工程岩体物理模拟研究中实验材料的选择与应用 (1).pdf

163.2.023May年5月GEOLOGIREVIEW评论质地No.3Vol.69第3 期第6 9 卷工程岩体物理模拟研究中实验材料的选择与应用WWW 6 52 0 1；2)河北省地震灾害防御与风险评价重点实验室，河北廊坊,0 6 52 0 1；3)应急管理部国家自然灾害防治研究院，地壳动力学重点实验室，北京，10 0 0 8 5；4)中国地质大学（北京）工程技术学院，北京，10 0 0 8 3内容提要：工程岩体物理模拟实验是岩体工程问题研究的重要方法，其中物理模型材料的选择对于实验成功与否至关重要。为了提高岩体物理模拟的选材效率及实验准确性，在总结前人大量工程岩体（边坡工程、地下工程和地基工程）物理模拟研究进展的基础上，对不同类型的物理模拟模型材料应用情况进行综合分析。结果表明：传统相似材料模拟软岩骨料最常用的是河砂和石英砂，模拟硬岩骨料则是在河砂和石英砂的基础上进一步掺人重晶石粉用以调节级配及强度，胶结剂通常都是水泥、石膏或者两者混合的复合材料；新型相似材料的选用更多是根据所需解决的问题进行设计，常采用铁粉、熔融石英砂及陶瓷等作为骨料，高分子聚合物、酒精和松香等作为胶结剂。整体而言物理模拟实验材料的骨料粒径越大，强度也越大，但是相似模拟中不能使用粒径过大的骨料；材料的强度随着砂胶比的增大而减小。研究不同工程对象时还需根据其自身特点进行实验设计，在研究显著节理裂隙等对岩体破坏机制的影响时，需掺加煤粉、云母碎、珍珠岩以及发泡剂等辅助材料，以控制试样的节理、微裂隙、结构面和孔洞等。笔者等对工程岩体物理模拟实验材料的分析综述可为相关工程岩体物理模拟研究提供实验参考。关键词：工程岩体；物理模拟；相似性准则；实验材料岩体是指由不同岩性的岩块和不同规模、不同类型的结构面组成的地质体（刘佑荣等,2 0 18）。在岩体表面或其内部进行任何工程活动，都须符合安全、经济和正常运营的原则。研究岩体工程施工、运营中的安全稳定性及其破坏模式是高边坡、地基及地下洞室等各类复杂岩体工程研究的重要任务，需要通过各种方法准确地预测工程岩体的变形，评价其稳定性（杨旭等，2 0 16；史新帅等，2 0 2 1）。目前，岩体工程问题研究主要采用数值模拟仿真和物理模拟实验等研究方法。其中，数值模拟仿真是利用有限元、有限差分以及离散元等数值模拟软件对具体工程进行模拟，可以直观地模拟裂纹扩展及岩体破坏过程，适合从细观力学角度研究岩体力学行为。但由于在处理复杂岩体工程问题时只能考虑理想的边界条件且设置了很多的假设和简化，在数值模型细观参数或物理力学参数的输人过程中存在太多主观性且只捕捉研究者规定的特定物理过程，从而难以真实、完整地反映工程岩体力学特性的变化规律（Paolaetal.，2 0 0 9;R e b e r e t a l.，2 0 2 0;刘绍兴等,2 0 2 1；杨兆中等,2 0 2 1）。而物理模拟实验以模型与原型之间的物理量相似为基础，将实际工程按相似比缩放为物理模型，抓住工程岩体的主要问题，剔除无关紧要的影响因素，通过模型实验获得其物理力学参数间的关系及变化规律，从而获得对原型工程特性的认识。与数值模拟仿真相比，物理模拟实验给出的结果形象、直观，直击问题要害，能给人以更深刻的印象。物理模拟实验可以对岩体二维、三维甚至四维（时间）的变形进行模拟原位观察，可以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，既注：本文为中央高校基本科研业务费专题研究重点项目（编号：ZY20215113）和国家自然科学基金资助项目（编号：418 0 7 2 7 0）的成果。了：410 0 1H.J收稿日期：2 0 2 2-0 7-0 7；改回日期：2 0 2 2-0 9-10；网络首发：2 0 2 2-11-2 0；责任编辑：刘志强。Doi：10.16 50 9/j.g e o r e v i e w.2 0 2 2.11.0 11作者简介：苏占东，男，198 7 年生，副教授，主要从事构造应力场与断裂活动性以及岩土工程抗震方面的研究工作；Email：s z d c h r i s como1134质2023年论地评能直观地模拟复杂地质工程与工程岩体的组合关系,又能反映工程岩体的力学特性和破坏特征。此外，物理模拟实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（陈陆望,2 0 0 6；王汉鹏等,2 0 0 6;Reberetal.，2 0 2 0）。对地质条件复杂的岩体工程开展物理模拟，特别是三维条件下的物理模拟，能够较真实地反映实际地质体的变形发展和破坏过程，具有重要的理论意义和实用价值（Anhdanetal.，2 0 0 5；陈陆望，2 0 0 6；赵洪宝等,2 0 16；谢晋谊等，2 0 17）。长期以来，物理模拟实验一直是解决复杂工程课题的重要手段，在岩土工程研究中已得到广泛应用（林韵梅，198 4；陈安敏等,2 0 0 4)。物理模拟实验的基础是相似理论，要求模型能够反映原型的主要特征和实际情况，确保模型中的物理力学过程与原型中物理力学过程的相似性,其中相似材料的选择及其配比对模拟实验的成功与否起着关键性作用（王汉鹏等，2 0 0 6；ZhouChuanbo，2001）。针对具体岩体工程问题物理模拟设计，需首先对物理模拟实验材料进行大量的选和配比实验，这给岩体工程问题的物理模拟研究工作带来了极大的困扰和不便。因此,在调研工程岩体物理模拟相似材料应用研究现状和进展的基础上，以相似原则为基础，系统梳理分析工程岩体物理模拟中实验材料的选择和应用情况，以期为相关工程岩体物理模拟实验研究提供参考。1物理模拟实验材料的选用原则物理模拟研究中大多依据相似性理论将研究对象原型按相似比缩放到实验室环境中，其技术关键在于模型与原型之间的相似性。相似理论是研究自然现象工程问题中个性与共性（或特殊与一般)的关系以及内部矛盾与外部条件之间关系的理论，正确地模拟工程岩体受力变形的物理过程和现象一般应遵从描述模型和原型中物理过程的方程相同、模型与原型的空间条件（几何尺度、边界条件等）相似以及模型与原型的时间条件相似等原则（Brown，1970；赵仕俊等，2 0 0 5；王汉鹏等，2 0 0 6；车平等，2007）。物理模拟研究根据合理的相似比，在实验室内即可模拟原位岩体的应力、变形、渗流等物理力学过程的相关特性及规律，可以弥补岩体工程中现场实测困难等诸多不足，已在土木、矿业和水利等学科得到了广泛应用。相似理论的理论基础是相似三定理,其中相似第一定理可表述为“对相似的现象，其相似准则的数值相同”；相似第二定理，又称“元定理”，可表述为“设一物理系统有n个物理量,其中有k个物理量的量纲是相互独立的，那么这n个物理量可表示成相似准则（相似参数）1，2，n-之间的函数关系”；相似第三定理可以表述为“对于同一类物理现象，如果单值量相似，而且由单值量所组成的相似准则在数值上相等，则现象相似”（徐挺，198 2）。根据相似三定理，可以将岩体模拟的相似分析抽象为动力相似问题通过量纲分析法进行讨论，动力相似现象的物理量函数为：f=(o,o,P,t,p,L,E)=0(1)式中：一应力,8 一挠度,P一集中荷载,t一时间，一摩擦系数,p一密度,L一任一线性长度,E一弹性模量。列出量纲矩阵并联立方程组求解，可得到动力相似问题的5个相似准则：E12LP(2)EL?tEII4LPl,=u由式(2)所示的动力相似问题的基本相似准则可以导出一系列相似准则。由模型的几何相似、时间相似、运动相似和材料相似等相似准则、原型和模型的平衡方程、几何方程、物理方程、应力边界条件和位移边界条件推导出岩体物理模型实验的相似关系（Zh o u Ch u a n b o,2 0 0 1；王凯等，2 0 16；张宁等，2 0 0 9）：C。C。C.CeCs=1(3)C,C.C.CC。C。这里C。、CL、Cs、C。、C、C。、C,和Cu分别为应力、几何、面力、体力、位移、应变、弹性模量和泊松比的相似常数，在岩体工程的相似模拟中,还需满足应变的相似常数为1,即要求物理模型与原型的应力应变关系和摩尔强度包络线相似（沈泰，2 0 0 1）。然而在许多岩体工程问题模拟中都很难做到各参数均满足相似关系所推导的理论值，只能在诸多材料配比中选择较为接近理论值的材料。部分工程问题可以依据具体工程性质，简化相似关系，比如在爆破振动的模拟中也可遵循Froude比例法，保持原型与模型的重力加速度之比为1，在实验中不必改变重力1135苏占东等体物理模拟研究中实验材料的选择与应用第3 期加速度数值，但须保持应力比例系数与密度比例系数、几何比例系数满足=pl（穆朝民等2 0 12）。除此之外，进行物理模型实验时，出于简化模型和实际工程中各物理参数间换算的考虑，同时为了更真实地模拟自重应力场，应尽量让相似材料与实际岩体材料的容重相同，模型材料选用尚需遵循材料的物理、力学性能稳定且与原型岩体物理力学特性相似的原则，材料无毒无害、物美价廉等也是模型材料选择要考虑的原则（王汉鹏等,2 0 0 6；刘钦,2 0 11）2岩体工程问题物理模拟材料目前，岩体工程问题的研究主要集中于边坡工程、地下工程和地基工程（蔡美峰,2 0 0 2）。在岩体工程相关物理模拟实验设计中很难完全遵循相似准则，对不同工程的物理模型的简化和各物理参数间相似比的换算也有所不同。因此,为了便于相关研究人员的对照参考，着重从上述三大岩体工程问题的研究现状进行总结分析。2.1边坡工程岩体物理模拟材料边坡是人类工程开挖形成的斜坡。与天然斜坡相比，工程边坡形成过程相对短暂，人类工程活动改变了原有斜坡的应力场，处理不当会诱发边坡岩体附加变形乃至破坏，甚至酿成灾害。边坡灾害类型与天然斜坡类似，主要有滑坡和崩塌两种（刘东燕，2013；任广丽等，2 0 2 1）。滑坡是地质灾害中最为常见的灾害类型，其中大型滑坡和巨型滑坡影响最为深远，尤其在我国的中西部地区，大型滑坡更是以其数量多、危害大、机制复杂以及防治困难等特点著称（宋娅芬等，2 0 15；刘金水，2 0 2 0；熊凯伟，2 0 2 0）。对于研究边坡稳定性相关的物理模拟而言，模型材料及其配比选择首先要满足模型边坡与原型边坡抗剪强度指标（粘聚力、内摩擦角）的相似关系。一般情况下，模型材料的内摩擦角由骨料控制，模型材料的黏聚力由胶结物控制（刘东燕，2 0 13）。大型岩质斜坡渐进破坏模式表现为蠕滑、过渡和剪切，而剪切破坏阶段发生在对岩体稳定性起关键作用的锁固段部位（赵建军等，2 0 16；吴锦华等，2 0 19）。岩质滑坡中锁固段为岩体中沿潜在滑动面断续出现、与滑动面两侧岩体连为一体的部分，具有较大强度并控制着边坡稳定性，如岩桥、挡土墙和支撑拱等（秦四清等，2 0 10；Huang Da et al.，2 0 14）。T a n gHuiming等（2 0 15）认为锁固段的承载能力一方面取决于锁固段的尺度（在相似模型中可以采用锁固段与滑动面的相对比例控制），也取决于锁固段材料的强度。锁固段是分析许多边坡岩体渐进性破坏的关键，例如，在中国西南的重庆鸡尾山滑坡中，上部岩块的运动受到下部岩块（锁固段）的限制，为研究前缘端部岩桥的裂纹扩展规律和破坏特征，秦昌安等（2 0 19)模拟以灰岩为主的前缘锁固型端部岩桥时选用石英砂：水泥：石膏粉：水=6：3：3：2，以页岩为主的后缘蠕滑段软弱夹层时选用石英砂：水泥：石膏粉：水=1：0.5：1：1；唐鹏等（2 0 17）选用水泥、石膏和石英砂等材料构建物理模型对三段式滑坡进行定性化模拟，通过调整配比（其中锁固段骨胶比0.56，蠕滑区骨胶比0.47）用以模拟岩质滑坡的后缘拉裂区、中部锁固段及边坡滑床及滑体受剪的变形特征。通常而言，对滑坡机理定性的研究，如果所构建模型不存在原型斜坡，则不用考虑滑坡几何相似比，一般选择采用常见的地质力学模型相似材料及配比进行模拟。除对滑坡破坏机理的研究外，大量学者还以滑坡类型、滑动成因等作为模拟目标，从多个方面进行实验设计，开展物理模拟实验。针对破