泥巖相似材料力學(xué)性能影響因素試驗研究

李昌進(jìn)，劉伊帥，李廷春，朱慶文，李志臣，王昭陽

（1.山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，山東 青島266590；2.莒縣建設(shè)科技推廣培訓(xùn)中心，山東 日照276500）

我國西北部地區(qū)煤炭資源儲量豐富，但開采條 件十分復(fù)雜，主要原因是已開采的地層中存在著泥化弱膠結(jié)軟巖，該類巖石強(qiáng)度低、膠結(jié)差且遇水泥化，給巷道支護(hù)造成了極大的困難[1-3]。針對泥巖地層巷道的支護(hù)難題，在實驗室內(nèi)開展泥巖巷道真三軸地質(zhì)力學(xué)模型試驗，是1 種行之有效的研究方法[4]。開展模型試驗需要選擇合適配比的相似材料，將相似材料填入模型試驗臺內(nèi)，再進(jìn)行加載[5]。關(guān)于相似材料的配比選擇，詹志發(fā)[6]、夏雨[7]、李童悅[8]等均進(jìn)行了相似材料的配比試驗。選擇好相似材料后，需要將相似材料分層填入模型試驗臺內(nèi)，并層層壓實[9]。在此過程中，成型壓力、孔隙率、含水率、溫度、砂膠比和密度都會影響相似材料的力學(xué)性能，柴敬等[10]、朱羽萌[11]、任大瑞等[12]、王鵬[13]等人分別選取了以上影響因素的一部分進(jìn)行了試驗研究并得出了有利于提高模型試驗精度的結(jié)論；但除以上影響因素外，相似材料填料時的分層層數(shù)和壓實次數(shù)也會改變相似材料的力學(xué)性能，同時，將下一層夯實后繼續(xù)填料時，相似材料分層界面上已經(jīng)風(fēng)干，無法保持原有的膠結(jié)能力，如不采取相應(yīng)的界面處理方式，同樣會導(dǎo)致相似材料力學(xué)性能改變，最終影響模型試驗的準(zhǔn)確性。以上分層層數(shù)、壓實次數(shù)和界面處理方式這3個因素對試驗結(jié)果影響很大，但目前關(guān)于這些影響因素的研究很少。因此，為了指導(dǎo)泥巖地層巷道模型試驗填料并提高試驗精度，在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，選取以黃沙、重晶石粉、石英砂為骨料，石膏為膠結(jié)材料的泥巖相似材料制作試件。在模型試驗填料過程的3 個影響因素下利用相似材料試件進(jìn)行單軸壓縮和巴西劈裂試驗，得到各影響因素下的相似材料力學(xué)性能參數(shù)。對各個影響因素下的力學(xué)性能參數(shù)的變化進(jìn)行了分析，并建立了相似材料力學(xué)性質(zhì)與填料過程影響因素之間的多元線性回歸方程，來采取合理的措施保證模型試驗精確有效的進(jìn)行。

1 試驗方案

1.1 相似材料的選擇

依據(jù)相似理論，本次試驗選取泥巖相似材料作為試驗材料，其中黃沙、重晶石粉和石英砂為骨料，石膏為膠結(jié)材料，在準(zhǔn)備相似材料時每組的總重要保證成功壓制4 個單軸壓縮試件和4 個巴西劈裂試件。相似材料具體參數(shù)及配比見表1。

表1 相似材料具體參數(shù)及配比Table 1 Specific parameters and ratio of similar material

1.2 試驗方案設(shè)計

采用控制變量的研究方法，研究模型試驗填料過程中分層層數(shù)、壓實次數(shù)和界面處理方式3 個影響因素條件下相似材料試件力學(xué)性能的變化。共設(shè)計14 組試驗，每組試驗中單軸壓縮試件和巴西劈裂試件均制作4 個。根據(jù)相關(guān)試驗標(biāo)準(zhǔn)[14]，控制單軸壓縮試件尺寸為φ50 mm×100 mm，巴西劈裂試件尺寸為φ50 mm×50 mm。

研究分層層數(shù)的影響時，分層層數(shù)取1、2、3、4、5 層，分層裝料，將下層材料裝入模具夯實，并對下層材料上表面進(jìn)行粗糙處理，再將上層材料裝入模具夯實，在夯實后將模具置于3 MPa 壓力下將試件壓制成型[9]。其中，分層層數(shù)為1 層的試件為1 次裝料壓制成型的完整試件。

研究壓實次數(shù)的影響時，分2 層制作試件，將相似材料分2 次倒入模具內(nèi)分別夯實，中間的分層界面上進(jìn)行粗糙處理，夯實后將試件在3 MPa 壓力下進(jìn)行壓制，壓實次數(shù)取1、2、3、4、5 次。

研究界面處理方式的影響時，由于泥巖相似材料采用的膠結(jié)材料為石膏，石膏加入一定量的水才能實現(xiàn)其膠結(jié)能力。因此分別采取無處理、粗糙處理、噴灑水處理、做粗糙并噴灑水處理、噴灑均勻拌合10%濃度的石膏水處理和做粗糙并噴灑均勻拌合10%濃度的石膏水處理的方式對分層界面進(jìn)行處理，其中水和石膏水每次用量皆為1.5 mL，試件分2 層制作。具體試驗設(shè)計方案見表2。

表2 試驗設(shè)計方案Table 2 Experimental design scheme

2 試驗過程

首先分別稱量出規(guī)定配比質(zhì)量的黃沙、石英砂、重晶石粉和石膏粉，將稱量好的原料加在一起，攪拌均勻，并裝袋備用。取已攪拌均勻的相似材料，加入規(guī)定配比質(zhì)量的水拌和均勻。為防止在試件壓制過程中拌和好的相似材料水分蒸發(fā)，將拌和好的相似材料裝在塑料瓶中，并擰緊瓶蓋。利用電子天平稱量出一定質(zhì)量拌和好的相似材料，倒入模具內(nèi)，初步夯實后，使用SANS 萬能試驗機(jī)，調(diào)節(jié)成型壓力的峰值為3 MPa，以2 mm/min 的壓實速度對相似材料進(jìn)行壓制。壓力達(dá)到峰值后，取下模具并拆開，將壓制成型的試件取出，在坐標(biāo)紙上擺放規(guī)整，不同影響因素下制作完成的試件如圖1。在室溫下待各組試件完全干燥后，進(jìn)行單軸壓縮和巴西劈裂試驗，試驗破壞后的試件如圖2。通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計算得到單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和抗拉強(qiáng)度。

圖1 不同影響因素下制作完成的試件Fig.1 Completed specimens under different influencing factors

圖2 試驗破壞后的試件Fig.2 Specimen after test failure

3 試驗結(jié)果分析

3.1 分層層數(shù)影響下相似材料力學(xué)性能的變化

3.1.1 規(guī)律分析

由試驗結(jié)果繪制的單軸抗壓強(qiáng)度σc、彈性模量E、抗拉強(qiáng)度σt與分層層數(shù)的關(guān)系曲線如圖3。

圖3 分層層數(shù)影響下相似材料力學(xué)性能的變化Fig.3 Changes of mechanical properties of similar material under the influence of the number of layers

由圖3 可知，隨著分層層數(shù)的增加，相似材料試件的σc、E、σt均減小，設(shè)分層層數(shù)為x，進(jìn)行擬合得到關(guān)系式（表3）。分層層數(shù)增加至5 層時，相比于分層1 層的完整試件，材料的單軸抗壓強(qiáng)度降低了23.80%，材料的彈性模量降低了32.20%，材料的抗拉強(qiáng)度降低了20.83%。

表3 分層層數(shù)x 與相似材料力學(xué)性能的擬合關(guān)系Table 3 The fitting relationship between the number of layers x and the mechanical properties of similar material

3.1.2 機(jī)理分析

在分層界面上，上下2 層之間存在結(jié)構(gòu)面[15]。結(jié)構(gòu)面上下兩壁面間的接觸與無分層的完整試件不同，其接觸為點接觸或局部接觸[16]，即接觸不完全。在相似材料試件制作時，盡管對分層界面進(jìn)行粗糙處理，一定程度上打破了結(jié)構(gòu)面效應(yīng)，但結(jié)構(gòu)面上下兩壁面之間仍然屬于不完全接觸，因而會導(dǎo)致相似材料力學(xué)性能的下降。且分層越多，形成的結(jié)構(gòu)面越多，則試件內(nèi)部各分層界面接觸更加不完全，層與層之間不連續(xù)性增加，相似材料的力學(xué)性能下降更為劇烈，且變形增大。

3.2 壓實次數(shù)影響下相似材料力學(xué)性能的變化

3.2.1 規(guī)律分析

由試驗結(jié)果繪制的單軸抗壓強(qiáng)度σc、彈性模量E、抗拉強(qiáng)度σt與壓實次數(shù)的關(guān)系曲線如圖4。

圖4 壓實次數(shù)影響下相似材料力學(xué)性能的變化Fig.4 Changes of mechanical properties of similar material under the influence of compaction times

由如圖4 可知，隨壓實次數(shù)的增加，相似材料試件的σc、E、σt均增大，設(shè)壓實次數(shù)為y，進(jìn)行擬合得到關(guān)系式（表4）。壓實次數(shù)增加至5 次時，相比于壓實次數(shù)為1 次時材料的單軸抗壓強(qiáng)度提高了15.00%，材料的彈性模量提高了28.61%，材料的抗拉強(qiáng)度提高了6.76%。根據(jù)曲線的變化趨勢，當(dāng)壓實次數(shù)增加到4 次后，試件的力學(xué)性能的增加幅度開始趨于平緩，而且壓實次數(shù)為4 次時試件的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和抗拉強(qiáng)度與完整試件最為接近。

表4 壓實次數(shù)y 與相似材料力學(xué)性能的擬合關(guān)系Table 4 The fitting relationship between compaction times y and mechanical properties of similar material

3.2.2 機(jī)理分析

在重塑土制備過程中，壓實功能越強(qiáng)，重塑土的密度越大[17]。因此，壓實次數(shù)的增加會使得相似材料試件密實度提高、孔隙比變小，相應(yīng)的力學(xué)性能也會提高[18]。

3.3 界面處理方式影響下相似材料力學(xué)性能的變化

3.3.1 規(guī)律分析

通過對無處理、粗糙處理、噴灑水處理、做粗糙并噴灑水處理、噴灑均勻拌合10%濃度的石膏水處理和做粗糙并噴灑均勻拌合10%濃度的石膏水處理條件下的相似材料試件進(jìn)行單軸壓縮試驗和巴西劈裂試驗，得到各個處理方式下的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和抗拉強(qiáng)度，并與一次成型的完整試件的力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行對比。根據(jù)試驗結(jié)果，繪制的單軸抗壓強(qiáng)度σc、彈性模量E 和抗拉強(qiáng)度σt與界面處理方式的關(guān)系曲線如圖5。

圖5 界面處理方式影響下相似材料力學(xué)性能的變化Fig.5 Changes of mechanical properties of similar material under the influence of interface treatment

由圖5 可知，當(dāng)界面處理方式依次為無處理、噴灑水處理、噴灑石膏水處理和粗糙處理、做粗糙并噴灑水處理、做粗糙并噴灑石膏水處理時，單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和抗拉強(qiáng)度均逐漸增大。相比于無處理的分層界面，做粗糙處理時相似材料力學(xué)性質(zhì)提高明顯，而且與噴灑水處理時比較接近。而相比于進(jìn)行粗糙處理的分層界面，做粗糙并噴灑水處理時單軸抗壓強(qiáng)度提高了4.80%，彈性模量提高了6.40%，抗拉強(qiáng)度提高了4.26%；做粗糙并噴灑石膏水處理時單軸抗壓強(qiáng)度提高了14.25%，彈性模量提高了22.63%，抗拉強(qiáng)度提高了7.99%。

3.3.2 機(jī)理分析

在相似材料試件的制作過程中，水分的蒸發(fā)會使石膏與水的結(jié)合不夠充分，水膏比減小，導(dǎo)致膠結(jié)能力降低[19]。在分層界面上，石膏的膠結(jié)能力下降會使兩層間結(jié)構(gòu)面效應(yīng)加劇，通過噴灑水處理可以在一定程度上提高石膏的膠結(jié)能力，進(jìn)一步，噴灑石膏水處理可以起到更好的效果。同時，對層間界面進(jìn)行粗糙處理可以改善層間結(jié)構(gòu)面的不連續(xù)性，使分層界面上的相似材料顆粒之間接觸面積增大，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行噴灑石膏水處理能更好的提高相似材料試件的力學(xué)性能。

4 多元回歸分析

為了在模型試驗填料時能夠定量的對以上3 個影響因素進(jìn)行選擇與處理，采用多元回歸分析的方法來建立相似材料力學(xué)性質(zhì)和填料過程影響因素之間的關(guān)系[20]。

由于界面處理方式?jīng)]有具體的數(shù)值，在進(jìn)行分析之前，首先要對界面處理方式進(jìn)行賦值，設(shè)界面處理方式的值為z。經(jīng)過以上的試驗分析可知做粗糙處理能夠有效的提高相似材料的力學(xué)性質(zhì)，為此選取以下界面處理方式進(jìn)行賦值并分析，對界面處理方式z 的賦值見表5。

表5 對界面處理方式z 的賦值Table 5 Assignment of interface processing mode z

在前面的擬合分析中已經(jīng)設(shè)分層層數(shù)為x，壓實次數(shù)為y，經(jīng)多元回歸分析得到回歸方程如下：

以上回歸方程的相關(guān)性值分別為0.983 63、0.976 78 和0.994 08，可以看出，各個相關(guān)性值都比較接近1，回歸方程的準(zhǔn)確性比較高。通過以上三元一次方程，即可確定出相似材料力學(xué)性質(zhì)與填料過程影響因素之間的定量關(guān)系。

5 結(jié) 論

1）在各分層界面間進(jìn)行粗糙處理的條件下，分層層數(shù)由1 層增加至5 層，材料的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和抗拉強(qiáng)度分別降低23.80%、32.20%、20.83%。分層增多會使試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)面增多，層與層之間不連續(xù)性增加，相似材料的力學(xué)性能下降。

2）在各分層界面間進(jìn)行粗糙處理的條件下，壓實次數(shù)由1 次增加至5 次，材料的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和抗拉強(qiáng)度分別提高了15.00%、28.61%、6.76%。當(dāng)壓實次數(shù)為4 次時試件的力學(xué)性能與完整試件最為接近，壓實次數(shù)大于4 次后試件的力學(xué)性能增幅開始趨緩。

3）相比于進(jìn)行粗糙處理的分層界面，噴灑均勻拌合10%濃度的石膏水處理時單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和抗拉強(qiáng)度分別提高了14.25%、22.63%、7.99%，此時試件強(qiáng)度與完整試件的強(qiáng)度最為接近。

4）建立了相似材料力學(xué)性質(zhì)與填料過程的3 個影響因素的多元線性回歸方程，可以在以上分析的基礎(chǔ)上，定量的確定出分層層數(shù)、壓實次數(shù)和界面處理方式三者的處理方式，以幫助減小模型試驗填料過程的誤差，保證模型試驗相似材料的力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而提高模型試驗精度。