模型試驗相似材料配比試驗研究

模型試驗相似材料配比試驗研究

相似材料配比的確定是確定混合材料用量的前提地質力學模型的研究是在巖體介質中發(fā)展起來的一種古老、應用廣泛、圖像直接的物理力學性質研究方法。它以實驗力學為基礎,廣泛應用于大壩、隧道、地下洞室等具有復雜地質構造環(huán)境背景的地下工程中。地質力學模型可以較好地模擬工程的施工工藝、荷載的作用方式以及時間效應等,還可以分析結構從彈性到塑性,一直到破壞的受力過程。同時,地質力學模型試驗可使工程中發(fā)生的現(xiàn)象在實驗室中再現(xiàn)出來,而且還可以人為地控制和改變試驗條件,從而對試驗中的主要因素進行獨立控制,以確定單因素或多因素對比研究問題影響的規(guī)律,而不受外界條件和自然條件的限制,做到結果準確。由上可知,地質力學模型試驗有利于在復雜的試驗過程中突出主要矛盾,便于把握、發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象的內在聯(lián)系,并且有時可以用來對原型所得的結論進行校核。大量工程實踐經(jīng)驗［１－３］表明,地質力學模型試驗是解決復雜巖土工程問題,特別是地下工程問題的一種行之有效的方法。在地質力學模型試驗中,最重要的是要根據(jù)相似原理［４］,按照一定的相似關系和相似比尺,選擇相似材料建造縮尺模型。因此相似材料配比的確定,是進行模型試驗的前提與關鍵。然而,迄今為止,人們對于各類混合材料的性能、配比等方面的研究仍然是局部的、比較粗糙的,其成果遠不能滿足廣泛范圍內的原型對于模型材料的精細要求。加上混合材料的性能穩(wěn)定性較差,易受其組分性能及試驗條件等多方面因素的影響,在相似條件下的結果可比性、再現(xiàn)性甚差。因此,要在具體條件下定量化確定其合理配方,必須在圍繞所要求指標的廣泛范圍內進行試驗,初步定出接近要求的配方,再通過反復試驗逐步逼近精確指標。這樣一來,如何合理設計這類試驗就顯得相當重要。目前,通常采用的序貫試驗法和全面試驗法,往往因客觀條件的限制而存在嚴重不足。事實上,相似材料性能受多種因素影響,對于眾多的指標要求,序貫試驗法往往顧此失彼,加之選擇添加劑等方面的限制,很難達到預期的理想結果。全面試驗法雖然可以提供比較精細、全面的試驗數(shù)據(jù),但是需要安排大量的試驗,分析也比較困難,從經(jīng)濟、速度、效益等方面考慮均不足為取。經(jīng)過初步探索,認為一種合理有效的科學方法就是運用正交試驗來確定相似材料的配方。通過正交試驗,可以以較少的試驗和工作量分析出影響相似材料的主次因素,并且可以直觀地分析出各因素對材料物理力學性能參數(shù)指標的影響規(guī)律,從而為滿足不同地質力學模型試驗的相似材料的配比提供依據(jù)。1膠結材料的種類在地質力學模型試驗中,選擇正確的相似材料是進行模型試驗的前提。在國外,早在20世紀60年代,以E.Fumagalli［５］為首的專家在意大利結構模型實驗室(ISMES)開創(chuàng)了工程地質力學模型試驗技術。主要采用2類相似模型材料:一類是以鉛氧化物(PbO或Pb３O４)和石膏的混合物為主料,以砂子或小圓石作為輔助材料;另一類主要以氧化鉛、重晶石粉、石灰石粉作為骨料,利用環(huán)氧樹脂在水中的乳化作用作為粘結劑,甘油和水作為稀釋劑和保濕劑,膨潤土或硅藻土為外加劑。葡萄牙里斯本國家土木工程研究所［６］主要把鉛氧化物(Pb３O４)和鐵鈦礦粉混合,以石膏為膠結劑,進行了許多小尺寸模型試驗。在國內,以武漢大學韓伯鯉等［７］研制的MIB材料、清華大學李仲奎等［８］研制的NIOS材料、山東大學張強勇等［９］研制的IBSCM材料為代表,主要有純石膏材料,石膏硅藻土混合材料,以砂為骨料、石膏為主要膠結材料,以及以重晶石粉為骨料、石膏為主要膠結材料4種類型。這些相似材料都具有高容重、低抗壓強度、低彈性模量和性能穩(wěn)定等優(yōu)點。2正交試驗設計中類似材料的比例2.1模型試驗的相似材料選擇通過對相似材料現(xiàn)狀的研究可以發(fā)現(xiàn),選擇合適的材料配比是成功模擬原型工程的關鍵。有鑒于此,在對大量的相似材料研究現(xiàn)狀的調研以及借鑒前人研究經(jīng)驗的基礎上［１０，１１］,本文選擇張強勇等研制的IBSCM材料作為模型試驗的相似材料。這種材料具有容重高、抗壓強度和彈性模量較低、性能穩(wěn)定、對人體沒有任何毒副作用等優(yōu)點,是一種較理想的相似模型材料。2.2正交試驗設計特點正交試驗法［１２］是一種用于解決多因素、多水平及多指標這一類試驗問題的方法,利用根據(jù)“正交性”原理編制而成排列整齊的表———正交表,科學地對試驗進行整體設計、綜合比較、統(tǒng)計分析,實現(xiàn)通過少數(shù)的試驗次數(shù)找到較好的生產(chǎn)條件,以達到較高的生產(chǎn)工藝效果。正交表能夠在因素變化范圍內均衡抽樣,使每次試驗都具有較強的代表性。由于正交表具備均衡分散的特點,保證了全面試驗的某些要求,這些試驗往往能夠較好或更好地達到試驗目的。2.3重晶石粉質量比的確定IBSCM材料以鐵礦粉、重晶石粉、石英砂為骨料,松香酒精溶液為膠結劑,石膏為調節(jié)劑。其中,鐵礦粉為200目,品位60%;重晶石粉為320目,比重4.2;石英砂為30~50目;一級松香,工業(yè)酒精純度為97%,松香酒精溶液為相似材料總質量的6%。本次正交試驗設計中,共設置了A、B、C、D4個因素,分別為鐵礦粉與重晶石粉重量之和占骨料(鐵礦粉、重晶石粉以及石英砂重量之和)的百分比、鐵礦粉與重晶石粉的重量比、膠結劑的濃度(松香占松香酒精溶液的百分比)和石膏占相似材料總質量的百分比。每個因素均設置3個水平,見表1。根據(jù)試驗目的,確定了試驗指標,選定了因素及水平,選擇正交表L９(3４),一共需要9組試驗,見表2。2.4分層夯實和壓實在模型相似材料試驗中,按照正交試驗配比,首先計算出鐵礦粉、重晶石粉、石英砂和石膏粉的用量,稱量好并放入盆中攪拌均勻,然后把溶解好的松香酒精溶液加入混合料,進一步拌合均勻;當混合料顏色一致、濕度均勻的時候,倒入模具(圖1)內分層夯實;然后將試塊放到壓力機上逐漸加載到3MPa壓實5min;最后,進行脫模并貼上標簽,放在室溫下通風干燥2~3d,便可進行室內試驗。依據(jù)《工程巖體試驗方法標準》［１３］,本次室內試驗制作了Φ50×100mm、Φ50×50mm、(50×50×50)mm種尺寸的小模型試塊(圖2),分別對材料進行了單軸抗壓強度試驗、單軸壓縮變形試驗、劈裂試驗以及直剪試驗。每一組配比共需12個試塊。3正交試驗結果的計算與分析3.1物理力學特性由相似材料研究現(xiàn)狀可以知道,影響相似材料的因素有很多,本次試驗根據(jù)材料配比的要求,選擇對小模型試塊進行4種巖石力學實驗,得到了不同配比相似材料的密度ρ、抗壓強度σｃ、抗拉強度σｔ、彈性模量Ε、泊松比μ、黏聚力C、內摩擦角φ等物理力學參數(shù)指標值。試驗結果匯總見表3。由表3可以看出,相似材料的密度分布在2.56~2.74g/cm３,根據(jù)模型試驗相似理論,本次配比的相似材料具有較高的容重,能夠較好地滿足圍巖重度相似比為1的巖體材料,可以簡化模型與原型之間相似比的換算,同時體現(xiàn)了巖體自重應力場的影響;壓拉比分布在6.8~14.1,較好地模擬了實際巖體的脆性特征;彈性模量分布在52.921~182.848MPa,黏聚力分布在0.026~0.246MPa,內摩擦角分布在22.99°~48.21°;相似材料的抗壓/拉強度和彈性模量較低,在模擬地應力時可以減輕所加荷載,減少了對加載設備的要求,同時參數(shù)值可以在一定范圍內進行調整,以滿足模型試驗的相似材料范圍要求。3.2復配膠結劑對材料密度的影響采用極差分析法分析本次正交試驗設計的試驗結果。極差分析法的原理主要是,把每個因素的相同水平指標值求和,然后比較各水平之間指標值之和的最大差值,以此類推,確定每個因素各對應不同水平之間的最大指標值差值,再通過平均效果中的最大值與最小值的差來分析問題,從而找到影響因素的主要指標以及最佳因素的水平組合。極差越大,說明這個因素在不同水平試驗條件下對測試指標的影響越大,也表明這是個主要的因素。也可以通過圖形直觀地描述出這些關系。一般而言,密度、抗壓強度、彈性模量、黏聚力4個主要參數(shù)指標可對相似材料的物理力學性能進行有效的控制,因此,下面就通過這4個參數(shù)指標進行極差分析,以區(qū)分因素的主次。影響因素極差分析結果見表4。由表4可以直觀地看出密度、抗壓強度、彈性模量、粘聚力4個主要物理力學性質參數(shù)指標影響因素的主次排序,見表5。對以上4個物理力學性質參數(shù)指標進行分析,因素C對應的抗壓強度、彈性模量以及粘聚力這3個參數(shù)指標的極差值分別為0.949、94.060、0.170,遠大于其他3個因素相對應的極差值,說明因素C對這3個參數(shù)指標均有重要影響,并且對密度的極差值為0.053,說明其對密度也有一定的影響?；谶@幾點考慮,因素C是最重要的因素。而因素A、B、D根據(jù)指標極差值的選擇均有矛盾。為了解決這種矛盾,就需要綜合平衡,看多數(shù)的傾向,還要看這個因素對哪幾個指標是主要的因素,就優(yōu)先考慮該指標的選擇;如果幾個指標在該項試驗中有主次之分,那么應當優(yōu)先考慮主要指標的選擇。從表4中還可以看出,密度指標的級差值分別為0.060、0.107、0.053、0.023,粘聚力指標的極差值分別為0.054、0.012、0.170、0.023,這2個參數(shù)極差值的波動幅度較小,在考慮因素主次的時候,可以作為次要分析對象。于是,只剩下抗壓強度和彈性模量這2個主要參數(shù)指標。通過對這2個參數(shù)指標進行比較分析,可以發(fā)現(xiàn),因素D相對于因素A、B,對抗壓強度和彈性模量的影響更大,也就是說明因素D對相似材料的影響大于因素A、B。然后再接著分析剩下的因素A、B,可以發(fā)現(xiàn),總體上來說,它們對材料相應的參數(shù)指標的影響并不明顯,但從極差值的數(shù)據(jù)上來看,因素B對材料的影響要略大于因素A。綜上可知,在本次正交試驗中,4個因素對相似材料主要參數(shù)指標的影響程度,由大到小依次是C、D、B、A。通過分析發(fā)現(xiàn),膠結劑的濃度對抗壓強度、彈性模量和粘聚力這3個參數(shù)指標起主要的控制作用,并且對密度指標也有一定的影響,說明了膠結劑濃度對材料的物理力學性能有重要的影響;其次為石膏含量,而鐵礦粉與重晶石粉的重量比與鐵礦粉與重晶石粉重量之和占骨料的百分比對材料的主要參數(shù)指標的影響比較小。為了更加直觀地分析各因素對4個參數(shù)指標的影響規(guī)律,給出了各因素不同水平與指標之間的關系圖,見圖3~圖6(圖中橫坐標字母代表各因素,數(shù)字代表對應因素的不同水平)。從以上4幅圖中可以看出,膠結劑濃度對材料的抗壓強度、彈性模量以及粘聚力3個指標起主要控制作用,并隨著膠結劑濃度的增加,3個參數(shù)指標也都隨之增加。石膏含量對于材料的性能也有一定的影響,隨著石膏含量的增加,抗壓強度逐漸減小,而彈性模量有先迅速增大后又減小的趨勢,其對粘聚力影響不明顯。鐵礦粉與重晶石粉之和占骨料的百分比以及鐵礦粉占重晶石粉重量比這2個因素的影響相對較小,它們主要對密度指標有重要的影響。其中,鐵礦粉占重晶石粉重量比相對而言對密度的影響起主要控制作用,隨著鐵礦粉比重的增加,密度也不斷提高,這主要是因為鐵礦粉具有較高的比重。通過綜合分析可以發(fā)現(xiàn),對材料參數(shù)指標值影響最大的是膠結劑濃度,其次是石膏含量,影響最小的為鐵礦粉與重晶石粉之和占骨料的百分比以及鐵礦粉占重晶石粉重量比。因此在本次正交試驗中,對相似材料各物理力學性質指標的因素程度,由大到小依次是C、D、B、A。4實驗結果的提出及顯著性分析針對地質力學模型試驗中相似材料配比進行了研究,選擇IBSCM相似材料,運用正交試驗,設置了鐵礦粉與重晶石粉重量之和占骨料的百分比、鐵礦粉與重晶石粉的重量比、膠結劑濃度、石膏含量4個因素,每個因素設置3個水平,忽略4個因素之間各水平的聯(lián)合對材料的物理力學性質影響的交互作用。通過對小試塊的室內試驗結果進行極差分析得到了以下結論:(1)相似材料具有較高的容重,能夠較好地滿足圍巖重度相似比為1的巖體材料,簡化了模型與原型之間相似比的換算,體現(xiàn)了巖體自重應力場的影響。材料的壓拉比較好地模擬了實際巖體的脆性特征,材料的抗壓/拉強度和彈性模量較低,在模擬地應力時,可以減輕所加荷載,減少對加載設備的要求,同時參數(shù)值可以在一定范圍內進行調整,滿足模型試驗相似材