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(成都理工大學 地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室， 成都 610059)

1 研究背景

某工程邊坡深卸荷形成機理的物理模擬試驗中的原型巖體為隱晶質(zhì)玄武巖，重度為28.3 kN/m3，抗壓強度為200 MPa?？紤]到本次模擬試驗是在自重應力場中模擬開挖卸荷，模型材料重度應與原型一致，因此選擇重度相似比Cγ為1∶1；幾何相似比CL=1∶500，即模型材料強度是原型的0.002倍，抗壓強度σc=400 kPa，主要參數(shù)見表1?？梢娫摬牧暇呦鄬^高重度、低強度的特征。本次模型試驗相似材料選取重度、抗壓強度和抗剪強度作為控制參數(shù)，由于相似材料目標強度很低，且泊松比和抗拉強度在試驗中不是主要參數(shù)，本文暫不考察。能否研制和試配出試驗所需的相似材料是能否正確模擬工程原型的關鍵，決定著物理模擬試驗成敗。

表1 試驗原型及模型主要物理力學參數(shù)

許多學者對相似材料進行了深入的研究。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]以石膏作為膠結劑，張強勇等[7]、王漢鵬等[8]研制的鐵晶砂膠結巖土相似材料以酒精松香溶液作為膠結劑，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計原則，針對各自具體試驗所需的參數(shù)配制而成，并未給出具體參數(shù)所對應的配合比，對本試驗的可借鑒性有限，因而有必要針對本試驗的要求展開相似材料配合比試驗研究。

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

2 相似材料的選擇

目前物理模擬試驗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，膠結劑主要有石膏、液體石蠟、酒精松香溶液、機油、水泥等。

骨料選擇時主要考慮和原型材料的組成顆粒相似，不同細度的骨料應相互結合。膠結劑則應將不同細度的顆粒粘結在一起?？紤]到本模型試驗的特點，骨料擬選重晶石粉、石英砂、鐵粉，膠結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，擊實后很可能低于目標密度。細度一般有200目和325目，可模擬原巖中的細顆粒礦物。

(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目時為1.6 g/cm3，20～200目為1.5 g/cm3，均低于目標密度。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，難以將其擊實至目標重度，所以加入密度更大的鐵粉以增加重度?？紤]到鐵粉、重晶石粉細度太小，為了優(yōu)化級配和調(diào)節(jié)材料的力學性能，加入石英砂作為粗骨料。石膏和水作為黏結劑時，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，材料重度及強度基本滿足試驗要求。本次試驗采用重晶石粉(B，細度為200目)、石英砂(S，細度為60目)、鐵粉(I，細度為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、酒精溶液為膠結劑。

3 試樣模具設計

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

3.1 抗壓強度試樣模具

在抗壓強度試樣模具設計中，優(yōu)先考慮采用制作工藝簡單、造價低廉的方形木質(zhì)模具制作試樣。通過實踐發(fā)現(xiàn)，由于木質(zhì)模具的剛度較低，在壓實材料的過程中容易側向變形，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，重新設計。

根據(jù)相關規(guī)范[14-16]抗壓強度試樣的尺寸的要求，考慮到相似材料中膠結劑粘結力較弱，材料拌合后較為松散，需要擠壓成型。因此，參考土工擊實試驗的相關器材，本文設計加工了?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 抗壓強度試驗模具

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

3.2 抗剪強度試驗模具

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

本文設計加工了300 mm×80 mm×21 mm的鋼制框架環(huán)刀試樣擊實模具，該模具由底板、框架、環(huán)刀擊實板和落錘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?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，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，不僅關系著試樣重度的大小，而且對試樣的抗壓強度、抗剪強度等物理力學性質(zhì)有所影響。

4.1 重 度

試樣均采用“密度控制擊實法”制備。先確定目標密度(本文的目標密度為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次測量結果完全相同。試驗結果表明，在室溫25℃左右時，試樣可在30 h內(nèi)完全干燥；在室溫15℃左右時，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，提高了試驗效率，縮短了試驗周期。

圖4 室溫25℃,15℃下試樣干燥時間曲線

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，可以制備出密度為2.0～3.3 g/cm3的試樣，能夠滿足本試驗的要求。對于本試驗的目標密度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 抗壓強度

在滿足目標重度的前提下，本次試驗配置了6組試樣(見表2)進行單軸抗壓強度試驗，測試不同配合比下試樣的抗壓強度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]，因此本次試驗主要考慮石英砂和鐵粉含量變化對抗壓強度的影響。

表2 單軸抗壓強度試驗配比及試驗結果

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度的影響規(guī)律。

試驗結果表明，調(diào)整石英砂的含量，可調(diào)整試樣的抗壓強度和彈性模量(見圖5)。石英砂含量為11%左右時，試樣的抗壓強度和彈性模量最高，分別比石英砂占5%時提高40%和36%。因為石英砂可增加材料顆粒間的摩擦力，當石英砂含量超過11%后，石英砂含量的增加反而降低了材料的黏結力。

圖5 石英砂含量與抗壓強度、試樣彈模的關系曲線

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度的影響，如圖6(a)所示。從圖中可看出，石英砂含量15%時隨著鐵粉含量的增加，抗壓強度降低；而石英砂含量5%時隨著鐵粉含量的增加，抗壓強度增大?？紤]到試樣樣本數(shù)有限，鐵粉含量對抗壓強度的影響規(guī)律尚不明確。

對上述6個配合比試樣進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系。鐵粉質(zhì)量占細骨料質(zhì)量的一定百分比時，彈性模量最大。例如膠結劑濃度為20%、細骨料占總質(zhì)量的85%時，鐵粉質(zhì)量占細骨料質(zhì)量的55%時，試樣的彈性模量最大。

圖6 鐵粉含量與抗壓強度、彈性模量關系曲線

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 抗壓強度試驗試樣破壞形態(tài)

圖8 抗壓試樣應力-應變曲線

模型材料配比對試樣的應力-應變曲線的形式影響微弱。試樣的應力-應變曲線如圖8所示，從開始加壓到應變約為0.015時，曲線基本保持水平，在較低的應力水平下，應變不斷增長，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；應變超過0.015時，曲線斜率增大，表現(xiàn)出彈性變形的特征，有時會出現(xiàn)一個或若干個數(shù)值較小的應力降，這是由于試樣內(nèi)部產(chǎn)生新裂縫或已有裂縫擴張，釋放了部分應力所致，裂縫被壓密后應力繼續(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度，以及儀器對試樣兩端的套箍效應阻止了裂縫的繼續(xù)擴張，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。在應變約為0.022處應力應變達到峰值，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，而原型玄武巖的應力-應變曲線幾乎沒有壓密階段。模型材料的應力應變曲線形態(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抗壓強度的要求。

4.3 抗剪強度

在滿足目標重度的前提下，本文設計了6組試樣(如表3)進行直剪試驗，測試不同配合比下試樣的黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ。

表3 抗剪強度試驗配比及試驗結果

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。因為石英砂含量的增加，增強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)摩擦角關系曲線

4.3.2 酒精松香溶液濃度的影響

膠結劑的濃度越大，其黏聚能力越強。第3組配合比酒精松香溶液濃度為20%，在此基礎上增加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度參數(shù)的影響。

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

圖10 膠結劑濃度與粘聚力、內(nèi)摩擦角關系曲線

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抗剪強度的要求。

5 結 論

本文圍繞某工程邊坡深卸荷形成機理物理模擬試驗對相似材料較高重度、低強度的要求，從材料選擇、模具設計、試樣制作、配合比試驗等方面進行深入系統(tǒng)的試驗研究，獲得了以下幾點認識：

(1) 本次試驗以重度、抗壓強度和抗剪強度作為主要相似參數(shù)，通過分析各組分材料的性質(zhì)及作用機理，確定試驗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劑。

(2) 本文設計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度試驗和抗剪強度試驗的要求，并且試樣制作工藝簡便，易于操作。

(3) 試樣采用“密度控制擊實法”制備，可以達到目標密度2.83 g/cm3。當重晶石粉含量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，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基本滿足本次試驗抗壓強度的要求。調(diào)整石英砂的含量，可以改變試樣的抗壓強度和彈性模量。二者隨石英砂含量的增大呈拋物線變化，當石英砂含量約為11%時，試樣的抗壓強度和彈性模量達到峰值?？紤]到試樣樣本數(shù)有限，鐵粉含量對抗壓強度的影響規(guī)律尚不明確。鐵粉質(zhì)量占細骨料質(zhì)量的一定百分比時，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基本滿足本次試驗抗剪強度的要求。調(diào)整石英砂的含量，可以改變試樣的抗剪強度。石英砂含量越大，材料的黏聚力c越小，內(nèi)摩擦角φ越大。膠結劑濃度影響試樣的抗剪強度。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作為本次試驗相似材料的配合比。

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