黃愛清

(江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院 繼續(xù)教育學(xué)院，江蘇 常州 213116)

我國(guó)屬于一個(gè)地震頻發(fā)國(guó)家，其地質(zhì)情況極其復(fù)雜，很容易出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)的問題，從而帶來各種自然災(zāi)害，如泥石流、滑坡、崩塌等問題，很容易給周圍人們生命財(cái)產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅，所以邊坡支護(hù)樣一直是我國(guó)政府部門重點(diǎn)研究的項(xiàng)目。為進(jìn)一步分析邊坡穩(wěn)定性，工作人員要在地震條件下進(jìn)行邊坡動(dòng)力響應(yīng)實(shí)驗(yàn)。由于地震具有難預(yù)測(cè)性、突發(fā)性等特征，導(dǎo)致工作人員無(wú)法進(jìn)行邊坡動(dòng)力響應(yīng)實(shí)驗(yàn)。針對(duì)這一問題，工作人員通常以采用地質(zhì)力學(xué)模型為主體，來進(jìn)行模型邊坡制作工作，利于其在后期模擬地震作用的邊坡動(dòng)力響應(yīng)。在邊坡動(dòng)力分析過程中，工作人員利用數(shù)值分析方式來分析現(xiàn)場(chǎng)工程問題，如果只使用數(shù)值分析法所得到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不足，還要利用試驗(yàn)結(jié)果來進(jìn)行重復(fù)驗(yàn)證。相似模型試驗(yàn)作為目前應(yīng)用范圍最廣的實(shí)驗(yàn)方式，工作人員能利用人工方式來調(diào)整試驗(yàn)條件，這種方式不僅能提升實(shí)驗(yàn)操作靈活性，還能詳細(xì)記錄整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，發(fā)現(xiàn)實(shí)際工程中存在的問題，從而達(dá)到提前預(yù)測(cè)的作用[1]。

1 水泥砂漿和巖石相似材料配比試驗(yàn)

1.1 水泥砂漿和巖石原型參數(shù)

1.1.1原型水泥砂漿

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，工作人員要將水泥砂漿灰砂比控制在1.50內(nèi)，為進(jìn)一步提高試驗(yàn)準(zhǔn)確性，工作人員通常會(huì)選擇穩(wěn)定性強(qiáng)的原材料進(jìn)行試驗(yàn)。如基準(zhǔn)水泥、石英砂、飲用水等材料，再通過各種室內(nèi)試驗(yàn)來確定原型水泥砂漿的密度、內(nèi)摩擦角、抗壓強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)[2]。根據(jù)相關(guān)要求，提前預(yù)備規(guī)格來制作圓柱體試樣，將其分別用來進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn)、單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，制備正方體試樣，用來做變角剪切試驗(yàn)，具體如圖1所示。

圖1 原型水泥砂漿試樣Fig.1 Sample of prototype cement mortar

試配時(shí)要將減水劑摻合在水泥砂中，這很容易產(chǎn)生各種泌水現(xiàn)象。針對(duì)此問題，工作人員要將水泥砂漿試樣放在特定環(huán)境中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，這能有效提升試樣穩(wěn)定性，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)原型砂漿的物理力學(xué)參數(shù)[3]。

1.1.2原型巖石

試驗(yàn)主要是將硬巖和軟質(zhì)巖作為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)巖石相似材料配比試驗(yàn)，試驗(yàn)所模擬的巖石種類主要包括砂巖、頁(yè)巖、石灰?guī)r等類型，以此配置試驗(yàn)所需要的相似材料。

1.2 水泥砂漿的相似材料配比試驗(yàn)

1.2.1確定水泥砂漿模型目標(biāo)參數(shù)

為進(jìn)一步體現(xiàn)出自重應(yīng)力場(chǎng)的影響，在選擇試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒牧蠒r(shí)，其容量和原來水泥砂漿容量的原材料基本相同，這有利于工作人員計(jì)算原型和模型間的物理力學(xué)數(shù)據(jù)[4]。同時(shí)，本次試驗(yàn)所使用的模型魔都相似比為1∶1，工作人員要嚴(yán)格按照相似理論來計(jì)算模型和原型間的物理力學(xué)數(shù)據(jù)，確定相似材料的目標(biāo)參數(shù)值。

1.2.2水泥砂漿相似材料正交實(shí)驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)通過正交實(shí)驗(yàn)法，研究人員利用正交表為主體，設(shè)計(jì)水平正交試驗(yàn)方案，并用正交表記號(hào)來標(biāo)記。整個(gè)相似材料配比試驗(yàn)所用材料主要有細(xì)砂、甘油、石膏、重晶石粉等材料，其中固體材料有石膏、細(xì)砂、水泥等材料。試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的4個(gè)因素分別用A、B、C、D表示。

1.3 水泥砂漿相似材料試驗(yàn)制作

本試驗(yàn)相似材料的物理力學(xué)參數(shù)主要包括密度、內(nèi)摩擦角、抗壓強(qiáng)度等，其中可通過稱重方式來檢驗(yàn)相似材料密度，從而確定相似材料彈性模量和抗壓強(qiáng)度是否達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，可利用劈裂抗拉試驗(yàn)來判斷相似材料抗拉強(qiáng)度等[5]。同時(shí)，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所要求的圓柱體試樣尺寸，來實(shí)施劈裂抗拉和單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，還需要制作規(guī)格為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的正方體試驗(yàn)，用來進(jìn)行變角剪切試驗(yàn)；鑄鐵模具如圖2所示。

圖2 鑄鐵模具Fig.2 Cast iron mold

在拌和時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)步驟進(jìn)行，要加強(qiáng)拌和材料均勻性，提升整個(gè)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，在進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，試樣每組配比要制作3個(gè)制備品；進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn)試樣每組配比制備同樣需要3個(gè)。而變角剪切試驗(yàn)試樣每組配比要比其他試驗(yàn)數(shù)量多1個(gè)[6]。相似材料拌和過程根據(jù)下面步驟進(jìn)行操作：

(1)計(jì)算：通過水泥砂漿相似材料配比試驗(yàn)，計(jì)算出模具溶劑。并要考慮到材料拌和過程中的質(zhì)量損耗，需要比預(yù)計(jì)值高出10%的質(zhì)量；

(2)稱量：利用電子天平來進(jìn)行稱重，將質(zhì)量精確到0.01 g；

(3)拌和固體材料：將提前準(zhǔn)備好的物質(zhì)分別倒入燒杯中，如甘油、減水劑、水資源等材料，再用玻璃棒有規(guī)律攪拌，將其放置在混合材料中。然后，一邊用水?dāng)嚢璨牧?，一邊往里面添加適量的水資源，直到混合材料呈現(xiàn)粘稠狀時(shí)暫停加水；

(4)組裝模具：為脫模工序正常進(jìn)行，應(yīng)使用毛刷在模具內(nèi)部涂上大量凡士林，避免出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象；

(5)澆筑試樣：將已經(jīng)拌和完畢的漿體材料均勻澆筑在模具中，利用振搗棒進(jìn)行搗實(shí)，用來排除材料中多余氣泡，確保材料均勻性和密實(shí)性。最后，將脫模后的試樣進(jìn)行編號(hào)，并放其在25 ℃左右的室內(nèi)；在自然條件下養(yǎng)護(hù)7 d，直至試樣含水量具有較強(qiáng)穩(wěn)定性，才進(jìn)行試驗(yàn)研究[7]。

2 錨固體模型拉拔試驗(yàn)

2.1 錨固相似材料選擇

2.1.1錨桿原型相關(guān)參數(shù)

試驗(yàn)?zāi)M錨桿是利用錨固體模型來實(shí)施拉拔試驗(yàn)，有利于計(jì)算出模型錨桿的抗拉性能；但值得注意的是，禁止采用鍍鋅鋼材。針對(duì)材料選擇要嚴(yán)格遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，選擇巖層錨桿型號(hào)，原材料使用普通光圓鋼筋；巖層錨桿選型參照表1。

表1 巖層錨桿選型Tab.1 Selection of rock anchor rod

2.1.2確定錨桿桿體模型材料

針對(duì)和巖石、水泥砂漿相似度較高的材料，可提前選擇不同種類的原材料，再經(jīng)過配比試驗(yàn)來確定相似材料；但針對(duì)錨桿桿體模型材料選擇時(shí)，只能從現(xiàn)存材料中進(jìn)行選擇。選擇能滿足試驗(yàn)要求的材料，如鋁管、銅管、鉛棒等材料，從而利用這些材料進(jìn)行靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，提取到其抗拉強(qiáng)度，并利用相似比方式來選擇和原材料相同的材料作為錨桿桿體模型材料。材料靜態(tài)拉伸試驗(yàn)裝置，如圖3所示。

圖3 材料靜態(tài)拉伸試驗(yàn)Fig.3 Static tensile test of the material

(1)試樣準(zhǔn)備。將所有材料都制作成為相應(yīng)桿件，進(jìn)行3次拉伸試驗(yàn)，取3次拉伸數(shù)據(jù)的平均值；

(2)安裝試樣。將桿件試樣安裝在對(duì)應(yīng)夾具上，可在試樣上設(shè)計(jì)軸向引伸計(jì)，準(zhǔn)確計(jì)算出桿件的彈性模量；

(3)加載流程。利用標(biāo)準(zhǔn)的加載速度來實(shí)現(xiàn)加載工作，并且要重復(fù)進(jìn)行加載，直到試樣斷裂為止；

(4)記錄。要詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)和材料破壞問題。

抗拉強(qiáng)度在材料完全斷裂前，所能承受的最高應(yīng)力(Rm)根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：Fb為材料拉斷前所承受的最大力；S0為材料原本橫截面積。

在正常情況下，彈性模量指在單軸應(yīng)力情況下，應(yīng)力要除以方向上的應(yīng)變。同時(shí)，當(dāng)材料受到外力作用下產(chǎn)生彈性形變時(shí)，其應(yīng)力和應(yīng)變呈現(xiàn)出正比關(guān)系，比例系數(shù)則是彈性模量。拉伸法測(cè)量的材料彈性模型公式為：

(2)

式中：E為材料彈性模量；F為材料抗拉能力；L為材料基礎(chǔ)長(zhǎng)度；S為材料橫截面積。

試驗(yàn)中，要考慮到粘貼電阻應(yīng)變片因素，一旦桿體體積過小，很容易導(dǎo)致桿體和電阻應(yīng)變片交叉面積低于標(biāo)準(zhǔn)值，出現(xiàn)嚴(yán)重脫落問題；針對(duì)抗拉強(qiáng)度要求，由于模型注重錨桿的剪切作用力，為進(jìn)一步分析邊坡穩(wěn)定性，要在地震條件下，進(jìn)行巖石邊坡錨固階段剪切作用研究；但由于整邊坡尺寸通常要超過其他位置的尺寸，并且由于地震具有難預(yù)測(cè)性、突發(fā)性等特征，導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行邊坡動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)。針對(duì)該問題，通常采用地質(zhì)力學(xué)模型為主體，進(jìn)行模型邊坡制作工作，有利于其在后期模擬地震作用的邊坡動(dòng)力響應(yīng)。所以必須要保證模型桿體材料的抗拉強(qiáng)度，確保其抗拉強(qiáng)度達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，模型桿體材料抗拉強(qiáng)度要高于原型參數(shù)。

2.2 錨固體模型拉拔試驗(yàn)方案

目前，電阻應(yīng)變片有2種規(guī)格：200、120 Ω，其中120 Ω是常見的電阻應(yīng)變片規(guī)格。試驗(yàn)所采用的應(yīng)變片是以BX-120-2AA型和BX-120-1AA 2種類型，分別將這2種應(yīng)變片粘貼在鋁管桿體表面和水泥砂漿表面，從而測(cè)量不同方向的剪應(yīng)力。

電阻應(yīng)變片構(gòu)成主要包括引線、敏感柵、基座等，由于其具有質(zhì)量輕、尺寸小等特征，不會(huì)給構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)帶來嚴(yán)重影響。具體操作步驟：

(1)利用零號(hào)砂紙打磨貼片位，再將少量丙酮應(yīng)用在脫脂棉貼上，保證擦拭的整潔性；

(2)采用鑷子控制電阻應(yīng)變片，并用適量502膠水涂抹在貼片位置，加強(qiáng)電阻應(yīng)變片粘接性。再利用鑷子將其調(diào)整到指定位置；

(3)用棉球進(jìn)行輕度擠壓，讓柵絲與貼片緊靠在一起，并排除多余膠水；

(4)焊接好的電阻應(yīng)變片，可通過硅橡膠來實(shí)現(xiàn)密封工作，避免由于環(huán)境因素給其性能帶來影響。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在整個(gè)相似模型試驗(yàn)中，相似材料制作是作為模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)，是整個(gè)模型試驗(yàn)成功的秘訣。但從目前錨固邊坡模型試驗(yàn)情況來看，由于其受到各種外在因素影響，導(dǎo)致其相似度較低。而研究人員注重巖土體相似材料的制作，對(duì)錨桿模型重視程度不足。本試驗(yàn)是以錨固巖質(zhì)邊坡大型振動(dòng)臺(tái)來進(jìn)行模型相似材料配比試驗(yàn)研究工作，針對(duì)水泥砂漿和巖石進(jìn)行相似材料配比試驗(yàn)，將相似理論作為依據(jù)，通過正交設(shè)計(jì)法來規(guī)劃試驗(yàn)方案，利用澆筑灌漿方式來制作樣本；通過室內(nèi)試驗(yàn)操作來取得相似材料的主要物理力學(xué)數(shù)據(jù)，如粘聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等，從而選擇合理的配比來制作錨固體模型，確保整個(gè)拉拔試驗(yàn)順利進(jìn)行。