物理模型中膨脹巖相似材料濕度遷移規(guī)律研究

王軍輝，張新

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙 410004；2.江西嘉圓房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，江西南昌 330003）

物理模型中膨脹巖相似材料濕度遷移規(guī)律研究

王軍輝1，2，張新2

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙 410004；2.江西嘉圓房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，江西南昌 330003）

在研究不同初始含水率、不同密度膨脹巖巷道圍巖濕度場(chǎng)時(shí)，需在相似材料配比的基礎(chǔ)上進(jìn)行物理模型試驗(yàn)，模型填筑后的一段時(shí)間內(nèi)填筑材料的含水率會(huì)受重力影響發(fā)生變化，模擬施工用水及其他水分時(shí)實(shí)測(cè)的圍巖含水率實(shí)際上是在重力影響下已發(fā)生變化的含水率，并不能精確反映施工用水對(duì)巷道圍巖的影響。文中通過(guò)對(duì)不同密度、不同含水率膨脹巖配比材料進(jìn)行水分遷移試驗(yàn)，得出了物理模型內(nèi)部含水率隨時(shí)間的分布規(guī)律，為解決膨脹巖濕度場(chǎng)問(wèn)題奠定基礎(chǔ)。

公路；膨脹巖；重力勢(shì)；含水率；密度；模型試驗(yàn)

對(duì)于膨脹巖巷道圍巖濕度場(chǎng)的研究，圍巖內(nèi)部水分的測(cè)定尤為重要，關(guān)系到圍巖膨脹力的大小，是圍巖膨脹應(yīng)力計(jì)算的基礎(chǔ)。而膨脹巖這種似巖非巖、似土非土且對(duì)水敏感的軟巖吸水膨脹、失水收縮的特性，對(duì)含水率的精度要求更高。對(duì)膨脹巖巷道圍巖濕度場(chǎng)常采用物理模型試驗(yàn)的方式進(jìn)行研究，通過(guò)相似材料的配比試驗(yàn)得到理想的配比，通過(guò)配比按照相似模型的比例填筑模型。模型筑好需穩(wěn)定一段時(shí)間再進(jìn)行巷道開(kāi)挖及模擬，此時(shí)正是重力勢(shì)對(duì)模型內(nèi)含水率的作用時(shí)段。為此，該文針對(duì)90 cm×90 cm×30 cm模型進(jìn)行不同密度、不同初始含水率下膨脹巖配比材料試驗(yàn)研究，探討重力作用下的水分遷移規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料及方案

在室內(nèi)進(jìn)行相似材料配比，其中：砂膠比為1∶1；石膏∶膨潤(rùn)土及高嶺土=1∶1，膨潤(rùn)土∶高嶺土=5∶2，淀粉1.5%。采用壁厚2 mm、內(nèi)徑4.7 mm的長(zhǎng)度為90 cm的PVC管進(jìn)行材料填裝，兩端用塑料布密封后在底部留一小孔，保證水分能暢通?？紤]3種初始含水率、3種密度的膨脹巖配比材料，共進(jìn)行10組試驗(yàn)（見(jiàn)表1）。

膨脹巖的基本指標(biāo)：自由膨脹率為103.3%；干燥飽和吸水率為52.3%；極限膨脹量為31.2%；單軸抗壓強(qiáng)度為0.535 MPa。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程（見(jiàn)圖1）

試驗(yàn)前按照PVC管的體積與密度計(jì)算材料用量，配制不同初始含水率的膨脹巖材料，材料配好后

充分浸潤(rùn)12 h后進(jìn)行填裝，填裝前測(cè)定2個(gè)初始含水率（取平均值）。取90 cm PVC管一段密封后按每層5 cm的高度用量進(jìn)行填充，用自制夯實(shí)管進(jìn)行分層擊實(shí)，通過(guò)質(zhì)量和體積控制方法控制密度，填充完后直立靜置48、72、96、120 h。用割管鋸沿縱向鋸開(kāi)，沿管縱向距管頂10、30、45、60、80 cm處取芯，用烘箱烘干測(cè)定含水率。

表1 試驗(yàn)方案

圖1 試驗(yàn)過(guò)程

圖2 含水率為22.65%的膨脹巖材料在靜置不同時(shí)間后的含水率分布

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與應(yīng)用

2.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)試驗(yàn)，得到不同初始含水率、不同密度下膨脹巖配比材料在豎向高度的水分變化規(guī)律。圖2為初始含水率為22.65%的膨脹巖材料在靜置不同時(shí)間后的含水率分布。從圖2可看出：初始含水率為22.65%的膨脹巖材料在靜置不同時(shí)間后不同高度處的含水率呈現(xiàn)微小變化，在中心靠下的上部水分減小，下部水分增大，但變化值很小。在48 h后，密度為1.53 g／cm3的材料其含水率最大減小值（距管頂部10 cm處）為0.74%，最大增大值（距管底部10 cm處）為0.5%；密度為1.8 g／cm3的材料最大減小值為0.18%，最大增大值為0.14%；密度值為1.62 g／cm3的材料介于上述兩種材料之間，最大減小值為0.5%，最大增大值為0.24%。在72 h后，呈現(xiàn)上部含水率繼續(xù)減小、下部含水率繼續(xù)增大的趨勢(shì)，密度為1.53 g／cm3的材料最大減小值為0.98%，最大增大值為0.55%；密度為1.8 g／cm3的材料最大減小值為0.23%，最大增大值為0.18%；密度為1.62 g／cm3的材料最大減小值為0.7%，最大增大值為0.28%。在96 h后，密度為1.53 g／cm3的材料最大減小值為1.23%，最大增大值為0.63%；密度為1.8 g／cm3的材料最大減小值為0.27%，最大增大值為0.25%；密度值為1.62 g／cm3的材料最大減小值為0.78%，最大增大值為0.33%。在120 h后，密度為1.53 g／cm3的材料最大減小值為1.44%，最大增大值為0.68%；密度為1.8 g／cm3的材料最大減小值為0.34%，最大增大值為0.33%；密度為1.62 g／cm3的材料最大減小值為0.84%，最大增大值為0.39%?？赏ㄟ^(guò)插值的方式得出該含水率下其他密度材料靜置48、72、96、120 h后的含水率變化曲線。

圖3 含水率為19.21%的膨脹巖材料在靜置不同時(shí)間后的含水率分布

圖3 為初始含水率為19.21%的膨脹巖材料在靜置不同時(shí)間后的含水率分布。從圖3可看出：初始含水率為19.21%的膨脹巖材料在靜置不同時(shí)間后不同高度處的含水率變化趨勢(shì)仍舊是中心左右位置以上的含水率減小、下部含水率增大，減小和增大幅度比初始含水率為22.65%的材料稍小。在48 h后，密度為1.53 g／cm3的材料其含水率最大減小值為0.54%，最大增大值為0.48%；密度為1.8 g／cm3的材料最大減小值為0.3%，最大增大值為0.29%；

密度為1.62 g／cm3的材料最大減小值為0.47%，最大增大值為0.31%。在72 h后，密度為1.53 g／cm3的材料最大減小值為0.63%，最大增大值為0.57%；密度為1.8 g／cm3的材料最大減小值為0.36%，最大增大值為0.32%；密度為1.62 g／cm3的材料最大減小值為0.55%，最大增大值為0.38%。在96 h后，密度為1.53 g／cm3的材料最大減小值為0.75%，最大增大值為0.6%；密度為1.8 g／cm3的材料最大減小值為0.45%，最大增大值為0.44%；密度為1.62 g／cm3的材料最大減小值為0.67%，最大增大值為0.47%。在120 h后，密度為1.53 g／cm3的材料最大減小值為0.88%，最大增大值為0.72%；密度為1.8 g／cm3的材料最大減小值為0.3%，最大增大值為0.29%；密度為1.62 g／cm3的材料最大減小值為0.53%，最大增大值為0.48%?？赏ㄟ^(guò)插值的方式得出該含水率下其他密度材料靜置48、72、96、120 h后的含水率變化曲線。

圖4為初始含水率為16.3%的膨脹巖材料在靜置不同時(shí)間后的含水率分布。從圖4可以看出：初始含水率為16.3%的膨脹巖材料在靜置不同時(shí)間后不同高度處的含水率變化趨勢(shì)仍舊是中心左右位置以上含水率減小、下部含水率增大。在48 h后，密度為1.53 g／cm3的材料其含水率最大減小值為0.34%，最大增大值為0.33%；密度為1.8 g／cm3的材料最大減小值為0.15%，最大增大值為0.18%；密度值為1.62 g／cm3的材料最大減小值為0.23%，最大增大值為0.27%。在72 h后，密度為1.53 g／cm3的材料最大減小值為0.48%，最大增大值為0.41%；密度為1.8 g／cm3的材料最大減小值為0.19%，最大增大值為0.20%；密度值為1.62 g／cm3的材料最大減小值為0.35%，最大增大值為0.33%。在96 h后，密度為1.53 g／cm3的材料最大減小值為0.55%，最大增大值為0.44%；密度為1.8 g／cm3的材料最大減小值為0.25%，最大增大值為0.24%；密度值為1.62 g／cm3的材料最大減小值為0.41%，最大增大值為0.37%。在120 h后，密度為1.53 g／cm3的材料最大減小值為0.61%，最大增大值為0.46%；密度為1.8 g／cm3的材料最大減小值為0.3%，最大增大值為0.29%；密度值為1.62 g／cm3的材料最大減小值為0.27%，最大增大值為0.30%?？赏ㄟ^(guò)插值的方式得出該含水率下其他密度材料靜置48、72、96、120 h后的含水率變化曲線。

圖4 含水率為16.3%的膨脹巖材料在靜置不同時(shí)間后的含水率分布

圖5 為初始含水率為12%的膨脹巖材料在靜置120 h后的含水率分布。從圖5可以看出：初始含水率為12%的膨脹巖材料在靜置120 h后不同高度處的含水率基本為一條曲線，可以認(rèn)為在12%含水率的重力勢(shì)作用下，沒(méi)有水分遷移的影響。故在后期模型上初始含水率可看作穩(wěn)定值。

圖5 含水率為12%的膨脹巖材料在靜置120 h后的含水率分布

綜上所述，膨脹巖材料含水率的變化和其密度及初始含水率相關(guān)，但重力勢(shì)作用下的水分變化很小。從密度上考慮，密度1.8 g／cm3時(shí)水分變化最小，密度為1.53 g／cm3時(shí)水分變化稍大，密度為1.62 g／cm3時(shí)含水率變化介于兩者之間。從含水率上考慮，密度一定時(shí)，初始含水率高的變化值比含水率低的大。從試驗(yàn)效果上看，初始含水率為22.65%的試樣下部有水分流失現(xiàn)象，初始含水率為12%的試樣含水率幾乎不變。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用

水分的遷移規(guī)律很復(fù)雜，由于試驗(yàn)條件和時(shí)間的關(guān)系，僅從簡(jiǎn)單的幾個(gè)點(diǎn)去分析模型中的水分變化其精度有限，但還是能通過(guò)試驗(yàn)得出模型中任意初始含水率、密度在任意時(shí)間點(diǎn)和模型部位的含水率。在利用模型來(lái)研究水分變化規(guī)律時(shí)，可通過(guò)插值的方式得出相應(yīng)曲線，從而確定任意點(diǎn)在具體時(shí)間上的含水率值，為后續(xù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量奠定基礎(chǔ)。例如要得出密度為1.7 g／cm3、模型初始含水率為17%、距離管頂40 cm處48 h的含水率，可通過(guò)上述1.8與1.62 g／cm3材料在48 h后的含水率變化曲線插值得出ρ=1.7 g／cm3材料含水率變化曲線，然后通過(guò)w=16.3%與w=19.21%各部位的值插值得出w=17%的各點(diǎn)值，從而得到其含水率變化曲線（見(jiàn)圖6），從圖6中可找出40 cm處的含水率值。若要得出60 h的含水率，只要再進(jìn)行一次插值，即將48 h的數(shù)據(jù)與72 h的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值得出60 h的值。通過(guò)這種方法可更加精確地確定后期模型中進(jìn)行水分濕度場(chǎng)研究的初始值。

圖6 密度為1.7 g／cm3膨脹巖材料靜置48 h后的含水率變化曲線

3 結(jié)論

（1）室內(nèi)物理模型中膨脹巖相似材料在重力勢(shì)作用下水分會(huì)向下發(fā)生較小的遷移，初始含水率高的材料的水分遷移比初始含水率低的明顯，初始含水率在12%以下的材料其水分基本保持不變；初始含水率的影響程度比密度高，相同含水率下，低密度材料的水分遷移比高密度明顯。

（2）水分的遷移規(guī)律很復(fù)雜，通過(guò)一定的試驗(yàn)，用插值的方法能計(jì)算出模型中任意初始含水率和密度材料在任意時(shí)間點(diǎn)和模型部位的含水率大小，使后期巷道圍巖在各工況下監(jiān)測(cè)濕度場(chǎng)更加準(zhǔn)確，在濕度場(chǎng)研究中具有一定的指導(dǎo)意義。

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U416.1

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1671-2668（2016）06-0087-04

2016-03-31