相似材料性能調(diào)節(jié)方法綜述

嚴(yán)澤臣，李宏，潘軼（.解放軍理工大學(xué)，南京0007；.沈陽軍區(qū)工程科研所，沈陽06；.第94968部隊，南京）

相似材料性能調(diào)節(jié)方法綜述

嚴(yán)澤臣1，李宏2，潘軼3
（1.解放軍理工大學(xué)，南京210007；2.沈陽軍區(qū)工程科研所，沈陽110162；3.第94968部隊，南京211131）

相似材料是模型試驗順利開展的重要前提和基礎(chǔ)。由于巖石和工況的多樣性，難以找出一種材料能夠完全滿足不同工況模型試驗的要求，因而在研究中對相似材料物理力學(xué)參數(shù)的調(diào)節(jié)具有重要意義。論文總結(jié)了近年來研制的主要相似材料，并對其物理力學(xué)參數(shù)的調(diào)節(jié)方法進(jìn)行了分析，指出了目前研究的主要進(jìn)展和不足之處。相關(guān)結(jié)論可為相似材料的研究提供參考。

模型試驗；相似材料；性能；調(diào)節(jié)

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.011

1　引言

模型試驗是巖石力學(xué)和地下工程研究的重要方法，它能直觀反映研究對象的實際變化規(guī)律，揭示可控影響因素對工程活動誘發(fā)工程災(zāi)變過程的影響，從而為避免和防控工程災(zāi)害提供技術(shù)支持。地質(zhì)力學(xué)模型試驗涵蓋相似理論、相似材料以及試驗技術(shù)3個主要方面。滿足相似條件要求的相似材料是模型試驗順利開展的重要前提和基礎(chǔ)，關(guān)系到模型試驗的成敗和科學(xué)性。因此，國內(nèi)外模型試驗領(lǐng)域的專家學(xué)者均將其視為極其重要的研究內(nèi)容[1]。由于巖石種類和變形破壞過程的多樣性，難以找出一種材料能夠完全滿足不同工況模型試驗的要求，因而在研究中對相似材料物理力學(xué)參數(shù)的調(diào)節(jié)具有重要意義。

2　制備和基本性能研究

相似材料是隨著模型試驗的發(fā)展而得到研究的，因而首先在歐洲得到了發(fā)展。20世紀(jì)60年代，F(xiàn)umagalli等[2]在意大利結(jié)構(gòu)模型試驗所（ISMES）開創(chuàng)了工程地質(zhì)力學(xué)模型試驗技術(shù)，并研制了以石膏為黏結(jié)劑，以氧化鉛粉、膨潤土為填充劑的材料。但此類材料價格昂貴且有毒性。ISMES還發(fā)展了以環(huán)氧樹脂為黏結(jié)劑，以重晶石粉、浮石粉為填充劑的復(fù)合材料。美國、英國、日本等國也開展了相似材料的研究。如Burget等[3]通過環(huán)氧樹脂加3%~5%的硬化劑，研制了用于模擬煤巖突出的相似材料。20世紀(jì)60年代以來，以Glushinkhin、Zlotnikov為代表的前蘇聯(lián)科學(xué)家研發(fā)了一系列用于不同目的的模型試驗相似材料，其中包括水泥砂漿、石膏-水泥混合砂漿、環(huán)氧樹脂砂漿等?！禡odelingingeo-mechanics》一書[4]代表了前蘇聯(lián)在模型試驗領(lǐng)域的成就。但蘇聯(lián)解體以后，相關(guān)研究未能得到很好的繼承發(fā)展。

近20年來，世界巖石力學(xué)與工程的研究中心逐步向我國轉(zhuǎn)移，關(guān)于模型試驗的研究也日益活躍，相似材料研發(fā)水平和制備技術(shù)得到了很大的提高。20世紀(jì)80年代，韓伯鯉等[5,6]研制了M IB模型材料，成為我國第一種影響較大的相似材料。21世紀(jì)以來，清華大學(xué)、山東大學(xué)、武漢大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)、武漢巖土力學(xué)研究所、長江科學(xué)院等均在相似材料的研發(fā)和制備上投入了大量人力物力，并取得了顯著的進(jìn)步。如李仲奎等[7]研制的NIOS相似材料，陳陸望等[8]研制的巖爆模擬相似材料，張強(qiáng)勇、李術(shù)才等[9,10]研制的鐵晶砂膠結(jié)相似材料（IBSCM）等。除此之外，還有很多學(xué)者針對不同問題的特殊需求，研制了具有特定性質(zhì)的相似材料[11～14]。

3　物理力學(xué)參數(shù)調(diào)節(jié)方法

由于巖石材料的多樣性，用單一的相似材料很難滿足相似理論對相似材料物理力學(xué)性質(zhì)的要求。因此在實際應(yīng)用中，相似材料物理力學(xué)性質(zhì)的調(diào)整是一項非常基礎(chǔ)且重要的工作。一般情況下，相似材料是按照強(qiáng)度設(shè)計的，在滿足強(qiáng)度比尺要求的條件下，進(jìn)一步考慮容重、彈性模量等重要參數(shù)，通過添加輔助性的材料，使幾個主要參數(shù)均滿足相似理論的要求。

由于相似理論中幾何比尺αL、容重比尺αγ、應(yīng)力比尺ασ須滿足限制關(guān)系ασ=αLαγ，因此，為簡化試驗設(shè)計和數(shù)據(jù)處理，很多研究人員試圖調(diào)節(jié)相似材料的容重，使αγ=1。

為此，大相對密度的散粒物質(zhì)常被用作相似材料的主要原材料之一。如韓伯鯉等研制的M IB模型材料使用了鐵粉，李仲奎等研制的NIOS相似材料使用了磁鐵礦精礦粉，張強(qiáng)勇、李術(shù)才等研制的鐵晶砂膠結(jié)相似材料使用了鐵精粉。增重劑有效地提高了相似材料的容重，但同時使相似材料的成分變得更加復(fù)雜。為了尋找合適特性的相似材料常常需要開展大量的試配工作。為了解決容重調(diào)節(jié)的問題，范鵬賢等對松香膠結(jié)相似材料開展了系統(tǒng)的試驗研究，提出了用重晶石砂替代石英砂的方法，并通過對比試驗驗證了該方法的可行性，實現(xiàn)了在基本不影響相似材料強(qiáng)度和彈性模量前提下的容重調(diào)節(jié)。

在相似材料彈性模量、摩擦角等參數(shù)的調(diào)節(jié)方面，不同學(xué)者對特殊處理工藝、膠結(jié)劑用量、添加劑、粗骨料粒徑等因素的影響開展了研究。為了降低相似材料的彈性模量，韓伯鯉等采用柔性物質(zhì)給粒狀物體（鐵粉）加上外膜，即將氯丁膠黏劑溶液和經(jīng)過篩選的散粒體用攪拌機(jī)攪拌，溶劑揮發(fā)后，鐵粉上即裹覆了一層柔性氯丁膠。由于氯丁膠有毒，目前已很少采用。調(diào)節(jié)膠結(jié)劑的用量和種類可以一定程度上增大或減小相似材料的彈性模量。但是現(xiàn)有的文獻(xiàn)表明，膠結(jié)劑對強(qiáng)度和彈性模量的影響往往是耦合的，在一定的強(qiáng)度要求下，彈性模量的調(diào)節(jié)范圍并不大。目前的相似材料多是針對某種特定工況的模擬，在材料通用性上還有很大欠缺。添加橡膠粉、硅膠等柔性材料也是一種可能調(diào)節(jié)相似材料彈性模量的途徑，但還缺乏系統(tǒng)的研究。

除此之外，大型模型試驗對相似材料的消耗往往數(shù)量巨大，研發(fā)一種可以重復(fù)使用的相似材料及其回收再利用工藝，可以節(jié)省經(jīng)費、降低污染，也是一項非常有意義的工作。

4　結(jié)語

試配相似材料的巨大工作量和試驗周期，制約了模型試驗在深部巖體力學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，大多采用的試配法當(dāng)圍巖工況改變時，需要重新試配相似材料，耗費大量的人力和時間。尤其是對相似材料彈性模量的調(diào)節(jié)，目前還沒有很好的辦法。

因此，對新型相似材料的研發(fā)和制備的研究應(yīng)重點關(guān)注物理力學(xué)參數(shù)的解耦，通過揭示不同組分與物理力學(xué)參數(shù)相互制約關(guān)系，建立一套物理力學(xué)參數(shù)設(shè)計和調(diào)整方法，從而研制出物理力學(xué)參數(shù)變化范圍大，參數(shù)與設(shè)計預(yù)期偏差小，且方便回收再利用的多用途綠色相似材料。

【1】張強(qiáng)勇，李術(shù)才，李勇，等.地下工程模型試驗新方法、新技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2012.

【2】FumagalliE.StaticalandGeomechanicalModels[M].New York：SpringerVerlag.1973.

【3】Burgert W,LippmanM.Modelsof translator rock bursting in coal[J]. International Journal of Rock Mechanics and M iningSciences& GeomechanicsAbstracts,1981（18）:285-294．

【4】Glushikhin F.P.,KutsnetsovG.N.,ShklyarskyM.F.etal.Modelingin geo-mechanics[M].Moscow：Nedra,1991.

【5】韓伯鯉，張文昌，楊存奮.地質(zhì)力學(xué)模型材料(M IB)的研究[J].西北水電技術(shù),1983,2(3):49-54.

【6】韓伯鯉，陳霞齡，宋一樂，等.巖體相似材料的研究[J].武漢水利電力大學(xué)學(xué)報，1997，30(2)：6-9.

【7】李仲奎，盧達(dá)溶，中山元，等.三維模型試驗新技術(shù)及其在大型地下洞群研究中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2003,22(9):1430-1436.【8】陳陸望，白世偉.脆性巖體巖爆傾向性的相似材料配比試驗研究[J].巖土力學(xué)，2006,27(S):1050-1054.

【9】張強(qiáng)勇，李術(shù)才，郭小紅，等.鐵晶砂膠結(jié)新型巖土相似材料的研制及其應(yīng)用[J].巖土力學(xué)，2008,29(8):2126-2130.

【10】張強(qiáng)勇，劉德軍，賈超，等.鹽巖油氣儲庫介質(zhì)地質(zhì)力學(xué)模型相似材料的研制[J].巖土力學(xué)，2009,30(12):3581-3586.

【11】劉德軍，呂晶，張強(qiáng)勇，等.具有流變特性的鹽巖相似材料的研制及應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報，2011，33(10):1590-1595.

【12】李樹忱，馮現(xiàn)大，李術(shù)才，等.新型固流耦合相似材料的研制及其應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)，2010,29(2):281-288.

【13】Im reB,W ildhaberB,SpringmanSM.Aphysicalanaloguematerialto simulate sturzstroms[J].InternationalJournalofPhysicalModelling in Geotechnics,2011,11(2):69-86.

【14】李元海，林志斌，秦先林，等.透明巖體相似材料力學(xué)特性研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2015，44(6):977-982.

Sim ilarity Material Performance Adjustment Method Review

YAN Ze-chen1，LI Hong2，PAN Yi3
(1.PLAUniversityofScience and Technology,Nanjing 210007，China；2.Institute of Engineering Research and DesignofShenyang M ilitaryRegion,Shenyang110162，China；3.94968Army,Nanjing211131，China)

Analogue material is the foundation of geomechanical model test.Duo to the diversity of rock types and engineer conditions,there is no analogue material meet the scaling criterion once for all.Therefore the properties adjustment is of great importance.In this paper,main progresses in analogue material developing and properties adjusting are summarized and the shortcom ingsarepointedout.Theconclusionscanprovidebeneficialreferenceforfurtherresearch.

modeltest;analoguematerial;property;adjustment

TU599;TU458+.4

A

1007-9467（2016）11-0048-02

嚴(yán)澤臣（1991～），男，江蘇泰州人，工程師，從事地下工程防災(zāi)減災(zāi)研究。

2016-05-31