肖海波

(廣東省公路建設(shè)有限公司，廣東廣州510000)

地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)是水工結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)中的一種重要的試驗(yàn)方法，又稱為巖石力學(xué)模型試驗(yàn)。它主要研究地基及其上部結(jié)構(gòu)相互作用下的結(jié)構(gòu)與地基的破壞機(jī)理，本質(zhì)上屬于彈塑性結(jié)構(gòu)模型破壞試驗(yàn)。近代由于生產(chǎn)建設(shè)及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的建筑物需要修建在具有復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的巖基上或者巖體內(nèi)(如大壩、廠房、隧洞、地下電站等)。這類建筑物的抗滑穩(wěn)定性、基礎(chǔ)變形對建筑物結(jié)構(gòu)的影響等，都是地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的研究對象。地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的研究內(nèi)容不僅限于已知荷載下的某一狀態(tài)，更重要的是研究在漸增荷載下直至破壞的整個變化過程，它采用真實(shí)的物理實(shí)體，在滿足材料相似，尤其是力學(xué)相似的條件下，能真實(shí)地反映地質(zhì)構(gòu)造與工程建筑之間的關(guān)系，能模擬工程建筑對巖體所產(chǎn)生的影響，能更直觀地表示出試驗(yàn)結(jié)果。相似材料對模型試驗(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合比具有重要意義[3]、[4]，正確地選擇模型材料是能否正確模擬原型的關(guān)鍵[5]、[6]。本文以錦屏二級水電站3#引水隧洞交叉段圍巖為工程背景，進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)模型材料研究，根據(jù)工程現(xiàn)場巖體材料的力學(xué)參數(shù)，依據(jù)相似原理，配制了滿足相似條件的模型材料。

1 國內(nèi)外相似材料研究現(xiàn)狀

目前，對于巖土相似材料的研究，國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者已經(jīng)做了相當(dāng)多的工作。此項(xiàng)研究始于20世紀(jì)60年代，其中以E·Fumagalli為首的專家在意大利結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)所(ISMES)開創(chuàng)了工程地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù)。國內(nèi)關(guān)于相似材料的研究始于20世紀(jì)70年代，長江科學(xué)院、清華大學(xué)、中科院武漢巖土力學(xué)研究所、中國水利水電科學(xué)研究院、山東大學(xué)巖土中心、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。

意大利等國家的科研單位采用的地質(zhì)力學(xué)模型材料主要有兩類。一類是采用鉛氧化物(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。另一類模型材料主要以環(huán)氧樹脂、重晶石粉和甘油為組分，其強(qiáng)度和彈模均高于第一類模型材料，但是需要高溫固化，其固化過程中散發(fā)的有毒氣體也會危害人體的健康[2]。韓伯鯉等人由重晶石粉、膠膜鐵粉和松香酒精溶液攪拌混合而成的相似材料(簡稱MIB材料)，該材料彈性模量可根據(jù)膠膜厚度進(jìn)行有效調(diào)整，其缺點(diǎn)是作為鐵粉膠粘劑的氯丁膠含有甲苯，對人體的毒副作用較大[7]。

中科院武漢巖土力學(xué)研究所陳從新等人結(jié)合反傾巖層邊坡失穩(wěn)破壞機(jī)制的相似模型研究，采用石英砂、石膏和水泥來模擬灰?guī)r，研究了相似材料中骨料與膠結(jié)物的配比、膠結(jié)物中膠結(jié)材料的配比及不同的養(yǎng)護(hù)方式對試塊強(qiáng)度的影響規(guī)律。該材料采用石膏作為膠結(jié)劑，但石膏是水溶性材料，其性能易受溫度和濕度影響，且干燥緩慢[8]。山東大學(xué)張強(qiáng)勇等人研制出一種新型鐵晶砂膠結(jié)巖土相似材料，該材料由鐵礦粉、重晶石粉、石英砂、石膏粉和松香酒精溶液按規(guī)定配比均勻拌和壓實(shí)而成。其中鐵礦粉、重晶石粉和石英砂作為主料，松香酒精溶液作為膠結(jié)劑，石膏粉作為調(diào)節(jié)劑[9]。清華大學(xué)李仲奎等人研制出一種NIOS地質(zhì)力學(xué)模型材料，它由磁鐵礦精礦粉、河砂、粘結(jié)劑石膏或水泥、拌和用水及添加劑組成，該材料的特點(diǎn)是重度大、價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定，但模型干燥慢、養(yǎng)護(hù)時(shí)間長[6]。此外，還有研究者用石膏、硅藻土和水配合而成的相似材料，但隨著硅藻土摻入量的增加，會出現(xiàn)體積縮小的現(xiàn)象[10]、[11]。

2 工程背景

錦屏二級水電站位于四川省涼山彝族自治州木里、鹽源、冕寧三縣交界處，利用雅礱江干流下游河段150 km長大河彎的天然落差，通過長約16.67 km的引水隧洞，裁彎取直，獲得落差約310 m。水電站包括地下廠房、4條引水隧洞、2條交通輔助洞、2條施工支洞、1條排水洞和若干條輔助性隧洞，隧洞長約16.67 km。隧洞群穿越錦屏山主峰山體，洞群沿線最大地應(yīng)力值達(dá)69.94 MPa。引水隧洞工程區(qū)內(nèi)出露的地層為前泥盆系～侏羅系的一套淺海～濱海相、海陸交替相地層。引水隧洞沿線地層巖性主要為三迭系中、上統(tǒng)的大理巖、灰?guī)r及砂巖、板巖。從東到西分別經(jīng)過鹽塘組(Ty2)、白山組(Tb2)、三迭系上統(tǒng)(T3)、雜谷腦組(Tz2)、三迭系下統(tǒng)(T1)等地層。區(qū)內(nèi)結(jié)構(gòu)面主要表現(xiàn)為順層擠壓和北東向的逆沖斷層性質(zhì)。逆沖斷層規(guī)模大，層間錯動頻率較高，其次為近東西向的橫切斷層，多表現(xiàn)為逆平移或正平移性質(zhì)，此類斷層中，多見方解石脈、細(xì)晶巖脈及石英巖脈充填。根據(jù)設(shè)計(jì)文件對引水隧洞的檢算及廣泛收集國內(nèi)外相關(guān)資料，把3#引水隧洞交叉節(jié)點(diǎn)，作為基本的試驗(yàn)對象進(jìn)行模型試驗(yàn)，該處屬于Ⅲ類圍巖，其物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖材料物理力學(xué)參數(shù)一覽表

4 模型試驗(yàn)相似原理

模型試驗(yàn)的相似原理是指模型上重現(xiàn)的物理現(xiàn)象應(yīng)與原型相似，即要求模型材料、模型形狀和荷載等均須遵循一定的規(guī)律。把原型(P)和模型(M)之間具有相同量綱的物理量之比稱為相似比尺，用字母C代替。定義L為長度，γ為重度，δ為位移，E為彈性模量，σ為應(yīng)力，ε為應(yīng)變，σt為抗拉強(qiáng)度，σc為抗壓強(qiáng)度，c為粘聚力，φ為摩擦角，μ為泊松比，f為摩擦系數(shù)。

根據(jù)原型和模型的平衡方程、幾何方程、物理方程、應(yīng)力邊界條件和位移邊界條件可推導(dǎo)出地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)如下相似關(guān)系[12]、[13]:

(1)應(yīng)力相似比尺Cσ、容重相似比尺Cγ和幾何相似比尺CL之間的相似關(guān)系為

(2)位移相似比尺Cδ、幾何相似比尺CL和應(yīng)變相似比尺Cε之間的相似關(guān)系為

(3)應(yīng)力相似比尺Cσ、彈性模量相似比尺CE和應(yīng)變相似比尺Cε之間的相似關(guān)系為

(4)地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)要求所有量綱－物理量(如應(yīng)變、內(nèi)摩擦角、摩擦系數(shù)、泊松比等)的相似比尺等于1，相同量綱物理量的相似比尺相等，即

表2 原型巖石和相似材料參數(shù)

模型試驗(yàn)結(jié)合實(shí)際情況首先選幾何相似比CL=30，根據(jù)相似關(guān)系，各物理力學(xué)參數(shù)原型值與模型值的相似比如下:幾何相似比，CL=30;重度相似比為Cγ=1;泊松比、應(yīng)變、摩擦角相似比，Cμ=Cε=Cφ=1;強(qiáng)度、應(yīng)力、凝聚力、彈性模量相似比，CR=Cσ=CC=CE=30。相似材料原型和模型的力學(xué)主要參數(shù)如表2所示。

4 相似材料的選材原則

在滿足地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)相似原理的前提下，相似材料的選材還應(yīng)滿足以下幾項(xiàng)原則[1]、[2]、[12]、[13]。

(1)相似材料的主要力學(xué)性質(zhì)應(yīng)與原型材料的物理、力學(xué)性能相似;

(2)凝固前具有較好的和易性，便于施工和修補(bǔ);

(3)物理、力學(xué)、化學(xué)、熱學(xué)等性能穩(wěn)定，力求不受時(shí)間、濕度、溫度等外界條件的影響;

(4)改變材料的配比，可使材料的力學(xué)性能發(fā)生改變，以適應(yīng)相似條件的需要;

(5)容易成型，制作方便，凝固時(shí)間短;

(6)材料來源廣，成本低廉;

(7)對人體無任何毒害作用。

相似材料通常由幾種材料配置而成，組成相似材料的原材料可分為2類。

一是骨料:主要有砂、尾砂、鐵粉、重晶石粉、云母粉、軟木屑等;

二是膠結(jié)材料:主要有石膏、水泥、石灰、膨潤土(高嶺土)、碳酸鈣、石蠟、樹脂等。

一般常用來模擬巖石的相似材料是以砂子或尾砂為骨料，以石膏為主要膠結(jié)材料，以水泥、石灰、膨潤土(高嶺土)等為輔助膠結(jié)材料，這些材料的優(yōu)點(diǎn)是材料的脆性與巖石比較接近。目前國內(nèi)外通常使用的模型試驗(yàn)相似材料有石膏混合料、水泥浮石混合料、合成樹脂材料、橡膠材料以及其它混合料。相似材料及其配比的選擇，應(yīng)根據(jù)力學(xué)性質(zhì)的不同，采用不同配比混合制成模型，也可根據(jù)不同試驗(yàn)，按照相似條件選用其它材料。根據(jù)圍巖的實(shí)際條件，結(jié)合國內(nèi)外圍巖相似材料研究現(xiàn)狀，本次模型試驗(yàn)圍巖相似材料采用重晶石粉、河砂、石英砂、粉煤灰、機(jī)油來進(jìn)行模擬。

5 相似材料配合比試驗(yàn)

模擬試驗(yàn)主要尋求較好的C和φ指標(biāo)，故主要通過直剪試驗(yàn)來獲得。骨料和膠結(jié)料的比例，各種膠結(jié)物之間的比例對材料強(qiáng)度有顯著影響。參照前人成功經(jīng)驗(yàn)得到的材料配比，再結(jié)合此次試驗(yàn)實(shí)際情況，因此主要從河砂、石英砂、機(jī)油三個參數(shù)的變化來尋求合適的材料配比，一共進(jìn)行了15組試驗(yàn)，試驗(yàn)所用材料以及直剪試驗(yàn)，最后得到如表3所示結(jié)果。

根據(jù)相似判據(jù)，可得第15組試樣最符合相似判據(jù)，相似配比為重晶石0.7 kg，粉煤灰0.24 kg，河砂0.645 kg，石英砂0.4 kg，機(jī)油0.1 kg。在試驗(yàn)過程中，通過改變河砂、石英砂、機(jī)油三個參數(shù)的含量來改變材料力學(xué)參數(shù)。通過直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)機(jī)油作為膠結(jié)劑對C、φ值的影響為，適當(dāng)提高機(jī)油含量能提高C值，但過量的機(jī)油反而降低C值，對摩擦角的影響為機(jī)油含量越大，摩擦角越小。石英砂作為骨料對C、φ值的影響為，隨石英砂含量增加，摩擦角增大，粘聚力減小。河砂的含量對C值影響較大。

表3 相似材料配合比試驗(yàn)

6 結(jié)論

本文以錦屏二級水電站3#引水隧洞交叉段圍巖為工程背景，利用相似準(zhǔn)則，結(jié)合國內(nèi)外圍巖相似材料研究現(xiàn)狀，針對本工程圍巖性質(zhì)狀況，采用了重晶石粉、河砂、石英砂、粉煤灰、機(jī)油來模擬圍巖材料，并進(jìn)行了大量的材料配比直剪試驗(yàn)，確定了本工程Ⅲ類圍巖材料相似配合比，相似配合比為重晶石0.7 kg，粉煤灰0.24 kg，河砂0.645 kg，石英砂0.4 kg，機(jī)油0.1 kg。試驗(yàn)結(jié)果取得了良好的相似材料力學(xué)性能，為下一步試驗(yàn)做好了準(zhǔn)備。

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