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(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610059)

1 研究背景

某工程邊坡深卸荷形成機(jī)理的物理模擬試驗(yàn)中的原型巖體為隱晶質(zhì)玄武巖，重度為28.3 kN/m3，抗壓強(qiáng)度為200 MPa。考慮到本次模擬試驗(yàn)是在自重應(yīng)力場中模擬開挖卸荷，模型材料重度應(yīng)與原型一致，因此選擇重度相似比Cγ為1∶1；幾何相似比CL=1∶500，即模型材料強(qiáng)度是原型的0.002倍，抗壓強(qiáng)度σc=400 kPa，主要參數(shù)見表1。可見該材料具相對較高重度、低強(qiáng)度的特征。本次模型試驗(yàn)相似材料選取重度、抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度作為控制參數(shù)，由于相似材料目標(biāo)強(qiáng)度很低，且泊松比和抗拉強(qiáng)度在試驗(yàn)中不是主要參數(shù)，本文暫不考察。能否研制和試配出試驗(yàn)所需的相似材料是能否正確模擬工程原型的關(guān)鍵，決定著物理模擬試驗(yàn)成敗。

表1 試驗(yàn)原型及模型主要物理力學(xué)參數(shù)

許多學(xué)者對相似材料進(jìn)行了深入的研究。目前國內(nèi)外最常用的是采用重晶石粉、石英砂加膠結(jié)劑等材料配合而成[1-3]。韓伯鯉等[4]研制的MSB材料、李鐘奎等[5]研制的NIOS相似材料、左保成等[6]以石膏作為膠結(jié)劑，張強(qiáng)勇等[7]、王漢鵬等[8]研制的鐵晶砂膠結(jié)巖土相似材料以酒精松香溶液作為膠結(jié)劑，石豫川等[9]、馮文凱等[10]、蔡國軍等[11]、劉云鵬等[12]、鄒威等[13]以液體石蠟作為膠結(jié)劑，均具有較好的性能。但已有相似材料的研究成果，大部分僅說明了相似材料配合比的設(shè)計(jì)原則，針對各自具體試驗(yàn)所需的參數(shù)配制而成，并未給出具體參數(shù)所對應(yīng)的配合比，對本試驗(yàn)的可借鑒性有限，因而有必要針對本試驗(yàn)的要求展開相似材料配合比試驗(yàn)研究。

本文從材料選擇、模具設(shè)計(jì)、試樣制作、配合比試驗(yàn)等方面系統(tǒng)開展了模型試驗(yàn)相似材料的試驗(yàn)研究，最終獲得了滿足模型試驗(yàn)要求的試驗(yàn)材料、配比及工藝。

2 相似材料的選擇

目前物理模擬試驗(yàn)選用的相似材料骨料主要有重晶石粉、石英砂、氧化鋅、鐵粉、環(huán)氧樹脂等，膠結(jié)劑主要有石膏、液體石蠟、酒精松香溶液、機(jī)油、水泥等。

骨料選擇時(shí)主要考慮和原型材料的組成顆粒相似，不同細(xì)度的骨料應(yīng)相互結(jié)合。膠結(jié)劑則應(yīng)將不同細(xì)度的顆粒粘結(jié)在一起?？紤]到本模型試驗(yàn)的特點(diǎn)，骨料擬選重晶石粉、石英砂、鐵粉，膠結(jié)劑擬選酒精松香溶液。

(1) 重晶石粉：主要礦物成分為硫酸鋇(BaSO4)，密度4.0～4.6 g/cm3，堆積密度2.7 g/cm3左右，擊實(shí)后很可能低于目標(biāo)密度。細(xì)度一般有200目和325目，可模擬原巖中的細(xì)顆粒礦物。

(2) 石英砂：即石英顆粒，主要礦物成分為二氧化硅(SiO2)，密度為2.65 g/cm3，堆積密度在1～20目時(shí)為1.6 g/cm3，20～200目為1.5 g/cm3，均低于目標(biāo)密度。目數(shù)較小的石英砂可模擬原巖中的粗顆粒礦物。

(3) 鐵粉：純度為55%～65%的鐵粉密度在4.55～4.9 g/cm3左右, 摻入鐵粉可調(diào)節(jié)材料密度，彌補(bǔ)重晶石粉和石英砂密度的不足。

(4) 酒精松香溶液：松香是以松脂為原料加工而成的天然樹脂，密度1.06～1.085 g/cm3，酒精密度為0.789 g/cm3。松香碾壓成粉后可較快溶于酒精，具有一定的粘性。

重晶石粉為相似材料的主要成分，但該深卸荷模型試驗(yàn)相似材料重度較高，在現(xiàn)有的人工制樣條件下，難以將其擊實(shí)至目標(biāo)重度，所以加入密度更大的鐵粉以增加重度?？紤]到鐵粉、重晶石粉細(xì)度太小，為了優(yōu)化級配和調(diào)節(jié)材料的力學(xué)性能，加入石英砂作為粗骨料。石膏和水作為黏結(jié)劑時(shí)，水揮發(fā)較慢(試樣需要在室溫中晾干5～7 d)[2]，采用揮發(fā)速度較快的酒精松香溶液替代。

經(jīng)初步適配，材料重度及強(qiáng)度基本滿足試驗(yàn)要求。本次試驗(yàn)采用重晶石粉(B，細(xì)度為200目)、石英砂(S，細(xì)度為60目)、鐵粉(I，細(xì)度為200目)、松香(R)、酒精(A，純度99.9%)混合而成，其中鐵粉、重晶石粉、石英砂為骨料，松香、酒精溶液為膠結(jié)劑。

3 試樣模具設(shè)計(jì)

模具是保證試驗(yàn)試樣成型、測試結(jié)果準(zhǔn)確的關(guān)鍵，對配合比的研究和選取有重要影響。本次模型試驗(yàn)相似材料選取重度、抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度作為控制參數(shù)進(jìn)行研究，因此試樣模具涉及到抗壓強(qiáng)度試樣模具和抗剪強(qiáng)度試樣模具2方面。

3.1 抗壓強(qiáng)度試樣模具

在抗壓強(qiáng)度試樣模具設(shè)計(jì)中，優(yōu)先考慮采用制作工藝簡單、造價(jià)低廉的方形木質(zhì)模具制作試樣。通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，由于木質(zhì)模具的剛度較低，在壓實(shí)材料的過程中容易側(cè)向變形，造成試樣形狀不均、不易脫模、棱角處易破壞，并且由于是人工壓制，人為因素對試樣的密度影響較大，因此放棄選用木制模具，重新設(shè)計(jì)。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[14-16]抗壓強(qiáng)度試樣的尺寸的要求，考慮到相似材料中膠結(jié)劑粘結(jié)力較弱，材料拌合后較為松散，需要擠壓成型。因此，參考土工擊實(shí)試驗(yàn)的相關(guān)器材，本文設(shè)計(jì)加工了?50 mm×100 mm的圓柱型三開鋼制模具，該模具由基座、筒壁鋼片、套箍、螺桿、擊實(shí)板和落錘6部分組成，模具外觀、尺寸參數(shù)如圖1所示，其中圓筒內(nèi)徑50 mm，筒壁鋼片厚7 mm，落錘重1 kg。

圖1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)?zāi)＞?/p>

制作試樣時(shí)，先將3片鋼片拼接好置于基座上，安上套箍，將螺桿對應(yīng)扣入套箍上的凹槽，擰緊螺帽。填入拌合好的相似材料，利用擊實(shí)板和落錘擊實(shí)材料，將材料擊實(shí)至與圓筒頂端平齊，即可拆除模具。

3.2 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)?zāi)＞?/h3>

在直剪試驗(yàn)中優(yōu)先考慮采用環(huán)刀制作抗剪強(qiáng)度試樣。但通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，由于制作環(huán)刀試樣是刮刀手工壓實(shí)刮平，會造成試樣壓實(shí)不均勻而導(dǎo)致試樣重度、性能離散較大。

本文設(shè)計(jì)加工了300 mm×80 mm×21 mm的鋼制框架環(huán)刀試樣擊實(shí)模具，該模具由底板、框架、環(huán)刀擊實(shí)板和落錘5部分組成，其中落錘重3 kg，鋼制框架內(nèi)一次可以放置4個(gè)?61.8 mm×20 mm的環(huán)刀。模具外觀、尺寸參數(shù)如圖2所示。

(a) 模具外觀

(b) 模具尺寸

制作試樣時(shí)，先將環(huán)刀均勻放置在框架內(nèi)，將拌合好的相似材料均勻填入框架，蓋上蓋板，利用落錘將材料擊實(shí)至與框架頂端平齊，垂直提起框架，移走蓋板和落錘，去除環(huán)刀周圍多余部分的材料，取出環(huán)刀試樣，如圖3所示。

圖3 環(huán)刀試樣制作

4 相似材料配合比試驗(yàn)研究

通過對相似材料各主要成分性能和作用的分析比較，確定本次試驗(yàn)相似材料由重晶石粉、石英砂、鐵粉、松香、酒精混合而成。各組分材料相對含量的變化，不僅關(guān)系著試樣重度的大小，而且對試樣的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等物理力學(xué)性質(zhì)有所影響。

4.1 重 度

試樣均采用“密度控制擊實(shí)法”制備。先確定目標(biāo)密度(本文的目標(biāo)密度為2.83 g/cm3)，乘以模具的體積(圓柱型模具為196.35 cm3，環(huán)刀模具為480 cm3)，得到每個(gè)模具所需的材料質(zhì)量，按配比稱取每種材料的質(zhì)量，充分拌合均勻，利用落錘將拌和好的材料全部擊入模具內(nèi)，壓制完成即可立即脫模。

試樣制好后，記上編號，放在室內(nèi)常溫下干燥。每隔5 h(或10 h)測量一次試樣的質(zhì)量，直至相鄰2次測量結(jié)果完全相同。試驗(yàn)結(jié)果表明，在室溫25℃左右時(shí)，試樣可在30 h內(nèi)完全干燥；在室溫15℃左右時(shí)，試樣可在50 h內(nèi)完全干燥(見圖4)?？梢姡摬牧系母稍锼俣容^快，提高了試驗(yàn)效率，縮短了試驗(yàn)周期。

圖4 室溫25℃,15℃下試樣干燥時(shí)間曲線

通過大量試配，重晶石粉含量30%～50%、石英砂含量5%～30%、鐵粉含量20%～50%、酒精松香溶液含量5%左右時(shí)，可以制備出密度為2.0～3.3 g/cm3的試樣，能夠滿足本試驗(yàn)的要求。對于本試驗(yàn)的目標(biāo)密度2.83 g/cm3，可采用中等含量的重晶石粉、低含量的石英砂、高含量的鐵粉來配制。

4.2 抗壓強(qiáng)度

在滿足目標(biāo)重度的前提下，本次試驗(yàn)配置了6組試樣(見表2)進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測試不同配合比下試樣的抗壓強(qiáng)度σc、彈性模量E。

根據(jù)已有研究成果，重晶石粉為加重料，是用來加大重度的，對其他性能影響不大[1-2]，因此本次試驗(yàn)主要考慮石英砂和鐵粉含量變化對抗壓強(qiáng)度的影響。

表2 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)配比及試驗(yàn)結(jié)果

4.2.1 石英砂含量的影響

1至4組試樣鐵粉、酒精、松香含量不變，調(diào)整石英砂和重晶石粉的含量，研究石英砂含量對試樣抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。

試驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)整石英砂的含量，可調(diào)整試樣的抗壓強(qiáng)度和彈性模量(見圖5)。石英砂含量為11%左右時(shí)，試樣的抗壓強(qiáng)度和彈性模量最高，分別比石英砂占5%時(shí)提高40%和36%。因?yàn)槭⑸翱稍黾硬牧项w粒間的摩擦力，當(dāng)石英砂含量超過11%后，石英砂含量的增加反而降低了材料的黏結(jié)力。

圖5 石英砂含量與抗壓強(qiáng)度、試樣彈模的關(guān)系曲線

4.2.2 鐵粉含量的影響

選取2和5組及4和6且兩組石英砂含量相同而鐵粉含量不同的配合比試樣，研究鐵粉含量對試樣抗壓強(qiáng)度的影響，如圖6(a)所示。從圖中可看出，石英砂含量15%時(shí)隨著鐵粉含量的增加，抗壓強(qiáng)度降低；而石英砂含量5%時(shí)隨著鐵粉含量的增加，抗壓強(qiáng)度增大。考慮到試樣樣本數(shù)有限，鐵粉含量對抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律尚不明確。

對上述6個(gè)配合比試樣進(jìn)一步分析鐵粉在鐵粉和重晶石粉總重中所占比例對彈性模量的影響，如圖6(b)所示，鐵粉在細(xì)骨料(鐵粉+重晶石粉)中所占的質(zhì)量比與彈性模量呈拋物線關(guān)系。鐵粉質(zhì)量占細(xì)骨料質(zhì)量的一定百分比時(shí)，彈性模量最大。例如膠結(jié)劑濃度為20%、細(xì)骨料占總質(zhì)量的85%時(shí)，鐵粉質(zhì)量占細(xì)骨料質(zhì)量的55%時(shí)，試樣的彈性模量最大。

圖6 鐵粉含量與抗壓強(qiáng)度、彈性模量關(guān)系曲線

4.2.3 試樣破壞形式

試樣破壞形態(tài)以豎向張裂縫(劈裂)為主，伴隨少量小角度(5°～10°)的斜裂縫(見圖7)。

圖7 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試樣破壞形態(tài)

圖8 抗壓試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

模型材料配比對試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形式影響微弱。試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖8所示，從開始加壓到應(yīng)變約為0.015時(shí)，曲線基本保持水平，在較低的應(yīng)力水平下，應(yīng)變不斷增長，試樣內(nèi)部的孔洞、空隙被逐漸壓縮至閉合，故稱為壓密階段；應(yīng)變超過0.015時(shí)，曲線斜率增大，表現(xiàn)出彈性變形的特征，有時(shí)會出現(xiàn)一個(gè)或若干個(gè)數(shù)值較小的應(yīng)力降，這是由于試樣內(nèi)部產(chǎn)生新裂縫或已有裂縫擴(kuò)張，釋放了部分應(yīng)力所致，裂縫被壓密后應(yīng)力繼續(xù)增加，該階段稱為彈性變形階段；未貫通的裂縫仍有一定的強(qiáng)度，以及儀器對試樣兩端的套箍效應(yīng)阻止了裂縫的繼續(xù)擴(kuò)張，曲線斜率減小且有所波動，但仍繼續(xù)上升，稱為裂縫發(fā)展階段。在應(yīng)變約為0.022處應(yīng)力應(yīng)變達(dá)到峰值，試樣表現(xiàn)出脆性破壞的特征。

模型材料壓密階段較長是由于相似材料的特性所致，而原型玄武巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線幾乎沒有壓密階段。模型材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)與原型材料總體上較一致。

通過上述研究，可以得出4(I∶B∶S∶R∶A=40∶50∶5∶4∶1)和5(I∶B∶S∶R∶A=50∶30∶15∶4∶1)兩組配合比基本滿足試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度的要求。

4.3 抗剪強(qiáng)度

在滿足目標(biāo)重度的前提下，本文設(shè)計(jì)了6組試樣(如表3)進(jìn)行直剪試驗(yàn)，測試不同配合比下試樣的黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ。

表3 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)配比及試驗(yàn)結(jié)果

4.3.1 石英砂含量的影響

同表2，1至4組試樣鐵粉、酒精、松香含量不變，調(diào)整石英砂和重晶石粉的含量，研究石英砂含量對試樣黏聚力、內(nèi)摩擦角的影響規(guī)律。

石英砂含量變化影響材料的c和φ值，石英砂含量越大，材料的黏聚力c越小，內(nèi)摩擦角φ越大，見圖9。因?yàn)槭⑸昂康脑黾?，增?qiáng)了材料顆粒間的滑動摩擦和咬合摩擦，降低了顆粒間的黏聚力。

圖9 石英砂含量與黏聚力、內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線

4.3.2 酒精松香溶液濃度的影響

膠結(jié)劑的濃度越大，其黏聚能力越強(qiáng)。第3組配合比酒精松香溶液濃度為20%，在此基礎(chǔ)上增加5和6兩組配合比，僅將酒精松香溶液濃度分別變?yōu)?0%，30%，研究酒精松香溶液濃度對試樣抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響。

膠結(jié)劑濃度越大，材料的黏聚力越大，內(nèi)摩擦角有微弱的增大，見圖10。

圖10 膠結(jié)劑濃度與粘聚力、內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線

通過上述研究，可以得出4(I∶B∶S∶R∶A=40∶50∶5∶4∶1)和6(I∶B∶S∶R∶A=40∶40∶15∶3.5∶1.5)兩組配合比最貼近試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度的要求。

5 結(jié) 論

本文圍繞某工程邊坡深卸荷形成機(jī)理物理模擬試驗(yàn)對相似材料較高重度、低強(qiáng)度的要求，從材料選擇、模具設(shè)計(jì)、試樣制作、配合比試驗(yàn)等方面進(jìn)行深入系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，獲得了以下幾點(diǎn)認(rèn)識：

(1) 本次試驗(yàn)以重度、抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度作為主要相似參數(shù)，通過分析各組分材料的性質(zhì)及作用機(jī)理，確定試驗(yàn)相似材料由重晶石粉(200目)、石英砂(60目)、鐵粉(200目)、松香、酒精(純度99.9%)混合而成。其中重晶石粉、石英砂和鐵粉為骨料，酒精松香溶液為膠結(jié)劑。

(2) 本文設(shè)計(jì)的圓柱型三開鋼制模具和鋼制框架模具能很好地滿足抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)的要求，并且試樣制作工藝簡便，易于操作。

(3) 試樣采用“密度控制擊實(shí)法”制備，可以達(dá)到目標(biāo)密度2.83 g/cm3。當(dāng)重晶石粉含量30%～50%、石英砂含量5%～30%、鐵粉含量20%～50%、酒精松香溶液含量5%左右時(shí)，可以制備出密度為2.0～3.3 g/cm3的試樣。

(4) 配合比I∶B∶S∶R∶A=40∶50∶5∶4∶1或I∶B∶S∶R∶A=50∶30∶15∶4∶1基本滿足本次試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度的要求。調(diào)整石英砂的含量，可以改變試樣的抗壓強(qiáng)度和彈性模量。二者隨石英砂含量的增大呈拋物線變化，當(dāng)石英砂含量約為11%時(shí)，試樣的抗壓強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到峰值?？紤]到試樣樣本數(shù)有限，鐵粉含量對抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律尚不明確。鐵粉質(zhì)量占細(xì)骨料質(zhì)量的一定百分比時(shí)，彈性模量最大。試樣單向受壓破壞以豎向張裂縫為主，表現(xiàn)出脆性破壞的特征。

(5)配合比I∶B∶S∶R∶A=40∶50∶5∶4∶1或I∶B∶S∶R∶A=40∶40∶15∶3.5∶1.5基本滿足本次試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度的要求。調(diào)整石英砂的含量，可以改變試樣的抗剪強(qiáng)度。石英砂含量越大，材料的黏聚力c越小，內(nèi)摩擦角φ越大。膠結(jié)劑濃度影響試樣的抗剪強(qiáng)度。酒精松香溶液濃度越大，材料的黏聚力越大，內(nèi)摩擦角有微弱的增大。

(6) 經(jīng)過綜合比選，選擇配合比I∶B∶S∶R∶A=40∶50∶5∶4∶1作為本次試驗(yàn)相似材料的配合比。

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