勢(shì)Fig.2　The affecting trend of cohesivestrength with change of the factor level

因素ABCK1202.8159.7333.3K2204.6201.5243.9K3213.3221.8159.7K4208.9246.692.7k150.739.983.3k251.250.461.0k353.355.539.9k452.261.723.2極差2.6021.860.1影響因素主次CBA

3.2.3內(nèi)摩擦角的正交試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果中各因素對(duì)應(yīng)水平的內(nèi)摩擦角指標(biāo)值之和、算術(shù)平均值和極差計(jì)算匯總見(jiàn)表5。從表5中可知：C因素的極差最大，B因素的極差其次，A因素的極差最小，各因素對(duì)內(nèi)摩擦角的影響程度次序?yàn)镃>B>A。

各因素對(duì)應(yīng)水平對(duì)內(nèi)摩擦角的影響趨勢(shì)見(jiàn)圖3。內(nèi)摩擦角隨含水率的增加而減小，且減少的速率越來(lái)越大，原因是隨含水率的增加，混合料之間的孔隙逐漸被水充滿，水對(duì)顆粒之間起到潤(rùn)滑作用，減小了顆粒之間的摩擦力和咬合力。內(nèi)摩擦角隨骨膠比的增加先增大后減小，原因是混合材料中骨料顆粒的增加，增大了顆粒之間的嵌固咬合作用，但是隨著砂土顆粒含量增加和膠結(jié)物含量減少達(dá)到一定程度時(shí)，接觸處的黏結(jié)強(qiáng)度降低，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角減少。

圖3　各因素水平變化對(duì)內(nèi)摩擦角的影響趨勢(shì)Fig.3　The affecting trend of frictionangle with change of the factor level

因素ABCK1117.1119.6134.2K2113.6123.7127.6K3111.3108.8115.3K4116107.180.8k129.329.933.6k228.430.931.9k327.827.228.8k42926.820.2極差1.54.113.4影響因素主次CBA

3.2.4自由膨脹率的正交試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果中各因素對(duì)應(yīng)水平的自由膨脹率的指標(biāo)值之和、算術(shù)平均值和極差計(jì)算匯總見(jiàn)表6。從表6中可知：B因素的極差最大，A因素的極差其次，C因素的極差最小，各因素對(duì)自由膨脹率的影響程度次序?yàn)锽>A>C。

各因素對(duì)應(yīng)水平對(duì)自由膨脹率的影響趨勢(shì)見(jiàn)圖4。自由膨脹率隨骨膠比的增加而迅速減小，主要原因是骨膠比的增加減少了膨潤(rùn)土含量，膨潤(rùn)土是混合材料中主要的膨脹性材料具有很強(qiáng)膨脹性，其充分吸水后能膨脹到原體積的8～30倍，減少膨潤(rùn)土含量必然會(huì)降低自由膨脹率；自由膨脹率隨砂土比的增加而減低，原因是黏土干燥后也能吸水膨脹。由于，自由膨脹率試驗(yàn)是在烘干條件下進(jìn)行的，所以混合材料的含水率對(duì)自由膨脹率幾乎沒(méi)有影響。

圖4　各因素水平變化對(duì)自由膨脹率的影響趨勢(shì)Fig.4　The affecting trend of free expansionrate with change of the factor level

因素ABCK1308.5184.5280K2290266278.5K3250.4316.5298K4247349.5260k177.146.170.0k272.566.569.6k362.679.174.5k461.887.465.0極差15.341.39.5影響因素主次BAC

3.2.5干燥飽和吸水的正交試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果中各因素對(duì)應(yīng)水平的干燥飽和吸水率的指標(biāo)值之和、算術(shù)平均值和極差計(jì)算匯總見(jiàn)表7,從表7中可知：B因素的極差最大，A因素的極差其次，C因素的極差最小，各因素對(duì)干燥飽和吸水率的影響程度次序?yàn)锽>A>C。

各因素對(duì)應(yīng)水平對(duì)干燥飽和吸水率的影響趨勢(shì)見(jiàn)圖5。干燥飽和吸水率隨骨膠比的增加而減小，主要原因是骨膠比的增加減少了膨潤(rùn)土含量，膨潤(rùn)土具有很強(qiáng)的吸水能力，能吸附8～15倍自身重量的水，所以減少膨潤(rùn)土的含量會(huì)降低干燥飽和吸水率；干燥飽和吸水率隨砂土比的增加而減低，是因?yàn)轲ね粮稍锖笠材芪?。干燥飽和吸水率試?yàn)也是在烘干條件下進(jìn)行的，所以混合材料的含水率對(duì)干燥飽和吸水率幾乎沒(méi)有影響。

圖5　各因素水平變化對(duì)干燥飽和吸水的影響趨勢(shì)Fig.5　The affecting trend of dry saturated waterabsorptivity with change of the factor level

因素ABCK1151.582.2131.3K2144.8123.4135.5K3138.0146.0146.8K4110.8193.5131.5k137.920.632.8k236.230.933.9k334.536.536.7k427.748.432.9極差10.227.83.9影響因素主次BAC

4結(jié)語(yǔ)

①各因素的水平變化對(duì)相似材料控制指標(biāo)影響不同。砂和黏土的含量是影響重度的主要因素，含水率是影響?zhàn)ぞ哿蛢?nèi)摩擦角的主要因素，膨潤(rùn)土的含量是影響自由膨脹率和干燥飽和吸水率的主要因素。

②膨潤(rùn)土作為膠凝材料，配制出的圍巖材料具有膨脹性，且可調(diào)節(jié)膨脹性范圍較大，是研制膨脹圍巖相似材料的良好原材料。

③隨含水率增加膨脹圍巖相似材料的黏聚力和內(nèi)摩擦角都減小，這與實(shí)際中膨脹圍巖的性質(zhì)十分吻合，表明研制的相似材料具有可行性。

④改變相似材料的配比，其物理力學(xué)指標(biāo)變化很大，可以根據(jù)其影響規(guī)律配制出不同性質(zhì)的膨脹圍巖相似材料，為選取模型試驗(yàn)的相似材料提供參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]LEE C F, WANG S J, YANG Z F.Geotechnical aspects of rock tunneling in China[J]. Tunneling and Underground Space Technology,1996,11(4):445-454.

[2]MADSEN F T.Suggested methods for laboratory testing of swelling rocks[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mineral Sciences,1999,36(3):291-306.

[3]LIM T T, RAHARDJO H,CHANG M F, et al.Effect of rainfall on matric suction in a residual soil slope[J]. Canadian Geotech J,1996,33(2):618-628.

[4]劉善華,蔣 慶,王英學(xué).基于正交試驗(yàn)的隧道洞口緩沖結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J]. 廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,38(1):86-90.

[5]胡指南,謝永利,來(lái)弘鵬.大型沉管隧道模型試驗(yàn)相似材料研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù),2015,52(1):114-118.

[6]武伯弢,朱合華,徐前衛(wèi),等.IV 級(jí)軟弱圍巖相似材料的試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué)學(xué)報(bào),2013,34(1):109-116.

[7]李寶富,任永康,齊利偉,等.煤巖體的低強(qiáng)度相似材料正交配比試驗(yàn)研究[J]. 煤炭工程,2011,58(4):93-95.

[8]孫琦,張向東,楊逾,等.公路下充填開(kāi)采的相似材料及數(shù)值模擬研究.[J]. 廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,36(4):635-639.

[9]陳志敏,馮亞松,劉德學(xué),等.軟巖隧道Ⅳ～Ⅵ級(jí)圍巖相似材料正交試驗(yàn)研究[J]. 蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào),2015,34(1);12-16.

[10]賴建英,刁心宏.基于正交設(shè)計(jì)的膨脹巖相似材料試驗(yàn)研究[J]. 蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào),2014,40(4):131-135.

[11]胡畔,楊慶.膨潤(rùn)土加砂混合物膨脹特征試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué)學(xué)報(bào),2012,33(2):453-458.

[12]劉禮成.南昆線那厘一百色段膨脹巖工程地質(zhì)特征及設(shè)計(jì)施工意見(jiàn)[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),1996(1):13-14.

(責(zé)任編輯唐漢民梁碧芬)

Experimental study on material similar to class Ⅳ weak expansive surrounding rock

YANG Jun-ping1,2， LI Sheng-nan1， FAN Yong-hua1， ZHOU Li-xin1， MA Yong1

(1.Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering,Guilin University of Technology,

Guilin 541004,China; 2.Hezhou Housing and Urban-Rural Development Bureau, Hezhou 542800,China)

Abstract:To develop a similar material for class Ⅳ weak expansive surrounding rock, river sand, clay, bentonite and tap water were used to produce the material. AL16(43) three-factor-and-four-level multiple test program was designed to conduct the research in accordance with the orthogonal experimental design method. Moreover, the control index of the material under different mixture ratios were obtained by weighing, direct shear test, free swelling rate test and dry saturated water absorptivity test. The key factor that affected the control index was analyzed using the extremum difference method. The results indicate that the index of the similar material under orthogonal experiment changes largely and meet the needs for the material. The moisture capacity is the major factor influencing the cohesion and internal friction angle, and the content of bentoment is the principle factor influencing the free swelling rate and dry saturated water absorptivity rate.

Key words:similar material;extremum difference analysis;orthogonal experimental;proportion

中圖分類號(hào)：TU452

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-7445(2016)01-0163-07

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0163

通訊作者：楊軍平(1971—),男，湖南永州人，桂林理工大學(xué)副教授；E-mail:392696281@qq.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51368014)

收稿日期：2015-11-11；

修訂日期：2015-12-11

引文格式：楊軍平，李盛南，樊永華,等.Ⅳ級(jí)弱膨脹圍巖相似材料的試驗(yàn)研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，41(1)：163-169.