Ⅳ级弱膨胀围岩相似材料的试验研究

杨军平，李盛南，樊永华，周立新，马　勇

(1.桂林理工大学广西岩土力学与工程重点实验室， 广西桂林541004；2.贺州市住房与城乡建设局， 广西贺州542800)



Ⅳ级弱膨胀围岩相似材料的试验研究

杨军平1,2，李盛南1，樊永华1，周立新1，马勇1

(1.桂林理工大学广西岩土力学与工程重点实验室， 广西桂林541004；2.贺州市住房与城乡建设局， 广西贺州542800)

摘要：为了研制Ⅳ级弱膨胀围岩的相似材料，选取河砂、黏土、膨润土和自来水为原料，利用正交试验设计方法，设计了一个L16(43)三因素四水平正交试验方案，并通过称重、直剪、自由膨胀率和干燥饱和吸水实验，得出了各配比的控制指标值，利用极差法分析影响各控制指标的主要因素；试验结果表明：相似材料正交试验的指标值变化范围很大，能够满足相似材料的各项指标要求；含水率是影响黏聚力、内摩擦角的主要因素，膨润土的含量是影响自由膨胀率和干燥饱和吸水率的主要因素。

关键词:相似材料;极差法;正交试验;配比

膨胀围岩隧道施工具有复杂的力学特性，特别是膨胀围岩遇水后岩体软化、承载力下降极容易造成工程事故[1-3]。目前，对膨胀围岩隧道施工的研究并不多，还没有成熟的理论可直接用于实际的工程，然而对膨胀围岩隧道的设计和施工只能靠经验主观估算，势必会造成经济浪费和安全隐患[4]。而运用相似模型试验能对实际原型的施工过程进行全面研究，得出的试验结果可以直接运用实际工程，所以相似模型试验是研究膨胀围岩隧道施工的一种有力工具[5]。模型试验要能准确反映原型的实际工程性态就必须满足相似原理，然而在相似理论基础上，正确配制相似材料是模型试验成功的关键因素。目前，已有一些学者对相似材料进行了研究，取得了一定的成果。武伯弢等[6]选用重晶石粉、石膏、细砂和水等材料成功研制了Ⅳ级围岩的相似材料；李宝富等[7]选用砂、石膏、碳酸钙和水研制出了低强度煤岩相似材料；孙琦等[8]运用砂、云母、石灰、石膏配制出了沈阳矿区煤层的相似材料；陈志敏[9]采用黄土、石英砂、水泥、石膏和自来水制作出了Ⅳ～Ⅵ级围岩隧道的相似材料；赖建英等[10]运用砂、膨润土、石灰和水等材料成功配出了具有膨胀性的围岩材料；胡畔等[11]运用膨润土加砂做原料得出了地下储备库的缓冲相似材料。然而还没有学者对隧道膨胀围岩的相似材料进行研究，对膨胀围岩的相似材料不能简单以非膨胀性的材料代替，而现今又没有相关研究成果可以借鉴，所以本文研究Ⅳ级弱膨胀围岩的相似材料对膨胀围岩隧道模型试验具有极其重要的实际意义。

1相似材料控制指标和原料的选取

1.1模型试验相似理论

表1　原型围岩与模型材料的物理力学参数

1.2试验原材料的选取

隧道膨胀围岩相似材料的选取应满足以下主要原则：①材料易得、廉价、来源广泛。②材料无毒容易浇筑成型。③改变材料配比模型控制指标值变化较大。④材料性质稳定，不受外界环境的影响。⑤相似材料均匀连续，各向同性。⑥混合材料之间不发生化学反应。试验以河砂和黏土为骨料、膨润土为胶结材料与自来水均匀拌合；其中河砂粒径0.25～0.5 mm的颗粒含量为40%，小于0.25 mm的颗粒含量为60%；黏土为粒径小于0.25的粉质黏土；膨润土为钠基膨润土，其主要指标为蒙脱石：80%～85%，膨胀容：25～50 mL/g,胶质价：≥99 mL/15 g，2 h吸水率：250%～350%，水为普通自来水。

2相似材料配比及试验过程

2.1正交试验方法

正交试验法是根据正交表来设计试验方案和分析试验结果，在多因素实验中可以大幅减少全面试验的次数，而又不降低试验的可靠度。正交试验设计中，因素和水平直接决定了正交试验表格和试验的可行性。本次试验设置三因素A、B、C分别代表砂土比(河砂与黏土的质量比)、骨胶比(河砂和黏土的总质量与膨润土的质量之比)、含水率(水的质量与混合颗粒总质量的比)，各因素设置四水平分别为3∶1、4∶1、5∶1、6∶1；2∶1、3∶1、5∶1、8∶1；6%、9%、12%、15%。L16(43)三因素四水平正交试验表各材料配比如表2。

2.2试样制作与试验

实验材料使用前均在烘箱内烘干24 h以上，连续3次称量材料质量没有变化为准。将材料按河砂、黏土、膨润土的先后顺序加入，人工拌合均匀后，向混合材料均匀喷水，喷水过程中不断搅拌，为防止混合材料结团后吸水不均匀，应将混合材料充分碾细，严格控制结团颗粒的大小。将混合材料在密封条件下常温养护24 h后，按正交表格的顺序制作不同配比的环刀试样，分别量取2倍环刀体积(截面面积30 cm2，高2.0 cm)的混合材料，装入环刀制样模具中，用千斤顶缓慢压实试样，制作过程参照《土工试验规程》。每组不同配比的混合材料制作8个环刀样，称重后取平均值计算重度，其中5个环刀样进行不固结不排水直剪试验，测定黏聚力和内摩擦角，3个环刀样进行干燥饱和吸水试验，具体实验过程见《水利水电工程岩石试验规程》。

3试验结果与分析

3.1试验结果总体分析

通过对16组不同配比的试验混合材料进行称重、直剪、自由膨胀率和干燥饱和吸水率试验，分别得到了各组材料的密度、黏聚力、内摩擦角、自由膨胀率和干燥饱和吸水率的试验结果汇总如表2。

表2　正交试验的材料配比及试验结果

对总体试验结果进行分析，可知以河砂和黏土为骨料，膨润土为胶凝材料配制出的相似材料，其控制指标变化范围较大，重度变化范围为17.7～22.8 kN/m3，黏聚力变化范围为16.7～96.4 kPa，内摩擦角的变化范围为16.9°～38°，自由膨胀率变化范围为42%～95%，干燥饱和吸水率的变化范围为19.3%～53%，基本包含了Ⅳ级弱膨胀围岩相似材料控制指标的变化范围。其中，第5组和第14组配比的砂土比、骨胶比、含水率分别为4∶1、8∶1、9%，6∶1、5∶1、12%时，均能满足Ⅳ级弱膨胀围岩各项指标要求，可直接作为相似材料用于模型试验。

3.2各影响因素敏感性分析

运用极差法对实验结果进行影响因素主次分析，通过简单计算得出各因素的极差，极差越大表示因素的水平变化对指标的影响越大，即此因素为该指标的主要影响因素。极差法分析的主要指标计算如下：

(1)

R=max{k1,k2,…,ki,…，}-min{k1,k2,…,ki,…，}，

(2)

其中，i为同一因素中的某一水平；N为同一因素中某一水平的指标值；Ki为某列上同一水平所对应的指标值之和；ki为某列上因素取i时所得指标和的算术平均值；n为任意列上各水平的水平数；R为极差。

3.2.1重度的正交试验结果分析

对正交试验结果中各因素对应水平的重度指标值之和、算术平均值和极差计算汇总见表3。从表3中可知：B因素的极差最大，C因素的极差其次，A因素的极差最小，各因素对重度指标的影响程度次序为B>C>A。

各因素对应水平对重度指标的影响趋势见图1。重度随骨胶比的增加而逐渐增加，原因是骨料的密度比膨胀润土的密度大很多，增加骨料的比例，等体积压入环刀的材料质量也就增加；重度随含水率的增加也逐渐增加，是因为水分子填充了混合料之间的孔隙，在体积不变的情况下密度也就自然增加了；砂土比对相似材料的重度影响较小，是因为砂颗粒较小，其密度和黏土的密度比较接近，故砂土比变化不会对重度产生较大的影响。

图1　各因素水平变化对重度的影响趋势Fig.1　The affecting trend of bulk densitywith change of the factor level

因素ABCK179.186.977.2K280.982.079.1K381.178.480.7K480.374.184.4k119.821.719.3k220.220.519.8k320.319.620.2k420.118.521.1极差0.53.21.3影响因素主次BCA

3.2.2黏聚力的正交试验结果分析

对正交试验结果中各因素对应水平的黏聚力指标值之和、算术平均值和极差计算汇总见表4.从表4中可知：C因素的极差最大，B因素的极差其次，A因素的极差最小，各因素对黏聚力的影响程度次序为C>B>A。

各因素对应水平对黏聚力指标的影响趋势见图2。黏聚力随含水率的增加而减小，是因为膨润土中80%以上都是蒙脱石，蒙脱石有很强的吸水能力，能与水分子在层间形成氢键，把水分子吸附在表面形成水层，随着水分子的增加水层变厚，所以导致蒙脱石对骨料的吸力下降，从而表现出黏聚力下降；黏聚力随骨胶比的增加而减小，原因是混合料的胶结力主要来自膨润土，骨胶比的增大减少了膨润土的含量，进而减小了黏聚力。

图2　各因素水平变化对黏聚力的影响趋势Fig.2　The affecting trend of cohesivestrength with change of the factor level

因素ABCK1202.8159.7333.3K2204.6201.5243.9K3213.3221.8159.7K4208.9246.692.7k150.739.983.3k251.250.461.0k353.355.539.9k452.261.723.2极差2.6021.860.1影响因素主次CBA

3.2.3内摩擦角的正交试验结果分析

对正交试验结果中各因素对应水平的内摩擦角指标值之和、算术平均值和极差计算汇总见表5。从表5中可知：C因素的极差最大，B因素的极差其次，A因素的极差最小，各因素对内摩擦角的影响程度次序为C>B>A。

各因素对应水平对内摩擦角的影响趋势见图3。内摩擦角随含水率的增加而减小，且减少的速率越来越大，原因是随含水率的增加，混合料之间的孔隙逐渐被水充满，水对颗粒之间起到润滑作用，减小了颗粒之间的摩擦力和咬合力。内摩擦角随骨胶比的增加先增大后减小，原因是混合材料中骨料颗粒的增加，增大了颗粒之间的嵌固咬合作用，但是随着砂土颗粒含量增加和胶结物含量减少达到一定程度时，接触处的黏结强度降低，导致内摩擦角减少。

图3　各因素水平变化对内摩擦角的影响趋势Fig.3　The affecting trend of frictionangle with change of the factor level

因素ABCK1117.1119.6134.2K2113.6123.7127.6K3111.3108.8115.3K4116107.180.8k129.329.933.6k228.430.931.9k327.827.228.8k42926.820.2极差1.54.113.4影响因素主次CBA

3.2.4自由膨胀率的正交试验结果分析

对正交试验结果中各因素对应水平的自由膨胀率的指标值之和、算术平均值和极差计算汇总见表6。从表6中可知：B因素的极差最大，A因素的极差其次，C因素的极差最小，各因素对自由膨胀率的影响程度次序为B>A>C。

各因素对应水平对自由膨胀率的影响趋势见图4。自由膨胀率随骨胶比的增加而迅速减小，主要原因是骨胶比的增加减少了膨润土含量，膨润土是混合材料中主要的膨胀性材料具有很强膨胀性，其充分吸水后能膨胀到原体积的8～30倍，减少膨润土含量必然会降低自由膨胀率；自由膨胀率随砂土比的增加而减低，原因是黏土干燥后也能吸水膨胀。由于，自由膨胀率试验是在烘干条件下进行的，所以混合材料的含水率对自由膨胀率几乎没有影响。

图4　各因素水平变化对自由膨胀率的影响趋势Fig.4　The affecting trend of free expansionrate with change of the factor level

因素ABCK1308.5184.5280K2290266278.5K3250.4316.5298K4247349.5260k177.146.170.0k272.566.569.6k362.679.174.5k461.887.465.0极差15.341.39.5影响因素主次BAC

3.2.5干燥饱和吸水的正交试验结果分析

对正交试验结果中各因素对应水平的干燥饱和吸水率的指标值之和、算术平均值和极差计算汇总见表7,从表7中可知：B因素的极差最大，A因素的极差其次，C因素的极差最小，各因素对干燥饱和吸水率的影响程度次序为B>A>C。

各因素对应水平对干燥饱和吸水率的影响趋势见图5。干燥饱和吸水率随骨胶比的增加而减小，主要原因是骨胶比的增加减少了膨润土含量，膨润土具有很强的吸水能力，能吸附8～15倍自身重量的水，所以减少膨润土的含量会降低干燥饱和吸水率；干燥饱和吸水率随砂土比的增加而减低，是因为黏土干燥后也能吸水。干燥饱和吸水率试验也是在烘干条件下进行的，所以混合材料的含水率对干燥饱和吸水率几乎没有影响。

图5　各因素水平变化对干燥饱和吸水的影响趋势Fig.5　The affecting trend of dry saturated waterabsorptivity with change of the factor level

因素ABCK1151.582.2131.3K2144.8123.4135.5K3138.0146.0146.8K4110.8193.5131.5k137.920.632.8k236.230.933.9k334.536.536.7k427.748.432.9极差10.227.83.9影响因素主次BAC

4结语

①各因素的水平变化对相似材料控制指标影响不同。砂和黏土的含量是影响重度的主要因素，含水率是影响黏聚力和内摩擦角的主要因素，膨润土的含量是影响自由膨胀率和干燥饱和吸水率的主要因素。

②膨润土作为胶凝材料，配制出的围岩材料具有膨胀性，且可调节膨胀性范围较大，是研制膨胀围岩相似材料的良好原材料。

③随含水率增加膨胀围岩相似材料的黏聚力和内摩擦角都减小，这与实际中膨胀围岩的性质十分吻合，表明研制的相似材料具有可行性。

④改变相似材料的配比，其物理力学指标变化很大，可以根据其影响规律配制出不同性质的膨胀围岩相似材料，为选取模型试验的相似材料提供参考依据。

参考文献：

[1]LEE C F, WANG S J, YANG Z F.Geotechnical aspects of rock tunneling in China[J]. Tunneling and Underground Space Technology,1996,11(4):445-454.

[2]MADSEN F T.Suggested methods for laboratory testing of swelling rocks[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mineral Sciences,1999,36(3):291-306.

[3]LIM T T, RAHARDJO H,CHANG M F, et al.Effect of rainfall on matric suction in a residual soil slope[J]. Canadian Geotech J,1996,33(2):618-628.

[4]刘善华,蒋 庆,王英学.基于正交试验的隧道洞口缓冲结构参数优化[J]. 广西大学学报(自然科学版),2013,38(1):86-90.

[5]胡指南,谢永利,来弘鹏.大型沉管隧道模型试验相似材料研究[J]. 现代隧道技术,2015,52(1):114-118.

[6]武伯弢,朱合华,徐前卫,等.IV 级软弱围岩相似材料的试验研究[J]. 岩土力学学报,2013,34(1):109-116.

[7]李宝富,任永康,齐利伟,等.煤岩体的低强度相似材料正交配比试验研究[J]. 煤炭工程,2011,58(4):93-95.

[8]孙琦,张向东,杨逾,等.公路下充填开采的相似材料及数值模拟研究.[J]. 广西大学学报(自然科学版),2011,36(4):635-639.

[9]陈志敏,冯亚松,刘德学,等.软岩隧道Ⅳ～Ⅵ级围岩相似材料正交试验研究[J]. 兰州交通大学学报,2015,34(1);12-16.

[10]赖建英,刁心宏.基于正交设计的膨胀岩相似材料试验研究[J]. 兰州理工大学学报,2014,40(4):131-135.

[11]胡畔,杨庆.膨润土加砂混合物膨胀特征试验研究[J]. 岩土力学学报,2012,33(2):453-458.

[12]刘礼成.南昆线那厘一百色段膨胀岩工程地质特征及设计施工意见[J]. 铁道标准设计,1996(1):13-14.

(责任编辑唐汉民梁碧芬)

Experimental study on material similar to class Ⅳ weak expansive surrounding rock

YANG Jun-ping1,2， LI Sheng-nan1， FAN Yong-hua1， ZHOU Li-xin1， MA Yong1

(1.Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering,Guilin University of Technology,

Guilin 541004,China; 2.Hezhou Housing and Urban-Rural Development Bureau, Hezhou 542800,China)

Abstract:To develop a similar material for class Ⅳ weak expansive surrounding rock, river sand, clay, bentonite and tap water were used to produce the material. AL16(43) three-factor-and-four-level multiple test program was designed to conduct the research in accordance with the orthogonal experimental design method. Moreover, the control index of the material under different mixture ratios were obtained by weighing, direct shear test, free swelling rate test and dry saturated water absorptivity test. The key factor that affected the control index was analyzed using the extremum difference method. The results indicate that the index of the similar material under orthogonal experiment changes largely and meet the needs for the material. The moisture capacity is the major factor influencing the cohesion and internal friction angle, and the content of bentoment is the principle factor influencing the free swelling rate and dry saturated water absorptivity rate.

Key words:similar material;extremum difference analysis;orthogonal experimental;proportion

中图分类号：TU452

文献标识码：A

文章编号：1001-7445(2016)01-0163-07

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0163

通讯作者：杨军平(1971—),男，湖南永州人，桂林理工大学副教授；E-mail:392696281@qq.com。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51368014)

收稿日期：2015-11-11；

修订日期：2015-12-11

引文格式：杨军平，李盛南，樊永华,等.Ⅳ级弱膨胀围岩相似材料的试验研究[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(1)：163-169.