本文關(guān)鍵詞：新型地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)相似材料的研制，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第25卷第9期；巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)Vol.25No.9；2006年9月ChineseJournalofR；新型地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)相似材料的研制；王漢鵬1，李術(shù)才1，張強(qiáng)勇1，李勇1，郭小紅2；(1.山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東濟(jì)南2；摘要：正確選擇相似材料是能否正確模擬工程原型的關(guān)；中圖分類號(hào)：P55文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：100；DEVELOPMEN

第25卷 第9期

巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) Vol.25 No.9

2006年9月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Sept.，2006

新型地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)相似材料的研制

王漢鵬1，李術(shù)才1，張強(qiáng)勇1，李 勇1，郭小紅2

(1. 山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061；2. 中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430052)

摘要：正確選擇相似材料是能否正確模擬工程原型的關(guān)鍵。在調(diào)研相似材料研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析相似材料選擇與組合的原則。借鑒前人的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)大量的配比試驗(yàn)，研制出一種新型的相似材料鐵晶砂膠結(jié)料(IBSCM)，這種材料用鐵精粉、重晶石粉、石英砂作為骨料，松香、酒精溶液作為膠結(jié)劑，石膏作為調(diào)節(jié)劑混合而成。材料力學(xué)試驗(yàn)表明，新材料具有容重高、抗壓強(qiáng)度與彈性模量低、性能穩(wěn)定、易于購(gòu)買，價(jià)格便宜、易干燥、易于加工堆砌以及可重復(fù)使用的特點(diǎn)，可模擬范圍較廣的巖體材料，是一種比較理想的地質(zhì)力學(xué)模型相似材料。 關(guān)鍵詞：地質(zhì)力學(xué)；相似材料；試驗(yàn)研究；模型試驗(yàn)；相似準(zhǔn)則

中圖分類號(hào)：P 55 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000–6915(2006)09–1842–06

DEVELOPMENT OF A NEW GEOMECHANICAL SIMILAR MATERIAL

WANG Hanpeng1，LI Shucai1，ZHANG Qiangyong1，LI Yong1，GUO Xiaohong2

(1. Geotechnical and Structural Engineering Research Center，Shandong University，Jinan，Shandong 250061，China； 2. China Communications Second Highway Survey，Design and Research Institute，Wuhan，Hubei 430052，China)

Abstract：It is very important to choose similar material which simulates rock mass correctly in geomechanics model test. The similar material research status is introduced；the principle of selecting and compounding also is analyzed. According to experience of similar material research，a new similar material，iron barites sand cementation material(IBSCM)，has been developed through hundreds of compounding test. This similar material is mixed with iron ore powder，barites powder，sand，rosin，alcohol and gypsum powder. Iron ore powder，barites powder and sand are main materials；the solution of rosin and alcohol is glue；gypsum powder is regulator. Mechanical tests specimens show that different rock masses can be simulated by this material with different ratio of components. The new similar material is bought easily and cheaply；and it has some advantages as follows：high density，stable performance，easy dryness，can be cut and built. This new similar material can simulate a lot of rock masses，so it is an ideal similar material.

Key words：geomechanics；similar material；experiment research；model test；principle of similarity

1 引 言

地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)是根據(jù)一定的相似原理對(duì)特定工程地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行縮尺研究的一種方法，主要用來(lái)研究各種建筑物及其地基、高邊坡、地下洞室等

收稿日期：2005–09–20；修回日期：2005–12–28

結(jié)構(gòu)在外荷載作用下的變形形態(tài)、穩(wěn)定安全度和破壞機(jī)制等。這些模型可定性或定量地反映天然巖體受力特性和與之相聯(lián)系的建筑物的相互影響，可與數(shù)學(xué)模型相互驗(yàn)證。尤其重要的是它可以比較全面真實(shí)地模擬復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，發(fā)現(xiàn)一些新的力學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律，為建立新的理論和數(shù)學(xué)模型提供依

作者簡(jiǎn)介：王漢鵬(1978–)，男，2001年畢業(yè)于山東科技大學(xué)采礦工程專業(yè)，現(xiàn)為博士研究生，主要從事巖石力學(xué)試驗(yàn)與數(shù)值模擬方面的研究工作。E-mail：pcwli@163.com

第25卷 第9期 王漢鵬等. 新型地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)相似材料的研制 ? 1843 ?

據(jù)[1

，2]

。 地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)?zāi)茌^好地模擬復(fù)雜工程的施工工藝、荷載的作用方式及時(shí)間效應(yīng)等，能研究工程的受力全過(guò)程，從彈性到塑性，一直到破壞。因此，用這種試驗(yàn)不僅可以研究工程的正常受力狀態(tài)，還可以研究工程的極限荷載及破壞形態(tài)。同時(shí)，與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相比，它所給出的結(jié)果形象、直觀，能給人以更深刻的印象。正是由于地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù)具有上述獨(dú)特的優(yōu)越性，才被國(guó)內(nèi)外巖土工程界廣泛重視和應(yīng)用[3]。根據(jù)相似理論，在模型試驗(yàn)中應(yīng)采用相似材料來(lái)制作模型[4]。相似材料對(duì)模型試驗(yàn)的成功與否起著決定性作用。在模型試驗(yàn)研究中，選擇合理的模型材料及配比具有重要意義[5]。本文介紹了在參考前人研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)相似材料配比的原則研制成功的一種新型地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)相似材料IBSCM。

2 相似原理

地質(zhì)力學(xué)模型要求滿足原型與模型的相似規(guī)律，即必須滿足：模型的幾何尺寸、邊界條件、荷載及相似材料的容重、強(qiáng)度及變形特性方面的相似。模型和原型在彈性應(yīng)力狀態(tài)、彈塑性應(yīng)力狀態(tài)、破壞狀態(tài)均應(yīng)符合相似條件[6]。

根據(jù)彈性力學(xué)方程或量綱分析方法可以推導(dǎo)相似判據(jù)。由平衡、幾何、物理及邊界條件方程可以分別推出線彈性問(wèn)題基本相似判據(jù)為：Cσ=CγCL，Cε=CδCL，Cσ=CECε，CX=Cσ，Cμ=1。這里，Cσ，Cγ，CL，Cε，Cδ，CE，Cμ和CX分別為應(yīng)

力、容重、幾何、應(yīng)變、位移、彈性模量、泊松比和面力相似常數(shù)。對(duì)于地質(zhì)力學(xué)模型，除要滿足上述關(guān)系式，還要求Cε=1和材料的各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)相似常數(shù)一致。Cε=1要求原型與模型的應(yīng)力–應(yīng)變曲線和莫爾強(qiáng)度包線相似。

3 相似材料選擇的原則及研究現(xiàn)狀

3.1 相似材料選擇的原則

模型試驗(yàn)材料的選擇至關(guān)重要。根據(jù)模型試驗(yàn)相似理論公式，如果使相似材料的容重與實(shí)際巖體材料的容重相同，即Cγ=1時(shí)，則可以大大簡(jiǎn)化模型與實(shí)際工程物理參數(shù)之間的換算，并且可以更好地體現(xiàn)自重應(yīng)力場(chǎng)的影響。因此在進(jìn)行模型試驗(yàn)時(shí)，一般均傾向于選擇較重的相似材料，從而使Cγ能夠

等于或盡量接近1。

根據(jù)多年來(lái)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在研制相似材料時(shí)，總結(jié)出如下幾項(xiàng)原則[7

～9]

：

(1) 相似材料應(yīng)由散粒體組成。經(jīng)膠結(jié)劑膠結(jié)并在模具內(nèi)強(qiáng)壓成一定尺寸的砌塊，才能保證有致密的結(jié)構(gòu)和較大的內(nèi)摩擦角。

(2) 散粒體應(yīng)選用大比重的物質(zhì)，并由粗、細(xì)顆粒按最優(yōu)級(jí)配組成，以獲得最大的容重和較小的孔隙率。

(3) 采用弱膠結(jié)性的膠結(jié)劑，以降低成型材料的強(qiáng)度。

(4) 成型后的材料應(yīng)具有較高的電氣絕緣度，且不受溫度和濕度變化的影響，模擬過(guò)程中材料的力學(xué)性能比較穩(wěn)定。

(5) 應(yīng)采用價(jià)廉易得的原材料，以降低材料制作成本和模型試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。

(6) 材料制作工藝力求簡(jiǎn)化，成型后能快速干燥，以加快模型試驗(yàn)進(jìn)程。

(7) 改變材料配比可使材料的力學(xué)性質(zhì)變動(dòng)范圍較大。

(8) 對(duì)人體無(wú)任何毒害作用。 3.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代，以E. Fumagalli為首的專家在意大利結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)所(ISMES)開(kāi)創(chuàng)了工程地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù)，研究范圍從彈性到塑性直至最終破壞階段。隨后，葡萄牙、前蘇聯(lián)、法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)和日本等國(guó)也開(kāi)展了這方面的研究。在國(guó)內(nèi)，從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，長(zhǎng)江科學(xué)院、清華大學(xué)、河海大學(xué)、中國(guó)水利水電科學(xué)研究院、華北水利水電學(xué)院、武漢水利電力大學(xué)等單位，結(jié)合大型水利工程的抗滑穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行了大量的試驗(yàn)工作，取得了一大批研究成果。

意大利等國(guó)家的科研單位采用的地質(zhì)力學(xué)相似材料主要有兩類：一類相似材料是采用鉛氧化物(PbO或Pb3O4)和石膏的混合物為主料，以砂子或小圓石作為輔助材料；另一類相似材料主要以環(huán)氧樹(shù)脂、重晶石粉和甘油為組分，其強(qiáng)度和彈性模量均高于第一類相似材料，但是需要高溫固化，其固化過(guò)程中散發(fā)的有毒氣體也會(huì)危害人體的健康。

我國(guó)的許多科研機(jī)構(gòu)和大學(xué)也開(kāi)展了這方面的研究工作。目前，國(guó)內(nèi)正在使用的地質(zhì)力學(xué)相似材料主要有以下幾種：

(1) 采用重晶石粉作為主要材料，以石膏或液體石蠟油作為膠結(jié)劑，其他材料如石英砂、氧化鋅

? 1844 ? 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2006年

粉、鐵粉、膨潤(rùn)土粉等作為調(diào)節(jié)容重和彈性模量的輔助材料。

(2) 石膏類材料，有時(shí)加入砂或硅藻土等材料，石膏為膠結(jié)劑

[10]

。

(3) 采用銅粉作為主要材料[11]。

(4) 韓伯鯉研制的MSB材料[7]

，由加膜鐵粉和重晶石粉為骨料，以松香為膠結(jié)劑并且使用模具壓制而成。所研制的相似材料具備高容重、低強(qiáng)度、低變形模量、高絕緣度和砌塊易黏結(jié)、易干燥、可切割、材料易得等優(yōu)點(diǎn)，但是具有對(duì)人體有毒害作用的缺點(diǎn)。

(5) 清華大學(xué)李鐘奎研制的NIOS相似材料[12]，含有主料磁鐵礦精礦粉、河砂、黏結(jié)劑石膏或水泥、拌和用水及添加劑。作為一種新型的地質(zhì)力學(xué)相似材料，NIOS相似材料可以模擬較大的容重，其彈性模量和抗壓強(qiáng)度等主要力學(xué)指標(biāo)可以在比較大的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，配制也比較方便，并且其物理化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，成本低廉，沒(méi)有毒性，對(duì)操作人員的身體健康和環(huán)境沒(méi)有危害，是一種很有前途的相似材料。干燥太慢是其最主要的缺點(diǎn)。

(6) 張 杰和侯忠杰[13]在固體相似材料研究的基礎(chǔ)上，研制了“固–液”兩相相似材料。

(7) 劉宇軍等[14]研究了水泥石膏相似材料。 (8) 徐文勝等[15]和潘一山等[16]研究了巖爆模型的相似材料。

4 相似材料的研制

4.1 相似材料的選擇

結(jié)合武漢大學(xué)MSB材料和清華大學(xué)NIOS材料的優(yōu)點(diǎn)，本文研制了一種新型地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)相似材料。新材料由鐵精粉(I)、重晶石粉(B)、石英砂(S)、石膏粉(G)、松香(R)、酒精(A)混合而成。鐵精粉、重晶石粉、石英砂作為骨料，松香、酒精溶液作為膠結(jié)劑，石膏作為調(diào)節(jié)劑。其中鐵精粉、重晶石粉是主料，都是200目的材料，由于鐵精粉、重晶石粉太細(xì)，，為了得到最優(yōu)的級(jí)配而且調(diào)節(jié)材料的力學(xué)特性，在材料中加入20～40 目的石英砂作為粗骨料。

4.2 試件的配比試驗(yàn)

材料的力學(xué)試驗(yàn)是非常關(guān)鍵的，為了研究新材料的配比，本文設(shè)計(jì)加工了

2套模具，一套為φ 50

mm×100 mm的圓形雙開(kāi)鋼模具，用來(lái)壓制φ 50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件。另一套為φ 61.8 mm×200 mm的圓形雙開(kāi)鋼模具，用來(lái)壓制φ 61.8×200 mm的直剪試驗(yàn)測(cè)試c，?

值的試件。試驗(yàn)?zāi)＞呷鐖D1

所示。

圖1 試驗(yàn)?zāi)＞?Fig.1 Experiment pattern

試驗(yàn)在德國(guó)進(jìn)口的SCHENK–RSA250型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和三軸剛性壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，一共作了400組試驗(yàn)，每組的材料配比都不相同，每組配比做3個(gè)試件。

材料配比中主要成分鐵精粉與重晶石粉質(zhì)量之和與石英砂的配比為(8.5～9.5)∶(1.5～0.5)，松香酒精溶液作為膠結(jié)劑，其含量一般占相似材料總質(zhì)量的5%～6%。鐵精粉占鐵精粉和重晶石粉質(zhì)量之和的比例為0%～100%。石膏粉作為調(diào)節(jié)材料加入適量，占總質(zhì)量的0.0%～3.5%。配制相似材料時(shí)，應(yīng)先把配制所需的鐵精粉、重晶石粉、石英砂和少量石膏粉在攪拌機(jī)里面充分混合均勻，然后加入松香酒精溶液拌和。拌和好的相似材料，裝入模具里，放在壓力機(jī)下以2.5 MPa的壓力將材料壓實(shí)，然后脫模，貼上標(biāo)簽，放置在常溫下干燥。每隔10 h測(cè)量一下試件的質(zhì)量，直至相鄰2次測(cè)量的結(jié)果完全相同。試驗(yàn)結(jié)果表明，在室溫20 ℃時(shí)，試件能在60 h內(nèi)完全干燥(見(jiàn)圖2)。 4.3 試件參數(shù)測(cè)試

干燥后的試件先秤量質(zhì)量，測(cè)量高度并計(jì)算出容重γ，隨后在壓力機(jī)上測(cè)試試件的材料力學(xué)性能，測(cè)試相似材料的彈性模量E、泊松比μ、抗壓強(qiáng)度

σc、抗拉強(qiáng)度σt、內(nèi)摩擦角?、黏聚力c。由于配

比眾多，表1僅列出了其中一種配比的3個(gè)試件的參數(shù)測(cè)試結(jié)果。

第25卷 第9期 王漢鵬等. 新型地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)相似材料的研制 ? 1845 ?

g/量質(zhì)件試干燥時(shí)間

/h

圖2 室溫20℃下試件干燥時(shí)間曲線

Fig.2 Specimen dryness time curves at room temperature

20 ℃

表1 試件參數(shù)測(cè)試結(jié)果

Table 1 Mechanical parameters of experimental model

試件 容重γ 泊松比 彈性模量 抗壓強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度 黏聚力內(nèi)摩擦

編號(hào) /(kN·m－

3) μ E/MPa σc /MPa σt /MPa c/kPa角? /(°)1# 27.4 0.22 120 0.53 0.041 31.8834.442# 27.4 0.23 110 0.48 0.036 23.7532.233#

27.1 0.21 110 0.38 0.032 23.75

32.23平均 27.3 0.22 113

0.46 0.036 26.46

32.97

相似材料試件在試驗(yàn)機(jī)上的破壞形態(tài)和巖石非常相似，如圖3所示。模型材料試件的應(yīng)力–應(yīng)變曲線如圖

4所示。

圖3 相似材料試件試驗(yàn) Fig.3 Simulation material specimen test

4.4 材料配比結(jié)果分析

通過(guò)大量的配比試驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)分析給出了各種材料含量對(duì)相似材料性能的影響。由此可得出如下結(jié)論：

(1) 通過(guò)調(diào)整松香酒精膠結(jié)劑的濃度可以調(diào)節(jié)試件的抗壓強(qiáng)度和彈性模量(見(jiàn)圖5，6)。松香在溶液中的配比越高，即松香酒精膠結(jié)劑的濃度越高，

試件的抗壓強(qiáng)度和彈性模量就越高。

aPM/力應(yīng)

應(yīng)變 /%

圖4 模型材料試件的應(yīng)力–應(yīng)變曲線

Fig.4

Stress-strain curve of simulation material specimen

aPM/度強(qiáng)壓抗

膠結(jié)劑的濃度

/%

圖5 膠結(jié)劑的濃度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線 Fig.5 Relation between glue thickness and strength

aPM/E量模性彈

膠結(jié)劑的濃度

/% 圖6 膠結(jié)劑的濃度與彈性模量E的關(guān)系曲線 Fig.6 Relation between glue thickness and E

(2) 調(diào)整石英砂的含量，可以調(diào)整試件的抗壓強(qiáng)度和彈性模量(見(jiàn)圖7，8)。石英砂占總量的15%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度和彈性模量比石英砂占10%時(shí)要高，因?yàn)槭⑸霸黾恿瞬牧系哪Σ亮Α?/p>

(3) 鐵精粉在鐵精粉和重晶石粉總量中所占比重對(duì)試件的密度影響見(jiàn)圖9。由此可見(jiàn)，隨著鐵精 粉的增加，試件的密度也隨之增加，但不是線性關(guān)系，而且材料的密度可以達(dá)到2 900 kg/m3。

(4) 鐵精粉在鐵精粉與重晶石粉總量中所占比率與彈性模量呈拋物線關(guān)系(見(jiàn)圖10)。鐵精粉和重晶石粉在一定搭配時(shí)彈性模量最大，例如膠結(jié)劑濃

? 1846 ? 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2006年

aPM/度強(qiáng)壓抗

石英砂的含量

/%

圖7 石英砂的含量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線 Fig.7 Relation between sand content and strength

aPM/E量模性彈

石英砂的含量

/%

圖8 石英砂的含量與試件彈性模量的關(guān)系曲線 Fig.8 Relation between sand content and E

)3－

m·gk(/度密鐵精粉

(鐵精粉+

重晶石粉) % 圖9 鐵精粉的含量與密度的關(guān)系曲線

Fig.9 Relation

between iron ore powder content and density

圖10 鐵精粉的含量與彈性模量的關(guān)系曲線 Fig.10 Relation between iron ore powder content and E

度為25%、不添加石膏粉、石英砂占總質(zhì)量的15%、

鐵精粉在鐵精粉與重晶石粉總量中占81%左右時(shí)，試件的彈性模量最大。

(5) 膠結(jié)劑的濃度對(duì)材料的密度影響很小，由于膠結(jié)密實(shí)的原因，材料的密度也略有增加(見(jiàn)圖11)。

)3－

m·gk(/度密膠結(jié)劑的濃度

/%

圖11 膠結(jié)劑的濃度與密度的關(guān)系曲線 Fig.11 Relation between glue thickness and density

5 結(jié) 論

通過(guò)大量的配比試驗(yàn)可以得出：新材料的彈性模量為60～1 400 MPa，抗壓強(qiáng)度為0.3～4.0 MPa，可以覆蓋低強(qiáng)度和中等強(qiáng)度的巖體材料；材料的容重為23～30 kN/m3，屬于可調(diào)整的高容重材料；黏聚力c為20～100 kPa，內(nèi)摩擦角為27°～40°，可以模擬中等強(qiáng)度的巖體材料；泊松比為0.20～0.26，變化不大。因此，新型相似材料IBSCM可以模擬大部分的巖體材料，是一種非常理想的模擬材料，而且該材料具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 容重高、抗壓強(qiáng)度和彈性模量低。

(2) 性能穩(wěn)定，不生銹，有很高的絕緣性。 (3) 容易得到，并且價(jià)格便宜。

(4) 力學(xué)參數(shù)易于調(diào)節(jié)，如通過(guò)調(diào)節(jié)松香酒精膠結(jié)劑濃度可以很容易地調(diào)整材料的彈性模量、抗壓強(qiáng)度。

(5) 酒精易于揮發(fā)，干燥時(shí)間短，可縮短試驗(yàn)周期。

(6) 沒(méi)有任何毒副作用，不會(huì)對(duì)人體造成傷害。 (7) 壓制成型的砌塊易于切割，能滿足模型拼裝砌筑的工藝要求。

(8) 由于采用松香酒精溶液作為膠結(jié)劑，砌塊表面用酒精潤(rùn)濕后，即具有自黏能力，故砌塊接縫可用本身材料黏接。因此，砌縫的存在不影響模型的整體性能。

(9) 由于各種材料拌和后未產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，因此試驗(yàn)后的材料可重復(fù)使用，這樣大大提高了材料

　

　

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