六角形采場充填體的離心模擬試驗(yàn)研究

孫文杰，程國祥，廖永暉，海成龍，陳懷教

（金川鎳鈷研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，甘肅 金昌 737100）

離心模擬試驗(yàn)對模擬自重為主要荷載的巖土結(jié)構(gòu)物的破壞機(jī)理特別有效，是以小比尺離心模擬試驗(yàn)采用與原型相同的材料，在離心機(jī)形成高加速度場中達(dá)到與原型相同的應(yīng)力水平，從而使模型與原型的應(yīng)力應(yīng)變相等，變形相似，破壞機(jī)理相同，能再現(xiàn)原型特性，具有可以減小模型尺寸，大大縮短試驗(yàn)時(shí)間，建立各種非均質(zhì)模型，模擬各種復(fù)雜工程的狀況，從而提高了模型的預(yù)測能力［1-4］。

本次試驗(yàn)的目的是利用土工離心機(jī)模擬簡化六角形采場上部充填體的受力、變形和破壞規(guī)律。通過離心機(jī)模型試驗(yàn)得到采場模型隨著離心機(jī)加速度的變化規(guī)律。

由于針對六角形采場充填體的離心模擬試驗(yàn)國內(nèi)外還未有專家學(xué)者進(jìn)行研究過［5-7］，在國內(nèi)外六角形采場充填體強(qiáng)度的研究中還屬于空白，沒有相關(guān)的研究成果進(jìn)行參考，因此，第一階段的離心模擬試驗(yàn)主要為探索性試驗(yàn)，充填體強(qiáng)度采用5 MPa。

1 試驗(yàn)設(shè)備及主要的試驗(yàn)參數(shù)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)采用清華大學(xué)土工離心機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)1993年建成，已經(jīng)做過大量的各類離心模擬試驗(yàn)，完全可以滿足本次試驗(yàn)的要求。

該離心機(jī)的設(shè)計(jì)最大加速度為250 g，但在試驗(yàn)過程中，由于受輔助設(shè)施的影響，若加速度過高，容易影響輔助設(shè)備的工作效率，根據(jù)以往的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，最大加速度在100 g左右時(shí)，輔助設(shè)備能夠正常運(yùn)作，同時(shí)考慮模型箱的尺寸，最終確定本次離心模擬試驗(yàn)的最大離心加速度為100 g。

土工離心試驗(yàn)相似比的基本原則是滿足模型和原型應(yīng)力的相似性，為了保證模型和原型應(yīng)力相同，原型和模型各物理量之間必須具有一定的相似比例關(guān)系。

1.2 采場結(jié)構(gòu)參數(shù)

采場最大寬度為六角形采場中部兩個(gè)鑿巖巷道內(nèi)側(cè)的距離，與數(shù)值模擬中所闡述的采場寬度有所不同，兩者相差一個(gè)鑿巖巷道的寬度。如圖1所示。

圖1 采場寬度

1.3 模型試驗(yàn)

根據(jù)確定的采場尺寸方案，對整個(gè)離心試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽邕M(jìn)行計(jì)算，結(jié)合清華大學(xué)離心試驗(yàn)機(jī)模型箱的尺寸和離心模擬試驗(yàn)要求，最終確定了模具的內(nèi)部凈尺寸為50 cm×60 cm×20 cm（長×寬×高）。

整個(gè)模具的材質(zhì)采用具有較高剛度的高端有機(jī)玻璃，有機(jī)玻璃的厚度為25 mm，模型中部預(yù)留六角形采場。六角形采場的模型材料同樣采用有機(jī)玻璃，考慮六角形采場在離心模擬試驗(yàn)時(shí)需要拆除，模擬開挖過程，為了拆卸方便，避免對充填體模型產(chǎn)生較大的人為擾動從而影響充填體的強(qiáng)度，六角形采場由六塊相互獨(dú)立的有機(jī)玻璃板組成，有機(jī)玻璃板之間采用螺栓連接，方便拆卸。

為了在充填體澆筑過程中，使充填體快速沉淀和強(qiáng)度均勻，在模型的一側(cè)布置了直徑5 mm的濾水孔，濾水孔的布置間隔為50 mm×50 mm，在模具內(nèi)側(cè)布置濾水孔的一側(cè)粘貼濾紙，防止在濾水過程中水泥隨濾水一同流出，影響充填體的強(qiáng)度。

模具采用內(nèi)外兩層有機(jī)玻璃板，外板厚度為25 mm，內(nèi)板厚度為5 mm，在要布置標(biāo)記點(diǎn)的一側(cè)不設(shè)置內(nèi)板，外板在離心模擬試驗(yàn)時(shí)需要拆除，為了拆卸方便，模型四周與底部的外板相互獨(dú)立，之間采用直徑為6 mm的螺栓連接，方便拆除。內(nèi)板由于不需要拆除，因此內(nèi)板設(shè)計(jì)為一個(gè)整體，與充填體直接接觸。整個(gè)模具的精度要求為：尺寸的精度誤差≤1 mm，有機(jī)玻璃外板剛度變形≤1%。制作完成的整體模具如圖2所示。

圖2 物理模型

2 離心模型試驗(yàn)結(jié)果分析

首先以5 g／min的加載速度緩慢加載至100 g，加至100 g后，穩(wěn)定10 min，觀察模型的變化和破壞情況，模型未發(fā)生明顯的失穩(wěn)破壞。緩慢降低離心加速度至1 g，拆下模型，觀察模型的變形情況。結(jié)果圖如圖3所示。

圖3 離心模型試驗(yàn)位移分布結(jié)果圖（單位：mm）

試驗(yàn)過程中，隨著離心機(jī)加速度的提高，重力由1 g逐步增加至100 g，采場周圍出現(xiàn)明顯的位移變化。在5 g時(shí)，物理模型最大位移為2.4 mm；25 g時(shí)，最大位移為5.2 mm；50 g時(shí)，最大位移為9.8 mm；75 g時(shí)，最大位移為15.5 mm；90 g時(shí)，最大位移為17 mm；100 g時(shí)，最大位移為20.2 mm。

隨著加載加速度的增加，物理模型中產(chǎn)生的位移接近線性增大，得到的線性擬合曲線如圖4所示。通過擬合曲線可以推斷出模型隨著離心加速度的變化產(chǎn)生位移變化的規(guī)律。

圖4 離心加速度與位移擬合曲線

物理模型試驗(yàn)中的分析試樣未發(fā)生破壞的原因，主要是由于充填體強(qiáng)度比較高，且六角形采場上部應(yīng)力拱的存在，使得離心模擬試驗(yàn)附加的重力難以使采場發(fā)生破壞。

3 結(jié) 論

采用物理模型試驗(yàn)，開展了六角形采場充填體的離心模擬試驗(yàn)研究，得到了以下結(jié)論：

1.隨著離心機(jī)加速度的提高，重力由1 g逐步增加至100 g，采場周圍出現(xiàn)明顯的位移變化。

2.隨著加載加速度的增加，物理模型中產(chǎn)生的位移接近線性增大。

3.六角形采場上部應(yīng)力拱的存在，使得離心模擬試驗(yàn)附加的重力難以使采場發(fā)生破壞。