层次分析法在土质相似材料正交试验中的应用

基于正交试验法,以骨胶比、洗膏比、重晶石粉含量、膨润土掺量、含水量为因素,对软弱土质相似材料进行了配比试验。每种因素设置5个水平,设计了25组材料配比,获得了不同配比相似材料的密度、粘聚力和内摩擦角等指标,采用极差分析法和层次分析法(AHP)分析了各因素对相似材料参数的影响。结果表明:不同配比的相似材料各参数指标分布范围较大,能够满足大部分土质材料模型试验的要求;层次分析法与极差分析法结果存在区别。试验结果为类似模型试验土质相似材料的配制提供了参考。     

透明岩体相似物理模拟试验新方法研究

在传统岩土工程模型试验中,物理模型通常由不透明材料制备而成,变形的直接观测仅限于模型表面,而模型内部变形只能通过局部的、间接的方法进行有限观测,致使全面细致的岩体变形破裂过程及其复杂力学行为研究受到很大局限。借鉴已有一定研究基础的透明土试验的思路与方法,以软岩相似物理模拟为突破口,针对透明相似材料的透明度、强度、相似性和变形量测等几个关键难题,系统研发了透明岩体模型的制作方法、试验加载系统、数字散斑照相量测等关键技术。通过透明岩体基本物理力学实验和相似物理模型试验研究,1提出了透明岩体试样的制备方法,获得了试样透明度较为理想的硅粉、液体石蜡以及正十三烷的配比参数,研制了一种适合模拟软岩物理力学性质与变形破裂特征的透明相似物理试验材料。2通过透明岩体试样内置人工测点和散斑面,分别采用激光切面和白光照射,提出了两种较为有效的透明岩体内部变形的数字照相观测方法。3建立了透明岩体相似物理模拟试验新方法,包括透明岩体组成材料的选择、试样制作的材料配比、制作过程要素控制、模型内测点和散斑面设置、数字照相量测以及配套加载物理试验系统等。     

湿陷性黄土模型试验相似材料的研制

湿陷性黄土模型试验相似材料一直是地质力学模型试验相似材料研究的瓶颈,限制着湿陷性黄土地区模型试验的应用。采用空中自由下落法,通过大量配比试验,成功研制湿陷性黄土模型试验相似材料,该材料选用重晶石粉和砂作为无黏性材料,工业盐、石膏和膨润土作为黏结性材料,加水均匀拌合,润湿24 h后采用空中自由下落法制成试样,50℃恒温条件下烘干试样,模拟风成黄土的沉积方式和形成条件。通过湿陷试验,得到该相似材料具有和天然湿陷性黄土相似的湿陷特征,浸水产生强烈湿陷;通过直剪试验,得到该材料的强度参数也与天然黄土相似,而且可调节的容重范围广,是一种比较理想的湿陷性黄土模型试验相似材料。     

多元地球物理综合探测模型试验相似材料的研制

研制地球物理模型相似材料是地球物理探测模型试验成功的关键问题。针对地震波场、电磁场与直流电场多场相似的难题,应用多元地球物理场相似性原理,通过正交配比试验,研发了一种多元地球物理场综合模型试验相似材料。该材料以粉质黏土、碎石为骨料,以水泥为胶结剂,材料波速为236~1 260 m/s,电阻率为27.2~342.8Ω·m。通过正交试验发现影响试件波速的各因素主次顺序为压实度>含水率>水泥/黏土>碎石/黏土,影响试件电阻率的各因素主次顺序为含水率>压实度>碎石/黏土>水泥/黏土,影响综合地球物理相似材料波速与电阻率显著的两个因素为压实度与含水率。最后,开展隧道施工综合地球物理超前探测模型试验,得到具体模型试验要求的相似材料配比。TRT偏移图像上的强反射界面,电阻率反演图像上的低电阻率异常区域,与工程现场探测实例具有类似的异常体响应特征,综合探测结果与实际模型异常体位置较为一致,表明研发的相似材料能满足模拟综合地球物理场探测的需要。     

磁性岩土相似材料物理力学性能试验研究

地质力学磁力模型试验能够模拟实际工程中的复杂情况,从而确定现场中难以确定的问题。而磁性岩土相似材料与原型材料的力学性能参数是否相似,是地质力学磁力模型试验是否可靠的重要因素,为了保证模型试验结果的可靠性,需要对磁性岩土相似材料进行试验研究。由于岩土中岩体与结构面力学性能相差很大,将岩土相似材料分为岩体相似材料与结构面相似材料分别研究,选取铁粉、石英砂、粘土为岩体磁性相似材料,选取铁粉、重晶石粉、石膏为结构面相似材料。测量相似材料的密度、抗压强度、弹性模量、粘聚力、内摩擦角、泊松比等力学性能参数,研究材料含量与物理力学性能变化之间的规律,为地质力学磁力模型试验提供指导。     

流–固两相场隧道衬砌相似材料的研制与模型试验

为解决流–固两相场隧道衬砌设计中材料模拟及参数测定的难题,开展石英砂、钢纤维为骨料,工业石蜡为黏结剂的相似材料研制,进行优化材料配比、装模温度及荷载效应测定的正交模型试验。试验表明该相似材料制备的结构模型非亲水性好、快速成型、无需养护、廉价可循环利用、制备方便,污染小、性能稳定,是一种非常适合于流–固两相场隧道衬砌的模型相似材料。在1∶100相似比试验条件下,控制装模温度在62℃,按石蜡∶石英砂∶钢纤维=15∶90∶1的基准配比,可研制出满足流–固耦合两相场隧道围岩边界条件,且破坏模式相似的衬砌相似材料。将相似衬砌应用于模型试验,通过与实际工况对比,得到合理范围的内力变化及破坏规律,满足力学参数相似原则。该相似试验的参数测定方法可为工程设计的参数对比提供选择。     

隧道施工过程大比尺模型试验系统的研制及应用

 为研究隧道不同开挖方法的施工力学过程,研制大比尺三维模型试验系统,该系统最大外部尺寸为5.2 m×4.5 m×2.7 m(宽×高×厚),结构合理,可任意拆卸,组合拼装,自动液压控制系统具有压力高、保压时间长、可进行稳步梯级加载等特点,能够满足各类地下工程的三维和平面地质力学模型试验的要求。在既有地质力学相似材料的基础上,通过大量的不同材料配比及其力学参数测试,获得满足V级软弱围岩的相似材料配比。基于此开展铁路隧道施工过程的大比尺三维地质力学模型试验,真实模拟隧道在开挖和支护过程中不断变化的力学过程。试验结果表明,该系统稳定可靠,可广泛应用于其他地下工程的地质力学模型试验研究,其研究方法技术及所得结果对类似工程研究具有一定的借鉴和指导意义。     

新型固流耦合相似材料的研制及其应用

 在固体模型材料研究的基础上,应用固流耦合相似理论,通过大量的配比试验,研制出一种新型的固流耦合相似材料(PSTO),这种材料用砂和滑石粉作为骨料,石蜡作为胶结剂,并配以适量调节剂混合而成。通过大量的室内试验,系统研究不同相似材料配比和装模温度对试件性能的影响规律,得到影响相似材料性质的若干因素。该材料的力学特性与岩石性质相似,且在水的作用下不发生软化,非亲水性良好,可模拟不同渗透性的低强度和中等强度的岩体材料,是一种非常理想的固流耦合相似模拟材料。将该材料应用于隧道涌水模型试验,可有效地揭示了位移、应力、渗压等多场信息的变化规律。     

基于爆破损伤的Hoek-Brown强度准则修正

传统隧道围岩分级方法未考虑爆破损伤因素对围岩分级的影响,爆破作为隧道主要开挖方法,其产生的岩体损伤对岩体分级评判标准的影响不可忽略。笔者分析了基于Hoek-Brown强度准则的岩体力学参数取值方法,指出了Hoek-Brown强度准则和现有改进公式中确定岩体参数存在的不足。考虑爆破累积损伤效应,提出了不同围岩级别下Hoek-Brown经验常数m_b、s、a的计算方法,建立了考虑隧道埋深与爆破累积损伤效应的不同围岩级别的Hoek-Brown强度准则经验常数计算公式。以龙南隧道1号斜井爆破现场试验得到的声波变化率对修正公式进行了检验分析,验证了Hoek-Brown强度准则岩体经验常数修正公式的准确性。     

灰岩特性之小比尺模拟试验研究

在总结灰岩相似材料特性研究现状的基础上,借鉴前人的经验,通过大量的配比试验,利用重晶石粉、膨润土、石蜡油为主要材料,对小比尺模型试验中灰岩特性进行了模拟,对其力学特性进行了测试,并且探讨了各材料含量对相似材料试件力学性质指标的影响。材料的力学试验表明,提出的相似材料配比范围,试验得出的力学参数范围及破坏特征符合实际,证明该相似配比范围满足小比尺模型试验的要求,具有一定的借鉴意义。     

断层破碎带隧道突水突泥模型试验系统研制与应用

为研究吉莲高速永莲隧道扰动作用下突水突泥灾变演化过程及破坏特征,以F2断层破碎带为研究对象,研制大型三维地质模型试验系统,该系统由模型架、地应力加载系统、水压加载系统以及信息监测系统组成,通过材料配比试验及物理力学性能参数测试,研制出适用于流–固耦合模型试验的新型断层围岩及正常围岩相似材料。采用该系统进行模型试验,揭示正常围岩开挖过程中及揭露断层后的隧道围岩渗流压力、应力应变、位移以及涌出物等特征参数的变化规律,模型试验结果与实际工程灾变特征具有较好一致性。试验结果表明该系统稳定可靠,可广泛应用于其它地下工程的模型试验研究,其研究方法及结果对类似工程研究具有一定的指导和借鉴意义。     

采矿工程相似材料及模型试验研究

根据某矿工程地质条件,选用河砂、石灰和石膏为相似材料,进行了相似材料力学性质配比实验和平面物理模型试验。研究结果表明：所用相似材料能够反映原型材料力学性质;平面模型试验再现了综放工作面覆岩运动和破坏的情景,覆岩冒落过程与工程实际相符较好。     

白砂岩相似材料配比试验及特性分析

岩爆已成为隧道工程中的常见灾害,物理模型试验是模拟和解决岩爆问题的一种有效科学手段。制作物理模型,材料选取和配比是关键。选取成昆铁路峨米段月直山隧道白砂岩为模拟对象配制白砂岩相似材料,引入弹性能指数、脆性指数和剩余弹性能指数,采用正交设计法配比相似材料,结合影响因素敏感性分析法对试验结果进行分析研究。以石英砂、铁粉、石膏、水泥、缓凝剂和减水剂为主要材料,选取石英砂含量、铁粉含量、石膏水泥比和砂子粒径4个影响因素,每个因素设定4个设计水平,一共16组配比方案。测定每组试验方案材料的单轴抗压强度、抗拉强度、弹性模量、弹性能指数、脆性指数和剩余弹性能指数,对比分析这些指数随着4个影响因素的变化规律。最终挑选出合理的材料配比方案,得到满足要求的白砂岩相似材料。试验结果表明：基于弹性能指数、脆性指数和剩余弹性能指数,配制出的材料能够满足白砂岩相似材料模型试验的要求;以水泥作为胶结材料可以使相似材料峰后曲线变缓,有效增加材料储能能力;预配制出中等强度岩爆倾向性白砂岩相似材料的关键是要合理地控制好石英砂的含量和石膏水泥比两个因素,再根据实际情况调节铁粉含量和石英砂粒径大小。     

圆形洞室围岩破坏模式模型试验研究

 为系统研究连续介质条件下隧道围岩的破坏模式和规律,采用模型试验,针对黏性材料和砂性材料2种典型地质材料进行研究。黏性材料由重晶石、石英砂和凡士林按一定配比组成,砂性材料考虑单一石英砂材料和石英砂与重晶石混合2种形式。利用压力盒、位移计、非接触监测系统等监测隧道开挖、加载过程中围岩应力和变形情况。对黏性材料而言,在逐级加载过程中表现出先洞室两侧剪切滑移,后拱顶塌落的二次破坏模式,通过位移和应力的监测可知,随着外部荷载的增大,洞室上方塑性区范围增加,而进入塑性状态后,围岩变形速率加快。对砂性材料而言,单一石英砂材料在开挖后围岩不具有自稳能力;而采用石英砂和重晶石混合后的材料,由于颗粒级配较好,材料具有一定的自锁能力,洞室开挖后可以保持稳定,随着逐级加载,洞室顶部首先出现二次抛物线型塌落拱,然后拱脚位置向洞室两侧移动,当其发展到水平中轴线处达到稳定,此时塌落拱滑裂面与普氏拱理论类似。模型试验揭示连续介质条件下隧道围岩的破坏模式,对隧道支护参数的确定具有重要意义。     

地下工程流–固耦合模型试验新型相似材料的研制及应用

 依托青岛胶州湾海底隧道的现场勘探资料,应用地质力学模型试验的流–固耦合相似理论,通过大量的配比试验,研制出一种由砂、重晶石粉、滑石粉、水泥、凡士林、硅油和适量拌合水组成的新型流–固耦合相似材料(SCVO)。通过大量的室内试验,系统地研究不同配比对材料参数的影响规律,确定控制相似材料各性能的主要组分。试验表明,材料的强度和弹性模量主要由水泥和凡士林控制;黏聚力受凡士林影响明显;渗透系数可以通过凡士林和硅油的比例调节;硅油还可以起到保水、提高材料密实度的作用。材料的变形特性和水理特性由不同的成分控制,且相互间影响很小,实现材料性质的全面调控。该材料可以模拟不同渗透性的低强度和中等强度的岩体材料,是一种非常理想的流–固耦合相似模拟材料。并已成功应用于青岛胶州湾海底隧道的地质力学模型试验研究中,力学性能和水理特性均达到试验要求,为试验取得良好结果提供材料保证。     

砂岩相似材料制作方法研究

利用正交试验设计法设计多组试验,并利用磁铁矿精矿粉、石英砂、石膏、水泥等组成的混合物制作岩石相似材料。对影响相似材料的四种因素,包括骨料的比例、骨料中成分间的比例、胶结物中成分间的比例以及掺水率,与其物理性质、力学性质参数之间的关系及影响程度进行了分析。结果显示,可以通过提高骨料的比例和骨料中磁铁矿精矿粉的比例来提高相似材料密度。在提高相似材料单轴抗压强度方面,可以通过提高胶结物中水泥的比例来实现。相似材料粘聚力的变化与骨料的比例的变化以及掺水率的变化呈反相关。内摩擦角的变化主要受到掺水率的影响。     

可用于造腔试验的型盐相似材料研究

用相似理论推导盐岩力学特性相似模型,得到力学参数的相似判据。以重庆北碚盐矿作为相似材料主料,考虑压制力、盐粉含水率、盐粉粒径、盐粉不溶物含量4个影响因素,开展型盐材料配比试验。结果发现：北碚天然盐粉16目粒径,在105～110 ℃烘箱中烘干24 h,100 MPa的压制力,并保压30 min,制备出来的型盐其单轴力学性质与金坛盐岩相似,且满足相似模型的要求。用最佳配比制备型盐,研究其在常温时上溶、侧溶的溶解特性,及60 ℃,70 ℃,80 ℃时侧溶的溶解特性。结果表明：型盐在上溶、侧溶时,其溶解速率都比天然盐岩小,分别为天然盐岩溶解速率的0.75,0.81倍;在溶液温度60 ℃,70 ℃,80 ℃的情况下,其溶解速率同样比天然盐岩小,分别为天然盐岩溶解速率的0.88,0.74,0.78倍。该相似材料配比可用于制备大尺寸型盐来模拟盐岩造腔全过程,对造腔模拟研究具有重要作用。