模型试验相似材料配比试验研究

模型试验相似材料配比试验研究

相似材料配比的确定是确定混合材料用量的前提地质力学模型的研究是在岩体介质中发展起来的一种古老、应用广泛、图像直接的物理力学性质研究方法。它以实验力学为基础,广泛应用于大坝、隧道、地下洞室等具有复杂地质构造环境背景的地下工程中。地质力学模型可以较好地模拟工程的施工工艺、荷载的作用方式以及时间效应等,还可以分析结构从弹性到塑性,一直到破坏的受力过程。同时,地质力学模型试验可使工程中发生的现象在实验室中再现出来,而且还可以人为地控制和改变试验条件,从而对试验中的主要因素进行独立控制,以确定单因素或多因素对比研究问题影响的规律,而不受外界条件和自然条件的限制,做到结果准确。由上可知,地质力学模型试验有利于在复杂的试验过程中突出主要矛盾,便于把握、发现现象的内在联系,并且有时可以用来对原型所得的结论进行校核。大量工程实践经验［１－３］表明,地质力学模型试验是解决复杂岩土工程问题,特别是地下工程问题的一种行之有效的方法。在地质力学模型试验中,最重要的是要根据相似原理［４］,按照一定的相似关系和相似比尺,选择相似材料建造缩尺模型。因此相似材料配比的确定,是进行模型试验的前提与关键。然而,迄今为止,人们对于各类混合材料的性能、配比等方面的研究仍然是局部的、比较粗糙的,其成果远不能满足广泛范围内的原型对于模型材料的精细要求。加上混合材料的性能稳定性较差,易受其组分性能及试验条件等多方面因素的影响,在相似条件下的结果可比性、再现性甚差。因此,要在具体条件下定量化确定其合理配方,必须在围绕所要求指标的广泛范围内进行试验,初步定出接近要求的配方,再通过反复试验逐步逼近精确指标。这样一来,如何合理设计这类试验就显得相当重要。目前,通常采用的序贯试验法和全面试验法,往往因客观条件的限制而存在严重不足。事实上,相似材料性能受多种因素影响,对于众多的指标要求,序贯试验法往往顾此失彼,加之选择添加剂等方面的限制,很难达到预期的理想结果。全面试验法虽然可以提供比较精细、全面的试验数据,但是需要安排大量的试验,分析也比较困难,从经济、速度、效益等方面考虑均不足为取。经过初步探索,认为一种合理有效的科学方法就是运用正交试验来确定相似材料的配方。通过正交试验,可以以较少的试验和工作量分析出影响相似材料的主次因素,并且可以直观地分析出各因素对材料物理力学性能参数指标的影响规律,从而为满足不同地质力学模型试验的相似材料的配比提供依据。1胶结材料的种类在地质力学模型试验中,选择正确的相似材料是进行模型试验的前提。在国外,早在20世纪60年代,以E.Fumagalli［５］为首的专家在意大利结构模型实验室(ISMES)开创了工程地质力学模型试验技术。主要采用2类相似模型材料:一类是以铅氧化物(PbO或Pb３O４)和石膏的混合物为主料,以砂子或小圆石作为辅助材料;另一类主要以氧化铅、重晶石粉、石灰石粉作为骨料,利用环氧树脂在水中的乳化作用作为粘结剂,甘油和水作为稀释剂和保湿剂,膨润土或硅藻土为外加剂。葡萄牙里斯本国家土木工程研究所［６］主要把铅氧化物(Pb３O４)和铁钛矿粉混合,以石膏为胶结剂,进行了许多小尺寸模型试验。在国内,以武汉大学韩伯鲤等［７］研制的MIB材料、清华大学李仲奎等［８］研制的NIOS材料、山东大学张强勇等［９］研制的IBSCM材料为代表,主要有纯石膏材料,石膏硅藻土混合材料,以砂为骨料、石膏为主要胶结材料,以及以重晶石粉为骨料、石膏为主要胶结材料4种类型。这些相似材料都具有高容重、低抗压强度、低弹性模量和性能稳定等优点。2正交试验设计中类似材料的比例2.1模型试验的相似材料选择通过对相似材料现状的研究可以发现,选择合适的材料配比是成功模拟原型工程的关键。有鉴于此,在对大量的相似材料研究现状的调研以及借鉴前人研究经验的基础上［１０，１１］,本文选择张强勇等研制的IBSCM材料作为模型试验的相似材料。这种材料具有容重高、抗压强度和弹性模量较低、性能稳定、对人体没有任何毒副作用等优点,是一种较理想的相似模型材料。2.2正交试验设计特点正交试验法［１２］是一种用于解决多因素、多水平及多指标这一类试验问题的方法,利用根据“正交性”原理编制而成排列整齐的表———正交表,科学地对试验进行整体设计、综合比较、统计分析,实现通过少数的试验次数找到较好的生产条件,以达到较高的生产工艺效果。正交表能够在因素变化范围内均衡抽样,使每次试验都具有较强的代表性。由于正交表具备均衡分散的特点,保证了全面试验的某些要求,这些试验往往能够较好或更好地达到试验目的。2.3重晶石粉质量比的确定IBSCM材料以铁矿粉、重晶石粉、石英砂为骨料,松香酒精溶液为胶结剂,石膏为调节剂。其中,铁矿粉为200目,品位60%;重晶石粉为320目,比重4.2;石英砂为30~50目;一级松香,工业酒精纯度为97%,松香酒精溶液为相似材料总质量的6%。本次正交试验设计中,共设置了A、B、C、D4个因素,分别为铁矿粉与重晶石粉重量之和占骨料(铁矿粉、重晶石粉以及石英砂重量之和)的百分比、铁矿粉与重晶石粉的重量比、胶结剂的浓度(松香占松香酒精溶液的百分比)和石膏占相似材料总质量的百分比。每个因素均设置3个水平,见表1。根据试验目的,确定了试验指标,选定了因素及水平,选择正交表L９(3４),一共需要9组试验,见表2。2.4分层夯实和压实在模型相似材料试验中,按照正交试验配比,首先计算出铁矿粉、重晶石粉、石英砂和石膏粉的用量,称量好并放入盆中搅拌均匀,然后把溶解好的松香酒精溶液加入混合料,进一步拌合均匀;当混合料颜色一致、湿度均匀的时候,倒入模具(图1)内分层夯实;然后将试块放到压力机上逐渐加载到3MPa压实5min;最后,进行脱模并贴上标签,放在室温下通风干燥2~3d,便可进行室内试验。依据《工程岩体试验方法标准》［１３］,本次室内试验制作了Φ50×100mm、Φ50×50mm、(50×50×50)mm种尺寸的小模型试块(图2),分别对材料进行了单轴抗压强度试验、单轴压缩变形试验、劈裂试验以及直剪试验。每一组配比共需12个试块。3正交试验结果的计算与分析3.1物理力学特性由相似材料研究现状可以知道,影响相似材料的因素有很多,本次试验根据材料配比的要求,选择对小模型试块进行4种岩石力学实验,得到了不同配比相似材料的密度ρ、抗压强度σｃ、抗拉强度σｔ、弹性模量Ε、泊松比μ、黏聚力C、内摩擦角φ等物理力学参数指标值。试验结果汇总见表3。由表3可以看出,相似材料的密度分布在2.56~2.74g/cm３,根据模型试验相似理论,本次配比的相似材料具有较高的容重,能够较好地满足围岩重度相似比为1的岩体材料,可以简化模型与原型之间相似比的换算,同时体现了岩体自重应力场的影响;压拉比分布在6.8~14.1,较好地模拟了实际岩体的脆性特征;弹性模量分布在52.921~182.848MPa,黏聚力分布在0.026~0.246MPa,内摩擦角分布在22.99°~48.21°;相似材料的抗压/拉强度和弹性模量较低,在模拟地应力时可以减轻所加荷载,减少了对加载设备的要求,同时参数值可以在一定范围内进行调整,以满足模型试验的相似材料范围要求。3.2复配胶结剂对材料密度的影响采用极差分析法分析本次正交试验设计的试验结果。极差分析法的原理主要是,把每个因素的相同水平指标值求和,然后比较各水平之间指标值之和的最大差值,以此类推,确定每个因素各对应不同水平之间的最大指标值差值,再通过平均效果中的最大值与最小值的差来分析问题,从而找到影响因素的主要指标以及最佳因素的水平组合。极差越大,说明这个因素在不同水平试验条件下对测试指标的影响越大,也表明这是个主要的因素。也可以通过图形直观地描述出这些关系。一般而言,密度、抗压强度、弹性模量、黏聚力4个主要参数指标可对相似材料的物理力学性能进行有效的控制,因此,下面就通过这4个参数指标进行极差分析,以区分因素的主次。影响因素极差分析结果见表4。由表4可以直观地看出密度、抗压强度、弹性模量、粘聚力4个主要物理力学性质参数指标影响因素的主次排序,见表5。对以上4个物理力学性质参数指标进行分析,因素C对应的抗压强度、弹性模量以及粘聚力这3个参数指标的极差值分别为0.949、94.060、0.170,远大于其他3个因素相对应的极差值,说明因素C对这3个参数指标均有重要影响,并且对密度的极差值为0.053,说明其对密度也有一定的影响。基于这几点考虑,因素C是最重要的因素。而因素A、B、D根据指标极差值的选择均有矛盾。为了解决这种矛盾,就需要综合平衡,看多数的倾向,还要看这个因素对哪几个指标是主要的因素,就优先考虑该指标的选择;如果几个指标在该项试验中有主次之分,那么应当优先考虑主要指标的选择。从表4中还可以看出,密度指标的级差值分别为0.060、0.107、0.053、0.023,粘聚力指标的极差值分别为0.054、0.012、0.170、0.023,这2个参数极差值的波动幅度较小,在考虑因素主次的时候,可以作为次要分析对象。于是,只剩下抗压强度和弹性模量这2个主要参数指标。通过对这2个参数指标进行比较分析,可以发现,因素D相对于因素A、B,对抗压强度和弹性模量的影响更大,也就是说明因素D对相似材料的影响大于因素A、B。然后再接着分析剩下的因素A、B,可以发现,总体上来说,它们对材料相应的参数指标的影响并不明显,但从极差值的数据上来看,因素B对材料的影响要略大于因素A。综上可知,在本次正交试验中,4个因素对相似材料主要参数指标的影响程度,由大到小依次是C、D、B、A。通过分析发现,胶结剂的浓度对抗压强度、弹性模量和粘聚力这3个参数指标起主要的控制作用,并且对密度指标也有一定的影响,说明了胶结剂浓度对材料的物理力学性能有重要的影响;其次为石膏含量,而铁矿粉与重晶石粉的重量比与铁矿粉与重晶石粉重量之和占骨料的百分比对材料的主要参数指标的影响比较小。为了更加直观地分析各因素对4个参数指标的影响规律,给出了各因素不同水平与指标之间的关系图,见图3~图6(图中横坐标字母代表各因素,数字代表对应因素的不同水平)。从以上4幅图中可以看出,胶结剂浓度对材料的抗压强度、弹性模量以及粘聚力3个指标起主要控制作用,并随着胶结剂浓度的增加,3个参数指标也都随之增加。石膏含量对于材料的性能也有一定的影响,随着石膏含量的增加,抗压强度逐渐减小,而弹性模量有先迅速增大后又减小的趋势,其对粘聚力影响不明显。铁矿粉与重晶石粉之和占骨料的百分比以及铁矿粉占重晶石粉重量比这2个因素的影响相对较小,它们主要对密度指标有重要的影响。其中,铁矿粉占重晶石粉重量比相对而言对密度的影响起主要控制作用,随着铁矿粉比重的增加,密度也不断提高,这主要是因为铁矿粉具有较高的比重。通过综合分析可以发现,对材料参数指标值影响最大的是胶结剂浓度,其次是石膏含量,影响最小的为铁矿粉与重晶石粉之和占骨料的百分比以及铁矿粉占重晶石粉重量比。因此在本次正交试验中,对相似材料各物理力学性质指标的因素程度,由大到小依次是C、D、B、A。4实验结果的提出及显著性分析针对地质力学模型试验中相似材料配比进行了研究,选择IBSCM相似材料,运用正交试验,设置了铁矿粉与重晶石粉重量之和占骨料的百分比、铁矿粉与重晶石粉的重量比、胶结剂浓度、石膏含量4个因素,每个因素设置3个水平,忽略4个因素之间各水平的联合对材料的物理力学性质影响的交互作用。通过对小试块的室内试验结果进行极差分析得到了以下结论:(1)相似材料具有较高的容重,能够较好地满足围岩重度相似比为1的岩体材料,简化了模型与原型之间相似比的换算,体现了岩体自重应力场的影响。材料的压拉比较好地模拟了实际岩体的脆性特征,材料的抗压/拉强度和弹性模量较低,在模拟地应力时,可以减轻所加荷载,减少对加载设备的要求,同时参数值可以在一定范围内进行调整,满足模型试验相似材