泥岩相似材料力学性能影响因素试验研究

李昌进，刘伊帅，李廷春，朱庆文，李志臣，王昭阳

（1.山东科技大学 山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东 青岛266590；2.莒县建设科技推广培训中心，山东 日照276500）

我国西北部地区煤炭资源储量丰富，但开采条 件十分复杂，主要原因是已开采的地层中存在着泥化弱胶结软岩，该类岩石强度低、胶结差且遇水泥化，给巷道支护造成了极大的困难[1-3]。针对泥岩地层巷道的支护难题，在实验室内开展泥岩巷道真三轴地质力学模型试验，是1 种行之有效的研究方法[4]。开展模型试验需要选择合适配比的相似材料，将相似材料填入模型试验台内，再进行加载[5]。关于相似材料的配比选择，詹志发[6]、夏雨[7]、李童悦[8]等均进行了相似材料的配比试验。选择好相似材料后，需要将相似材料分层填入模型试验台内，并层层压实[9]。在此过程中，成型压力、孔隙率、含水率、温度、砂胶比和密度都会影响相似材料的力学性能，柴敬等[10]、朱羽萌[11]、任大瑞等[12]、王鹏[13]等人分别选取了以上影响因素的一部分进行了试验研究并得出了有利于提高模型试验精度的结论；但除以上影响因素外，相似材料填料时的分层层数和压实次数也会改变相似材料的力学性能，同时，将下一层夯实后继续填料时，相似材料分层界面上已经风干，无法保持原有的胶结能力，如不采取相应的界面处理方式，同样会导致相似材料力学性能改变，最终影响模型试验的准确性。以上分层层数、压实次数和界面处理方式这3个因素对试验结果影响很大，但目前关于这些影响因素的研究很少。因此，为了指导泥岩地层巷道模型试验填料并提高试验精度，在现有的研究基础上，选取以黄沙、重晶石粉、石英砂为骨料，石膏为胶结材料的泥岩相似材料制作试件。在模型试验填料过程的3 个影响因素下利用相似材料试件进行单轴压缩和巴西劈裂试验，得到各影响因素下的相似材料力学性能参数。对各个影响因素下的力学性能参数的变化进行了分析，并建立了相似材料力学性质与填料过程影响因素之间的多元线性回归方程，来采取合理的措施保证模型试验精确有效的进行。

1 试验方案

1.1 相似材料的选择

依据相似理论，本次试验选取泥岩相似材料作为试验材料，其中黄沙、重晶石粉和石英砂为骨料，石膏为胶结材料，在准备相似材料时每组的总重要保证成功压制4 个单轴压缩试件和4 个巴西劈裂试件。相似材料具体参数及配比见表1。

表1 相似材料具体参数及配比Table 1 Specific parameters and ratio of similar material

1.2 试验方案设计

采用控制变量的研究方法，研究模型试验填料过程中分层层数、压实次数和界面处理方式3 个影响因素条件下相似材料试件力学性能的变化。共设计14 组试验，每组试验中单轴压缩试件和巴西劈裂试件均制作4 个。根据相关试验标准[14]，控制单轴压缩试件尺寸为φ50 mm×100 mm，巴西劈裂试件尺寸为φ50 mm×50 mm。

研究分层层数的影响时，分层层数取1、2、3、4、5 层，分层装料，将下层材料装入模具夯实，并对下层材料上表面进行粗糙处理，再将上层材料装入模具夯实，在夯实后将模具置于3 MPa 压力下将试件压制成型[9]。其中，分层层数为1 层的试件为1 次装料压制成型的完整试件。

研究压实次数的影响时，分2 层制作试件，将相似材料分2 次倒入模具内分别夯实，中间的分层界面上进行粗糙处理，夯实后将试件在3 MPa 压力下进行压制，压实次数取1、2、3、4、5 次。

研究界面处理方式的影响时，由于泥岩相似材料采用的胶结材料为石膏，石膏加入一定量的水才能实现其胶结能力。因此分别采取无处理、粗糙处理、喷洒水处理、做粗糙并喷洒水处理、喷洒均匀拌合10%浓度的石膏水处理和做粗糙并喷洒均匀拌合10%浓度的石膏水处理的方式对分层界面进行处理，其中水和石膏水每次用量皆为1.5 mL，试件分2 层制作。具体试验设计方案见表2。

表2 试验设计方案Table 2 Experimental design scheme

2 试验过程

首先分别称量出规定配比质量的黄沙、石英砂、重晶石粉和石膏粉，将称量好的原料加在一起，搅拌均匀，并装袋备用。取已搅拌均匀的相似材料，加入规定配比质量的水拌和均匀。为防止在试件压制过程中拌和好的相似材料水分蒸发，将拌和好的相似材料装在塑料瓶中，并拧紧瓶盖。利用电子天平称量出一定质量拌和好的相似材料，倒入模具内，初步夯实后，使用SANS 万能试验机，调节成型压力的峰值为3 MPa，以2 mm/min 的压实速度对相似材料进行压制。压力达到峰值后，取下模具并拆开，将压制成型的试件取出，在坐标纸上摆放规整，不同影响因素下制作完成的试件如图1。在室温下待各组试件完全干燥后，进行单轴压缩和巴西劈裂试验，试验破坏后的试件如图2。通过对数据进行处理和计算得到单轴抗压强度、弹性模量和抗拉强度。

图1 不同影响因素下制作完成的试件Fig.1 Completed specimens under different influencing factors

图2 试验破坏后的试件Fig.2 Specimen after test failure

3 试验结果分析

3.1 分层层数影响下相似材料力学性能的变化

3.1.1 规律分析

由试验结果绘制的单轴抗压强度σc、弹性模量E、抗拉强度σt与分层层数的关系曲线如图3。

图3 分层层数影响下相似材料力学性能的变化Fig.3 Changes of mechanical properties of similar material under the influence of the number of layers

由图3 可知，随着分层层数的增加，相似材料试件的σc、E、σt均减小，设分层层数为x，进行拟合得到关系式（表3）。分层层数增加至5 层时，相比于分层1 层的完整试件，材料的单轴抗压强度降低了23.80%，材料的弹性模量降低了32.20%，材料的抗拉强度降低了20.83%。

表3 分层层数x 与相似材料力学性能的拟合关系Table 3 The fitting relationship between the number of layers x and the mechanical properties of similar material

3.1.2 机理分析

在分层界面上，上下2 层之间存在结构面[15]。结构面上下两壁面间的接触与无分层的完整试件不同，其接触为点接触或局部接触[16]，即接触不完全。在相似材料试件制作时，尽管对分层界面进行粗糙处理，一定程度上打破了结构面效应，但结构面上下两壁面之间仍然属于不完全接触，因而会导致相似材料力学性能的下降。且分层越多，形成的结构面越多，则试件内部各分层界面接触更加不完全，层与层之间不连续性增加，相似材料的力学性能下降更为剧烈，且变形增大。

3.2 压实次数影响下相似材料力学性能的变化

3.2.1 规律分析

由试验结果绘制的单轴抗压强度σc、弹性模量E、抗拉强度σt与压实次数的关系曲线如图4。

图4 压实次数影响下相似材料力学性能的变化Fig.4 Changes of mechanical properties of similar material under the influence of compaction times

由如图4 可知，随压实次数的增加，相似材料试件的σc、E、σt均增大，设压实次数为y，进行拟合得到关系式（表4）。压实次数增加至5 次时，相比于压实次数为1 次时材料的单轴抗压强度提高了15.00%，材料的弹性模量提高了28.61%，材料的抗拉强度提高了6.76%。根据曲线的变化趋势，当压实次数增加到4 次后，试件的力学性能的增加幅度开始趋于平缓，而且压实次数为4 次时试件的单轴抗压强度、弹性模量和抗拉强度与完整试件最为接近。

表4 压实次数y 与相似材料力学性能的拟合关系Table 4 The fitting relationship between compaction times y and mechanical properties of similar material

3.2.2 机理分析

在重塑土制备过程中，压实功能越强，重塑土的密度越大[17]。因此，压实次数的增加会使得相似材料试件密实度提高、孔隙比变小，相应的力学性能也会提高[18]。

3.3 界面处理方式影响下相似材料力学性能的变化

3.3.1 规律分析

通过对无处理、粗糙处理、喷洒水处理、做粗糙并喷洒水处理、喷洒均匀拌合10%浓度的石膏水处理和做粗糙并喷洒均匀拌合10%浓度的石膏水处理条件下的相似材料试件进行单轴压缩试验和巴西劈裂试验，得到各个处理方式下的单轴抗压强度、弹性模量和抗拉强度，并与一次成型的完整试件的力学性能参数进行对比。根据试验结果，绘制的单轴抗压强度σc、弹性模量E 和抗拉强度σt与界面处理方式的关系曲线如图5。

图5 界面处理方式影响下相似材料力学性能的变化Fig.5 Changes of mechanical properties of similar material under the influence of interface treatment

由图5 可知，当界面处理方式依次为无处理、喷洒水处理、喷洒石膏水处理和粗糙处理、做粗糙并喷洒水处理、做粗糙并喷洒石膏水处理时，单轴抗压强度、弹性模量和抗拉强度均逐渐增大。相比于无处理的分层界面，做粗糙处理时相似材料力学性质提高明显，而且与喷洒水处理时比较接近。而相比于进行粗糙处理的分层界面，做粗糙并喷洒水处理时单轴抗压强度提高了4.80%，弹性模量提高了6.40%，抗拉强度提高了4.26%；做粗糙并喷洒石膏水处理时单轴抗压强度提高了14.25%，弹性模量提高了22.63%，抗拉强度提高了7.99%。

3.3.2 机理分析

在相似材料试件的制作过程中，水分的蒸发会使石膏与水的结合不够充分，水膏比减小，导致胶结能力降低[19]。在分层界面上，石膏的胶结能力下降会使两层间结构面效应加剧，通过喷洒水处理可以在一定程度上提高石膏的胶结能力，进一步，喷洒石膏水处理可以起到更好的效果。同时，对层间界面进行粗糙处理可以改善层间结构面的不连续性，使分层界面上的相似材料颗粒之间接触面积增大，在此基础上进行喷洒石膏水处理能更好的提高相似材料试件的力学性能。

4 多元回归分析

为了在模型试验填料时能够定量的对以上3 个影响因素进行选择与处理，采用多元回归分析的方法来建立相似材料力学性质和填料过程影响因素之间的关系[20]。

由于界面处理方式没有具体的数值，在进行分析之前，首先要对界面处理方式进行赋值，设界面处理方式的值为z。经过以上的试验分析可知做粗糙处理能够有效的提高相似材料的力学性质，为此选取以下界面处理方式进行赋值并分析，对界面处理方式z 的赋值见表5。

表5 对界面处理方式z 的赋值Table 5 Assignment of interface processing mode z

在前面的拟合分析中已经设分层层数为x，压实次数为y，经多元回归分析得到回归方程如下：

以上回归方程的相关性值分别为0.983 63、0.976 78 和0.994 08，可以看出，各个相关性值都比较接近1，回归方程的准确性比较高。通过以上三元一次方程，即可确定出相似材料力学性质与填料过程影响因素之间的定量关系。

5 结 论

1）在各分层界面间进行粗糙处理的条件下，分层层数由1 层增加至5 层，材料的单轴抗压强度、弹性模量和抗拉强度分别降低23.80%、32.20%、20.83%。分层增多会使试件内部结构面增多，层与层之间不连续性增加，相似材料的力学性能下降。

2）在各分层界面间进行粗糙处理的条件下，压实次数由1 次增加至5 次，材料的单轴抗压强度、弹性模量和抗拉强度分别提高了15.00%、28.61%、6.76%。当压实次数为4 次时试件的力学性能与完整试件最为接近，压实次数大于4 次后试件的力学性能增幅开始趋缓。

3）相比于进行粗糙处理的分层界面，喷洒均匀拌合10%浓度的石膏水处理时单轴抗压强度、弹性模量和抗拉强度分别提高了14.25%、22.63%、7.99%，此时试件强度与完整试件的强度最为接近。

4）建立了相似材料力学性质与填料过程的3 个影响因素的多元线性回归方程，可以在以上分析的基础上，定量的确定出分层层数、压实次数和界面处理方式三者的处理方式，以帮助减小模型试验填料过程的误差，保证模型试验相似材料的力学性质，进而提高模型试验精度。