固流耦合相似材料的研究

固流耦合相似材料的研究

1固流耦合相似材料的研究近年來(lái)，隧道與采礦開(kāi)采、地下水污染、地表荒漠化、地表沉陷、水電地下結(jié)構(gòu)失衡等固流耦合問(wèn)題日益嚴(yán)重。過(guò)去，這項(xiàng)研究是通過(guò)理論方法或數(shù)值模擬方法進(jìn)行的。模擬結(jié)果往往不能很好地反映出工程中巖石地質(zhì)體的實(shí)際情況。很少有研究模型試驗(yàn)的關(guān)于這一方面的研究正在開(kāi)展中。煤炭科學(xué)院西安分院和西安科技學(xué)院等不少研究單位曾試圖采用固流耦合模擬試驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)課題研究,但均因相似材料問(wèn)題未取得理想效果。張杰和侯忠杰以砂和石蠟作為骨料,對(duì)富水風(fēng)積沙層下采煤進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究;胡耀青等采用水泥、砂子、石子、石膏、滑石粉和克曬贏為主料來(lái)模擬巖層,采用紅膠泥來(lái)模擬軟弱隔水層;黎良杰等選用砂子、碳酸鈣和石膏為主料,以硼砂為緩凝劑制作采場(chǎng)底板突水模型的相似材料;龔召熊也以石蠟油為做膠凝劑,模擬強(qiáng)度較低、變形較大的塑性破壞型巖體和泥化夾層。固流耦合模擬試驗(yàn)主要存在以下2個(gè)問(wèn)題:一是固流耦合的相似理論的研究尚未成熟;二是模擬材料必須同時(shí)滿(mǎn)足固體變形和滲透性相似2個(gè)條件,很難找到合適的兩相相似模擬材料來(lái)制作固流耦合相似模型。以往相似材料相似模擬度差,沒(méi)有從根本上解決固流耦合相似材料的問(wèn)題[6~10]。因此研究固流耦合相似材料是必要的,也為進(jìn)一步進(jìn)行固流耦合試驗(yàn)打下基礎(chǔ)。本文在參考前人研究的基礎(chǔ)上,根據(jù)固流耦合相似理論的原則,通過(guò)大量試驗(yàn)研制成功了一種新型固流耦合試驗(yàn)相似材料(PSTO),并在隧道涌水模型試驗(yàn)中取得成功應(yīng)用。2相似參數(shù)選取胡耀青等采用均勻連續(xù)介質(zhì)的固流耦合數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)了固流耦合相似理論,得到如下關(guān)系式:式中:CG為剪切彈性模量相似比尺,Cu為位移相似比尺,Cl為幾何(模型尺寸)相似比尺,Cλ為拉梅常數(shù)相似比尺,Cγ為容重相似比尺,Ce為體積應(yīng)變相似比尺,Cρ為密度相似比尺,Ct為時(shí)間相似比尺。根據(jù)式(1)可知,模型相似要求CG=Cλ;幾何相似要求Cu=CeCl,因變形后幾何相似,即Ce=1,則有Cu=Cl;重力相似有CGCe=CγCl,由于G=E/(2(1+μ)),μ為泊松比,故CG=CE,又eC=1,則CE=CγCl;應(yīng)力相似有Cσ=CECe,則有Cσ=CγCl;時(shí)間相似得CGCu/Cl2=CρCu/Ct2,則有Ct=Cl。由于試驗(yàn)相似材料為均勻連續(xù)介質(zhì),假設(shè)Kx=Ky=Kz=K,引入如下函數(shù):式中:Kx,Ky,Kz分別為3個(gè)坐標(biāo)方向的滲透系數(shù);CK為滲透系數(shù)相似比尺;K′,K′分別為原型和模型的滲透系數(shù);CS為貯水系數(shù)相似比尺;S′,S′分別為原型和模型的貯水系數(shù);CQ為滲水量相似比尺;Q′,Q′分別為原型和模型的滲水量;Cx,Cy,Cz分別為x,y,z方向模型尺寸相似比。將式(2)代入滲流方程并與原型相比則有式中:CP為水壓力相似比尺,Cw為源匯項(xiàng)相似比尺。依據(jù)上述相似理論和各變量間的關(guān)系,經(jīng)過(guò)大量的配比試驗(yàn),研制出了滿(mǎn)足基本相似理論且遇水不崩解的固流耦合相似材料。3固流耦合材料的開(kāi)發(fā)3.1質(zhì)石蠟添加劑對(duì)于固流耦合相似材料,要求材料在水的作用下不能發(fā)生明顯軟化,保證材料的非親水性非常重要,即模型材料需選擇非親水性有機(jī)膠凝材料作為膠結(jié)劑進(jìn)行制模。參考國(guó)內(nèi)外大量資料,選擇低熔度優(yōu)質(zhì)石蠟(54#)作為膠結(jié)劑,以砂和滑石粉為骨料,并配以適量的調(diào)節(jié)劑,相似材料的基本成分如圖1所示。為了是滿(mǎn)足材料的滲透性要求,砂的粒徑<1mm,滑石粉為625目,調(diào)節(jié)劑選擇優(yōu)質(zhì)抗磨液壓油。以石蠟為膠結(jié)劑的相似材料在受熱狀態(tài)下具有較大的塑性,制模時(shí)便于各層壓實(shí),模型材料不受濕度影響,性質(zhì)穩(wěn)定且可重復(fù)使用。此膠結(jié)劑制作的模型試件具有良好的非親水性能,將采用石臘為膠結(jié)劑制作的試件置于水中浸泡24h后進(jìn)行力學(xué)參數(shù)測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明,其主要力學(xué)參數(shù)達(dá)到未浸泡的試件的85%以上,材料性質(zhì)受濕度影響很小。圖2為浸泡24h后的模型試件。3.2石蠟的攪拌和裝模冷卻石蠟?zāi)Ｐ偷闹谱餍枰訜?因此無(wú)論是制作試件還是制作模型,試驗(yàn)材料成型硬化之前都要保持一定溫度。必須嚴(yán)格按比例稱(chēng)取骨料和膠結(jié)劑,尤其是對(duì)材料強(qiáng)度和滲透性影響很大的膠結(jié)劑。先將石蠟放入加熱裝置中完全熔化,再將攪拌均勻的骨料及液壓油倒入熔化的石蠟中并攪拌至均勻,攪拌過(guò)程中要保持恒溫100℃,加熱溫度不宜太高,因?yàn)闇囟忍邥?huì)破壞石蠟的物理性質(zhì)。裝模時(shí)溫度不同,也影響試件的性質(zhì),本次試驗(yàn)中裝模溫度控制在65℃左右。將攪拌好的相似材料裝入模具迅速壓實(shí),待冷卻成型后脫模貼上標(biāo)簽,在常溫下放置24h徹底冷卻后測(cè)試參數(shù)。試驗(yàn)所用的雙開(kāi)模具如圖3所示。3.3相似材料參數(shù)的測(cè)定(1)材料單軸抗壓強(qiáng)度σc、彈性模量E和泊松比μ的測(cè)定本試驗(yàn)測(cè)試采用高100mm、直徑50mm的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試件,在山東大學(xué)巖土中心自行研制的3000kN全數(shù)字控制剛性巖石三軸儀上進(jìn)行,該三軸儀能給出相似材料試件單軸壓縮過(guò)程的全應(yīng)力–應(yīng)變曲線,其彈性段的斜率即為彈性模量E,相似材料試件在試驗(yàn)機(jī)上的破壞形態(tài)和巖石非常相似,如圖4所示。圖5為試件典型的應(yīng)力–應(yīng)變曲線。對(duì)于泊松比μ,使用電測(cè)法測(cè)定。所謂電測(cè)法就是在試件上貼一定數(shù)量的應(yīng)變片,用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀得到的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算試塊的橫向和縱向變形,再結(jié)合壓力機(jī)上的壓力值推導(dǎo)出相似材料的μ值。(2)材料單軸抗拉強(qiáng)度σt的測(cè)定材料單軸抗拉強(qiáng)度σt采用巴西劈裂法按照下式計(jì)算得出。式中:D為試件直徑,P為試件破壞荷載,t為試件厚度。部分試塊的抗拉強(qiáng)度值如表1所示。由表1可知:相似材料的抗拉強(qiáng)度為抗壓強(qiáng)度的1/9~1/12,而巖石的抗拉強(qiáng)度一般為抗壓強(qiáng)度的1/4~1/25,平均為1/10。所以該相似材料與巖石在抗拉強(qiáng)度方面的性質(zhì)基本相似。(3)材料黏聚力c和摩擦角?的測(cè)定相似材料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c,?值的測(cè)試在ZJ–4A型應(yīng)變控制式直剪儀上進(jìn)行,如圖6所示。計(jì)算公式為式中:σ為正應(yīng)力,τ為抗剪強(qiáng)度。由此可以得到不同配比條件下,相似材料的c,?值,如表2所示。(4)相似材料滲透系數(shù)k20的確定因?yàn)樵嚇拥耐杆暂^差,流量太小,加上水的蒸發(fā),使量測(cè)非常困難,故采用變水頭試驗(yàn)測(cè)定k20值,用水采用自來(lái)水,試驗(yàn)時(shí)的水溫宜高于室溫3°~4°。變水頭試驗(yàn)裝置如圖7所示,由表3可知,滲透系數(shù)k20變化范圍在1.2×10-7~5.0×10-4cm/s,可模擬范圍很大。(5)表征脆性材料的參數(shù)值E/λ的測(cè)定由于流體的流動(dòng)與巖體的變形和破壞產(chǎn)生耦合,必須考慮巖體破裂后引起滲透性的演變及其對(duì)巖體力學(xué)性能的影響,因此必須考慮表征兩相破壞的主要力學(xué)參數(shù)E/λ,即彈性模量與峰值后降模量的比值。潘一山等的研究成果表明:“當(dāng)巖石降模量較大,巖石峰值后下降曲線較陡,即巖石脆性大,E/λ較小時(shí),此時(shí)對(duì)應(yīng)的臨界軟化區(qū)深度較小。E/λ<3的材料屬于脆性破壞材料?！睖y(cè)試試塊的峰前彈性模量和峰后彈模,分析其表征脆性材料的參數(shù)值E/λ,測(cè)試結(jié)果如表4所示,可見(jiàn)新材料的E/λ<3,屬于脆性破壞材料。且浸水24h后,試塊強(qiáng)度達(dá)到初始強(qiáng)度的85%以上,質(zhì)量無(wú)明顯損失。3.4砂及滑石粉質(zhì)量控制試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)大量配比試驗(yàn),分析了材料組份及裝模溫度等對(duì)相似材料性能的影響,可得出如下結(jié)論:(1)通過(guò)調(diào)節(jié)石蠟含量可以改變?cè)嚰目箟簭?qiáng)度和彈性模量,石蠟含量越高,試件的強(qiáng)度和彈性模量就越高,當(dāng)石蠟占總重量的7%以后,抗壓強(qiáng)度和彈性模量增幅變小,如圖8(a)所示。(2)圖8(b)為砂在砂和滑石粉總量中所占比重對(duì)試件的彈性模量和抗壓強(qiáng)度的影響曲線。由于砂含量的增加增強(qiáng)了材料的摩擦力,材料彈性模量隨砂含量比重的增加而提高。同時(shí),砂比重的增加導(dǎo)致滑石粉的含量相對(duì)減少,試件的密實(shí)度降低,抗壓強(qiáng)度隨之降低。(3)圖9為石蠟含量對(duì)試件黏聚力的影響曲線。在一定范圍內(nèi),石蠟含量越高,材料顆粒膠結(jié)越密實(shí),試件的黏聚力就越高,石蠟含量對(duì)試件的黏聚力的影響非常顯著。(4)圖10為裝模溫度對(duì)試件抗壓強(qiáng)度的影響曲線。在一定范圍內(nèi),材料裝模溫度越高,試件的強(qiáng)度越高,如裝模溫度在80℃時(shí)試件的抗壓強(qiáng)度是裝模溫度在30℃的2倍左右。(5)通過(guò)調(diào)節(jié)石蠟含量可以改變?cè)嚰臐B透系數(shù)(見(jiàn)圖11)。石蠟含量越高,試件的滲透系數(shù)越小,當(dāng)石蠟占總重的8.7%,砂和滑石粉配比為6∶1時(shí),試件的滲透系數(shù)減小至1.3×10-7cm/s。4隧道涌水模型試驗(yàn)的應(yīng)用4.1大型隱伏水體模擬試驗(yàn)本模型試驗(yàn)以巖石隧道涌水為例,其模型試驗(yàn)幾何相似比為1/100,模型尺寸(高×長(zhǎng)×寬)為1.8m×1.5m×0.5m。模型中隧道上方16cm處含水層中存在一大型隱伏水體,尺寸為50cm×30cm×30cm。在該試驗(yàn)中,將外置導(dǎo)管與隱伏水體進(jìn)水管相連,通過(guò)調(diào)節(jié)外置導(dǎo)管水頭高度模擬水壓力。根據(jù)巖體力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果,本試驗(yàn)中原巖和模型材料的物理力學(xué)參數(shù)及滲透系數(shù)取值見(jiàn)表5。4.2材料的類(lèi)似處理根據(jù)各層模型材料的物理力學(xué)參數(shù)和滲透系數(shù),通過(guò)調(diào)整相似材料的配比,得到隧道涌水模型的相似材料配比,見(jiàn)表6。4.3伏水體與隧道之間的關(guān)鍵點(diǎn)信息分析測(cè)試元件采用自行研制的光纖位移、應(yīng)力、滲壓和溫度傳感器,重點(diǎn)監(jiān)測(cè)隱伏水體與隧道之間的關(guān)鍵位置處多場(chǎng)信息的變化規(guī)律,關(guān)鍵點(diǎn)布置如圖12所示。隧道采用人工鉆鑿方式全斷面開(kāi)挖,每次進(jìn)尺3cm,共分17步開(kāi)挖完成,試驗(yàn)結(jié)束后得到圖13,14所示的位移、應(yīng)力和滲壓時(shí)程曲線。4.4圍巖應(yīng)力分析由圖13位移時(shí)程曲線可以看出,圍巖的變形較小,但隨著時(shí)間的增大而逐漸變大。在3.6×103s時(shí)位移出現(xiàn)第一次小幅度跳躍,此時(shí)掌子面剛好推進(jìn)到含水構(gòu)造下方,推測(cè)圍巖內(nèi)部損傷開(kāi)始發(fā)生,從6.4×103s開(kāi)始位移增大速率明顯變大,反映了防突層及其附近圍巖內(nèi)部損傷程度的加劇,并且在8.4×103s左右位移再次出現(xiàn)較為明顯的跳躍式增大,此時(shí)觀察到隧道拱頂有裂紋出現(xiàn),涌水現(xiàn)象加劇,到1.04×103s后,掌子面即將越過(guò)含水構(gòu)造,位移增大速率才有所減小。由圖13中應(yīng)力時(shí)程曲線可見(jiàn),自開(kāi)挖初期至5.0×103s,圍巖的應(yīng)力迅速增大,反映了防突層隨掌子面的推進(jìn)出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象;此后,應(yīng)力增大速率減小,1.0×104s左右時(shí),圍巖的垂向應(yīng)力達(dá)到峰值,且滲壓在(0.5~1.0)×104s出現(xiàn)明顯的波動(dòng)(見(jiàn)圖14),觀察到隧道中涌水量迅速增大,表明圍巖損傷加劇,裂隙發(fā)育貫通,涌水通道增加。此后,直至1.4×103s應(yīng)力基本保持不變,但損傷繼續(xù)累積,相應(yīng)的位移則持續(xù)增長(zhǎng),圍巖垂向應(yīng)力在1.4×103s時(shí)急劇降低,說(shuō)明滲流–損傷的持續(xù)作用使圍巖強(qiáng)度降低,防突關(guān)鍵層內(nèi)部的滲流作用明顯增強(qiáng)。5新型石蠟材料依據(jù)固流耦合相似理論,通過(guò)大量的配比試驗(yàn)可以得出:該新型固流耦合相似材料的模擬范圍比較大,可覆蓋不同滲透性的低強(qiáng)度和中等強(qiáng)度的巖體材料。其中,材料彈性模量為20~60MPa,抗壓強(qiáng)度為0.30~0.66MPa,滲透系數(shù)為1.2×10-7~5.0×10-4cm/s,重度為19.5~21.5kN/m3,黏聚力為20~110kPa,摩擦角為30°~55°,泊松比為0.25~0.30。該材料在水的作用下不發(fā)生軟化或塑性變形,非親水性良好,是一種非常理想的固流耦合相似模擬材料,而且該材料具