50新型地质力学模型试验相似材料的研制

发布时间：2016-12-15 02:12

本文关键词：新型地质力学模型试验相似材料的研制，由笔耕文化传播整理发布。

第25卷第9期；岩石力学与工程学报Vol.25No.9；2006年9月ChineseJournalofR；新型地质力学模型试验相似材料的研制；王汉鹏1，李术才1，张强勇1，李勇1，郭小红2；(1.山东大学岩土与结构工程研究中心，山东济南2；摘要：正确选择相似材料是能否正确模拟工程原型的关；中图分类号：P55文献标识码：A文章编号：100；DEVELOPMEN

第25卷第9期

岩石力学与工程学报 Vol.25 No.9

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

新型地质力学模型试验相似材料的研制

王汉鹏1，李术才1，张强勇1，李勇1，郭小红2

(1. 山东大学岩土与结构工程研究中心，山东济南 250061；2. 中交第二公路勘察设计研究院，湖北武汉 430052)

摘要：正确选择相似材料是能否正确模拟工程原型的关键。在调研相似材料研究现状的基础上，分析相似材料选择与组合的原则。借鉴前人的经验，通过大量的配比试验，研制出一种新型的相似材料铁晶砂胶结料(IBSCM)，这种材料用铁精粉、重晶石粉、石英砂作为骨料，松香、酒精溶液作为胶结剂，石膏作为调节剂混合而成。材料力学试验表明，新材料具有容重高、抗压强度与弹性模量低、性能稳定、易于购买，价格便宜、易干燥、易于加工堆砌以及可重复使用的特点，可模拟范围较广的岩体材料，是一种比较理想的地质力学模型相似材料。关键词：地质力学；相似材料；试验研究；模型试验；相似准则

中图分类号：P 55 文献标识码：A 文章编号：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

地质力学模型试验是根据一定的相似原理对特定工程地质问题进行缩尺研究的一种方法，主要用来研究各种建筑物及其地基、高边坡、地下洞室等

收稿日期：2005–09–20；修回日期：2005–12–28

结构在外荷载作用下的变形形态、稳定安全度和破坏机制等。这些模型可定性或定量地反映天然岩体受力特性和与之相联系的建筑物的相互影响，可与数学模型相互验证。尤其重要的是它可以比较全面真实地模拟复杂的地质构造，发现一些新的力学现象和规律，为建立新的理论和数学模型提供依

作者简介：王汉鹏(1978–)，男，2001年毕业于山东科技大学采矿工程专业，现为博士研究生，主要从事岩石力学试验与数值模拟方面的研究工作。E-mail：pcwli@163.com

第25卷第9期王汉鹏等. 新型地质力学模型试验相似材料的研制 ? 1843 ?

据[1

，2]

。地质力学模型试验能较好地模拟复杂工程的施工工艺、荷载的作用方式及时间效应等，能研究工程的受力全过程，从弹性到塑性，一直到破坏。因此，用这种试验不仅可以研究工程的正常受力状态，还可以研究工程的极限荷载及破坏形态。同时，与数值计算结果相比，它所给出的结果形象、直观，能给人以更深刻的印象。正是由于地质力学模型试验技术具有上述独特的优越性，才被国内外岩土工程界广泛重视和应用[3]。根据相似理论，在模型试验中应采用相似材料来制作模型[4]。相似材料对模型试验的成功与否起着决定性作用。在模型试验研究中，选择合理的模型材料及配比具有重要意义[5]。本文介绍了在参考前人研究的基础上，根据相似材料配比的原则研制成功的一种新型地质力学模型试验相似材料IBSCM。

2 相似原理

地质力学模型要求满足原型与模型的相似规律，即必须满足：模型的几何尺寸、边界条件、荷载及相似材料的容重、强度及变形特性方面的相似。模型和原型在弹性应力状态、弹塑性应力状态、破坏状态均应符合相似条件[6]。

根据弹性力学方程或量纲分析方法可以推导相似判据。由平衡、几何、物理及边界条件方程可以分别推出线弹性问题基本相似判据为：Cσ=CγCL，Cε=CδCL，Cσ=CECε，CX=Cσ，Cμ=1。这里，Cσ，Cγ，CL，Cε，Cδ，CE，Cμ和CX分别为应

力、容重、几何、应变、位移、弹性模量、泊松比和面力相似常数。对于地质力学模型，除要满足上述关系式，还要求Cε=1和材料的各项强度指标相似常数一致。Cε=1要求原型与模型的应力–应变曲线和莫尔强度包线相似。

3 相似材料选择的原则及研究现状

3.1 相似材料选择的原则

模型试验材料的选择至关重要。根据模型试验相似理论公式，如果使相似材料的容重与实际岩体材料的容重相同，即Cγ=1时，则可以大大简化模型与实际工程物理参数之间的换算，并且可以更好地体现自重应力场的影响。因此在进行模型试验时，一般均倾向于选择较重的相似材料，从而使Cγ能够

等于或尽量接近1。

根据多年来的实践经验，在研制相似材料时，总结出如下几项原则[7

～9]

：

(1) 相似材料应由散粒体组成。经胶结剂胶结并在模具内强压成一定尺寸的砌块，才能保证有致密的结构和较大的内摩擦角。

(2) 散粒体应选用大比重的物质，并由粗、细颗粒按最优级配组成，以获得最大的容重和较小的孔隙率。

(3) 采用弱胶结性的胶结剂，以降低成型材料的强度。

(4) 成型后的材料应具有较高的电气绝缘度，且不受温度和湿度变化的影响，模拟过程中材料的力学性能比较稳定。

(5) 应采用价廉易得的原材料，以降低材料制作成本和模型试验经费。

(6) 材料制作工艺力求简化，成型后能快速干燥，以加快模型试验进程。

(7) 改变材料配比可使材料的力学性质变动范围较大。

(8) 对人体无任何毒害作用。 3.2 国内外研究现状

20世纪60年代，以E. Fumagalli为首的专家在意大利结构模型试验所(ISMES)开创了工程地质力学模型试验技术，研究范围从弹性到塑性直至最终破坏阶段。随后，葡萄牙、前苏联、法国、德国、英国和日本等国也开展了这方面的研究。在国内，从20世纪70年代开始，长江科学院、清华大学、河海大学、中国水利水电科学研究院、华北水利水电学院、武汉水利电力大学等单位，结合大型水利工程的抗滑稳定问题进行了大量的试验工作，取得了一大批研究成果。

意大利等国家的科研单位采用的地质力学相似材料主要有两类：一类相似材料是采用铅氧化物(PbO或Pb3O4)和石膏的混合物为主料，以砂子或小圆石作为辅助材料；另一类相似材料主要以环氧树脂、重晶石粉和甘油为组分，其强度和弹性模量均高于第一类相似材料，但是需要高温固化，其固化过程中散发的有毒气体也会危害人体的健康。

我国的许多科研机构和大学也开展了这方面的研究工作。目前，国内正在使用的地质力学相似材料主要有以下几种：

(1) 采用重晶石粉作为主要材料，以石膏或液体石蜡油作为胶结剂，其他材料如石英砂、氧化锌

? 1844 ? 岩石力学与工程学报 2006年

粉、铁粉、膨润土粉等作为调节容重和弹性模量的辅助材料。

(2) 石膏类材料，有时加入砂或硅藻土等材料，石膏为胶结剂

[10]

。

(3) 采用铜粉作为主要材料[11]。

(4) 韩伯鲤研制的MSB材料[7]

，由加膜铁粉和重晶石粉为骨料，以松香为胶结剂并且使用模具压制而成。所研制的相似材料具备高容重、低强度、低变形模量、高绝缘度和砌块易黏结、易干燥、可切割、材料易得等优点，但是具有对人体有毒害作用的缺点。

(5) 清华大学李钟奎研制的NIOS相似材料[12]，含有主料磁铁矿精矿粉、河砂、黏结剂石膏或水泥、拌和用水及添加剂。作为一种新型的地质力学相似材料，NIOS相似材料可以模拟较大的容重，其弹性模量和抗压强度等主要力学指标可以在比较大的范围内进行调整，配制也比较方便，并且其物理化学性质比较稳定，成本低廉，没有毒性，对操作人员的身体健康和环境没有危害，是一种很有前途的相似材料。干燥太慢是其最主要的缺点。

(6) 张杰和侯忠杰[13]在固体相似材料研究的基础上，研制了“固–液”两相相似材料。

(7) 刘宇军等[14]研究了水泥石膏相似材料。 (8) 徐文胜等[15]和潘一山等[16]研究了岩爆模型的相似材料。

4 相似材料的研制

4.1 相似材料的选择

结合武汉大学MSB材料和清华大学NIOS材料的优点，本文研制了一种新型地质力学模型试验相似材料。新材料由铁精粉(I)、重晶石粉(B)、石英砂(S)、石膏粉(G)、松香(R)、酒精(A)混合而成。铁精粉、重晶石粉、石英砂作为骨料，松香、酒精溶液作为胶结剂，石膏作为调节剂。其中铁精粉、重晶石粉是主料，都是200目的材料，由于铁精粉、重晶石粉太细，，为了得到最优的级配而且调节材料的力学特性，在材料中加入20～40 目的石英砂作为粗骨料。

4.2 试件的配比试验

材料的力学试验是非常关键的，为了研究新材料的配比，本文设计加工了

2套模具，一套为φ 50

mm×100 mm的圆形双开钢模具，用来压制φ 50 mm×100 mm的标准试件。另一套为φ 61.8 mm×200 mm的圆形双开钢模具，用来压制φ 61.8×200 mm的直剪试验测试c，?

值的试件。试验模具如图1

所示。

图1 试验模具 Fig.1 Experiment pattern

试验在德国进口的SCHENK–RSA250型电子万能试验机和三轴刚性压力试验机上进行，一共作了400组试验，每组的材料配比都不相同，每组配比做3个试件。

材料配比中主要成分铁精粉与重晶石粉质量之和与石英砂的配比为(8.5～9.5)∶(1.5～0.5)，松香酒精溶液作为胶结剂，其含量一般占相似材料总质量的5%～6%。铁精粉占铁精粉和重晶石粉质量之和的比例为0%～100%。石膏粉作为调节材料加入适量，占总质量的0.0%～3.5%。配制相似材料时，应先把配制所需的铁精粉、重晶石粉、石英砂和少量石膏粉在搅拌机里面充分混合均匀，然后加入松香酒精溶液拌和。拌和好的相似材料，装入模具里，放在压力机下以2.5 MPa的压力将材料压实，然后脱模，贴上标签，放置在常温下干燥。每隔10 h测量一下试件的质量，直至相邻2次测量的结果完全相同。试验结果表明，在室温20 ℃时，试件能在60 h内完全干燥(见图2)。 4.3 试件参数测试

干燥后的试件先秤量质量，测量高度并计算出容重γ，随后在压力机上测试试件的材料力学性能，测试相似材料的弹性模量E、泊松比μ、抗压强度

σc、抗拉强度σt、内摩擦角?、黏聚力c。由于配

比众多，表1仅列出了其中一种配比的3个试件的参数测试结果。

第25卷第9期王汉鹏等. 新型地质力学模型试验相似材料的研制 ? 1845 ?

g/量质件试干燥时间

图2 室温20℃下试件干燥时间曲线

Fig.2 Specimen dryness time curves at room temperature

20 ℃

表1 试件参数测试结果

Table 1 Mechanical parameters of experimental model

试件容重γ 泊松比弹性模量抗压强度抗拉强度黏聚力内摩擦

编号 /(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

相似材料试件在试验机上的破坏形态和岩石非常相似，如图3所示。模型材料试件的应力–应变曲线如图

4所示。

图3 相似材料试件试验 Fig.3 Simulation material specimen test

4.4 材料配比结果分析

通过大量的配比试验，经试验分析给出了各种材料含量对相似材料性能的影响。由此可得出如下结论：

(1) 通过调整松香酒精胶结剂的浓度可以调节试件的抗压强度和弹性模量(见图5，6)。松香在溶液中的配比越高，即松香酒精胶结剂的浓度越高，

试件的抗压强度和弹性模量就越高。

aPM/力应

应变 /%

图4 模型材料试件的应力–应变曲线

Fig.4

Stress-strain curve of simulation material specimen

aPM/度强压抗

胶结剂的浓度

图5 胶结剂的浓度与抗压强度的关系曲线 Fig.5 Relation between glue thickness and strength

aPM/E量模性弹

胶结剂的浓度

/% 图6 胶结剂的浓度与弹性模量E的关系曲线 Fig.6 Relation between glue thickness and E

(2) 调整石英砂的含量，可以调整试件的抗压强度和弹性模量(见图7，8)。石英砂占总量的15%时，试件的抗压强度和弹性模量比石英砂占10%时要高，因为石英砂增加了材料的摩擦力。

(3) 铁精粉在铁精粉和重晶石粉总量中所占比重对试件的密度影响见图9。由此可见，随着铁精粉的增加，试件的密度也随之增加，但不是线性关系，而且材料的密度可以达到2 900 kg/m3。

(4) 铁精粉在铁精粉与重晶石粉总量中所占比率与弹性模量呈抛物线关系(见图10)。铁精粉和重晶石粉在一定搭配时弹性模量最大，例如胶结剂浓

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aPM/度强压抗

石英砂的含量

图7 石英砂的含量与抗压强度的关系曲线 Fig.7 Relation between sand content and strength

aPM/E量模性弹

石英砂的含量

图8 石英砂的含量与试件弹性模量的关系曲线 Fig.8 Relation between sand content and E

)3－

m·gk(/度密铁精粉

(铁精粉+

重晶石粉) % 图9 铁精粉的含量与密度的关系曲线

Fig.9 Relation

between iron ore powder content and density

图10 铁精粉的含量与弹性模量的关系曲线 Fig.10 Relation between iron ore powder content and E

度为25%、不添加石膏粉、石英砂占总质量的15%、

铁精粉在铁精粉与重晶石粉总量中占81%左右时，试件的弹性模量最大。

(5) 胶结剂的浓度对材料的密度影响很小，由于胶结密实的原因，材料的密度也略有增加(见图11)。

)3－

m·gk(/度密胶结剂的浓度

图11 胶结剂的浓度与密度的关系曲线 Fig.11 Relation between glue thickness and density

5 结论

通过大量的配比试验可以得出：新材料的弹性模量为60～1 400 MPa，抗压强度为0.3～4.0 MPa，可以覆盖低强度和中等强度的岩体材料；材料的容重为23～30 kN/m3，属于可调整的高容重材料；黏聚力c为20～100 kPa，内摩擦角为27°～40°，可以模拟中等强度的岩体材料；泊松比为0.20～0.26，变化不大。因此，新型相似材料IBSCM可以模拟大部分的岩体材料，是一种非常理想的模拟材料，而且该材料具有如下优点：

(1) 容重高、抗压强度和弹性模量低。

(2) 性能稳定，不生锈，有很高的绝缘性。 (3) 容易得到，并且价格便宜。

(4) 力学参数易于调节，如通过调节松香酒精胶结剂浓度可以很容易地调整材料的弹性模量、抗压强度。

(5) 酒精易于挥发，干燥时间短，可缩短试验周期。

(6) 没有任何毒副作用，不会对人体造成伤害。 (7) 压制成型的砌块易于切割，能满足模型拼装砌筑的工艺要求。

(8) 由于采用松香酒精溶液作为胶结剂，砌块表面用酒精润湿后，即具有自黏能力，故砌块接缝可用本身材料黏接。因此，砌缝的存在不影响模型的整体性能。

(9) 由于各种材料拌和后未产生化学反应，因此试验后的材料可重复使用，这样大大提高了材料

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