潮兜1号隧道Ⅳ级围岩相似材料配比试验_臧万军.pdf

第 21 卷 第 1 期2023 年 2 月福建工程学院学报Journal of Fujian University of TechnologyVol21 No1Feb 2023doi:103969/jissn16724348202301006潮兜 1 号隧道级围岩相似材料配比试验臧万军1，2，夏欢1，2，梁亚茹1，2(1 福建工程学院 土木工程学院，福建 福州 350118;2 地下工程福建省高校重点实验室，福建 福州 350118)摘要:为配制可模拟目标围岩的相似材料，在铁晶砂材料的基础上，采用石膏和水泥两种胶结材料，设置骨胶比、(m铁粉+m重晶石粉)/m骨料、m铁粉/(m铁粉+m重晶石粉)及 m石膏/m水泥4 个因素，一个因素设 5 个水平，共 25 组配比的正交试验方案。通过敏感性和线性回归分析，研究力学参数对影响因素的显著性及力学参数与各因素之间的定量关系。结果表明:相似材料力学参数可满足大部分类型岩体模型试验对材料力学参数的要求;对各因素及重晶石粉在骨料中占比与力学参数之间进行敏感性分析，其影响效果规律性强，可确定围岩相似材料配比;线性回归方程可量化参数与影响因素之间的关系，通过对比试验结果和回归分析结果，二者吻合性较强。关键词:围岩;相似材料;正交设计;敏感性分析;线性回归分析;模型试验中图分类号:U2314文献标志码:A文章编号:16724348(2023)01003509Proportioning test of similar materials forGrade surrounding rock in Chaodou Tunnel No1ZANG Wanjun1，2，XIA Huan1，2，LIANG Yaru1，2(1 School of Civil Engineering，Fujian University of Technology，Fuzhou 350118，China;2 Key Laboratory of Underground Engineering in Colleges and Universities of Fujian Province，Fuzhou 350118，China)Abstract:In order to prepare similar materials that can simulate the target surrounding rock，gypsum and ce-mented materials were used on the basis of iron crystal sand materials Four factors including bone cement rati-o，(iron powder+barite powder)/aggregate，iron powder/(iron powder+barite powder)and gypsum/cement were set Five levels are set for each factor，and a total of 25 groups of orthogonal test schemes wereset Through sensitivity analysis and linear regression analysis，the significance of mechanical parameters oninfluencing factors and the quantitative relationship between mechanical parameters and various factors werestudied esults show that the mechanical parameters of similar materials can meet the requirements of mostrock mass model tests;the sensitivity analysis between various factors and the proportion of barite powder inaggregate and mechanical parameters shows that the regularity of its effect is strong，and the proportion of simi-lar materials in surrounding rock can be determined;the linear regression equation can quantify the relation-ship between the parameters and the influencing factors Comparison of the test results and the regression anal-ysis results show that the two are in good agreementKeywords:surrounding rock;similar materials;orthogonal design;sensitivity analysis;linear regression a-nalysis;model test收稿日期:20220928第一作者简介:臧万军(1975)，男，吉林农安人，教授，博士，研究方向:地下结构施工力学。隧道与地下工程中高陡边坡、采矿工程、隧道抗减震技术，常采用相似模型实验和数值分析作为研究手段。但数值分析未能全面考虑现场复杂情况，常抽象为理想状态，导致计算结果与现场实福建工程学院学报第 21 卷际偏差较大。基于相似原理和量纲分析的模型试验，可直接观察结构变形和整个破坏过程，相较于数值分析，模型试验有较强直观性且更具说服力。相似材料配合比对其物理力学性质影响很大，因此，合理确定岩体相似材料的配合比，使其满足力学参数相似比具有重要意义1。国内外学者对围岩相似材料做了大量研究26。张强勇等7 在铁晶砂材料的基础上，采用松香与酒精为胶结剂，研制出一种可模拟盐岩、泥岩和岩盐夹层的相似材料。林贤文等8 选用性质稳定且无毒的铁粉、重晶石粉、石英砂、石膏，模拟硬质围岩。武伯弢等9 选用重晶石粉、石膏、细沙、洗衣液和水模拟软弱围岩，通过试验选出最符合软弱围岩的原材料配比。储昭飞等10 采用铁晶砂材料及酒精松香溶液、液压油，试验出一种新型软岩流变相似材料(IBSO)，可模拟软岩的瞬时力学特性与流变力学特征。LI S C等11 以铁粉、砂为材料，开展相似材料的物理力学研究，模拟高容重材料。目前进行的正交试验多是研究单一胶结材料，而对多种胶结材料结合的隧道围岩相似材料的研究较少，在研究骨胶比对相似材料强度变化的影响时，只含一种胶结材料的相似材料不能较为准确得出其规律。基于此，开展多胶结材料的围岩相似材料研究工作显得尤为重要，本研究在传统铁晶砂材料的基础上，采用石膏和水泥两种胶结材料，对相似材料各因素进行敏感性分析。1工程原型与相似试验11工程原型漳泉肖铁路潮兜 1 号隧道位于福建省泉州市安溪县境内，属剥蚀丘陵区，出口处为河流上方山坡，全长 258 m，其中级围岩长度 80 m，占比3101%。级围岩长度 173 m，占比 6705%。明洞 5 m，占比194%。潮兜1 号隧道洞口段为级围岩，属于稍弱围岩。12相似原理与参数选取模型上重现的物理现象与原型物理现象相似称之为相似原理，是相似模拟试验的理论基础和模型制作的论据12。C 为相似比，表示原型(P)与模型(M)中相同的物理量之比。通过相似理论及量纲分析并结合弹塑性理论中的平衡微分方程、物理方程及应力和位移边界条件，推导出应力相似比、几何相似比和容重相似比之间关系为:C=CLC(1)应力相似比、弹性模量相似比和应变相似比之间关系为:C=CEC(2)地质力学模型试验中，要求相同量纲物理量的相似比相等，且无量纲物理量的相似比为 1，因此应变、内摩擦角、泊松比三者相似比关系为:C=C=C=1(3)C=CC(4)根据模型试验所用设备，并能够真实反应工程实际情况，确定几何相似比 CL=30，容重相似比 C=12，密度相似比 C=12，由式(1)(4)计算得:弹性模量相似比 CE=36，应力相似比 C=36，内摩擦角相似比 C=1，黏聚力相似比 CC=36。该工程地勘围岩原型与模型力学参数如表 1。表 1围岩原型与模型的力学参数Tab1Mechanical parameters of surroundingrock prototype and model类型弹性模量/MPa抗压强度/MPa密度/(kgm3)内摩擦角/()黏聚力/kPa原型6 480722 85038621 6740模型18022 375386246513材料选择以重晶石粉、铁粉和石英砂为骨料，石膏和水泥为胶结材料，进行相似材料配比研究。选用高强石膏粉，C425 的硅酸盐水泥，重晶石粉规格为325 目，铁精粉规格为 100 目，铁95%，石英砂规格为 40 目。为优化级配和调节相似材料的力学参数，在材料中加入较粗的石英砂。2试验过程21正交设计方案设置 4 个因素，每个因素有 5 个水平，共 25组试验，L 代表正交表，n 为试验次数，k 为因素数，t 为水平数。采用正交表，使正交试验的试验点分布均匀，并减少试验次数1315。以表 1 中相似关系为依据，配制级围岩相似材料，如表 2 所示，设置 A、B、C、D 4 个影响因素，A 因素为骨胶比，即(m铁粉+m重晶石粉+m石英砂)/63第 1 期臧万军，等:潮兜 1 号隧道级围岩相似材料配比试验(m石膏+m水泥)，B 因素为(m铁粉+m重晶石粉)/m骨料，C 因素为 m铁粉/(m铁粉+m重晶石粉)，D 因素为 m石膏/m水泥，一个因素设 5 个水平。为 L25(54)的正交表，配比方案如表 3。表 2相似材料正交设计水平Tab2Orthogonal design level of similar materials水平组数因素AB/%C/%D1716000012817010151391802025141019030351511110040100注:用水量为每组试样质量的 16%。22试样制作以表 3 中的 25 组配比，每组配比分别制备单轴压缩试样和直剪试样，其中单轴压缩试样采用直径 50 mm、高 100 mm 的圆形双开钢模制作，直剪试样采用直径 618 mm、高 20 mm 的薄圆柱状试件制作。单轴压缩试样每组配比制作 3 个，直剪试样每组配比制作 4 个，共 175 个。表 3相似正交试验配比方案Tab3Proportioning scheme of similar orthogonal test试验因素AB/%C/%D171600012717010151371802025147190303515711004010068160102517817020351881803010098190400011081100015111916020100续表试验因素AB/%C/%D12917030001139180401511491900251159110010351161016030151171017040251181018003511910190101002010110020001211116040351221117001002311180100012411190201512511110030251将所有材料按方案配比量取后倒入搅拌机搅拌，加 水=16%，并在每份搅拌的材料中加入 25g 减水剂，增强拌和料的流动性，便于模型浇筑。试样浇筑、振捣并加压完成，常温下放置 30 min后即可拆模。试件表面贴上标签，装样前在模具内表面涂一层凡士林方便脱模。23参数测试测试试样的弹性模量、单轴抗压强度、密度、内摩