工程岩体物理模拟研究中实验材料的选择与应用 (1).pdf
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1、163.2.023May年5月GEOLOGIREVIEW评论质地No.3Vol.69第3 期第6 9 卷工程岩体物理模拟研究中实验材料的选择与应用WWW 6 52 0 1;2)河北省地震灾害防御与风险评价重点实验室,河北廊坊,0 6 52 0 1;3)应急管理部国家自然灾害防治研究院,地壳动力学重点实验室,北京,10 0 0 8 5;4)中国地质大学(北京)工程技术学院,北京,10 0 0 8 3内容提要:工程岩体物理模拟实验是岩体工程问题研究的重要方法,其中物理模型材料的选择对于实验成功与否至关重要。为了提高岩体物理模拟的选材效率及实验准确性,在总结前人大量工程岩体(边坡工程、地下工程和地基
2、工程)物理模拟研究进展的基础上,对不同类型的物理模拟模型材料应用情况进行综合分析。结果表明:传统相似材料模拟软岩骨料最常用的是河砂和石英砂,模拟硬岩骨料则是在河砂和石英砂的基础上进一步掺人重晶石粉用以调节级配及强度,胶结剂通常都是水泥、石膏或者两者混合的复合材料;新型相似材料的选用更多是根据所需解决的问题进行设计,常采用铁粉、熔融石英砂及陶瓷等作为骨料,高分子聚合物、酒精和松香等作为胶结剂。整体而言物理模拟实验材料的骨料粒径越大,强度也越大,但是相似模拟中不能使用粒径过大的骨料;材料的强度随着砂胶比的增大而减小。研究不同工程对象时还需根据其自身特点进行实验设计,在研究显著节理裂隙等对岩体破坏机
3、制的影响时,需掺加煤粉、云母碎、珍珠岩以及发泡剂等辅助材料,以控制试样的节理、微裂隙、结构面和孔洞等。笔者等对工程岩体物理模拟实验材料的分析综述可为相关工程岩体物理模拟研究提供实验参考。关键词:工程岩体;物理模拟;相似性准则;实验材料岩体是指由不同岩性的岩块和不同规模、不同类型的结构面组成的地质体(刘佑荣等,2 0 18)。在岩体表面或其内部进行任何工程活动,都须符合安全、经济和正常运营的原则。研究岩体工程施工、运营中的安全稳定性及其破坏模式是高边坡、地基及地下洞室等各类复杂岩体工程研究的重要任务,需要通过各种方法准确地预测工程岩体的变形,评价其稳定性(杨旭等,2 0 16;史新帅等,2 0
4、2 1)。目前,岩体工程问题研究主要采用数值模拟仿真和物理模拟实验等研究方法。其中,数值模拟仿真是利用有限元、有限差分以及离散元等数值模拟软件对具体工程进行模拟,可以直观地模拟裂纹扩展及岩体破坏过程,适合从细观力学角度研究岩体力学行为。但由于在处理复杂岩体工程问题时只能考虑理想的边界条件且设置了很多的假设和简化,在数值模型细观参数或物理力学参数的输人过程中存在太多主观性且只捕捉研究者规定的特定物理过程,从而难以真实、完整地反映工程岩体力学特性的变化规律(Paolaetal.,2 0 0 9;R e b e r e t a l.,2 0 2 0;刘绍兴等,2 0 2 1;杨兆中等,2 0 2 1
5、)。而物理模拟实验以模型与原型之间的物理量相似为基础,将实际工程按相似比缩放为物理模型,抓住工程岩体的主要问题,剔除无关紧要的影响因素,通过模型实验获得其物理力学参数间的关系及变化规律,从而获得对原型工程特性的认识。与数值模拟仿真相比,物理模拟实验给出的结果形象、直观,直击问题要害,能给人以更深刻的印象。物理模拟实验可以对岩体二维、三维甚至四维(时间)的变形进行模拟原位观察,可以较好地模拟复杂工程的施工工艺、荷载的作用方式及时间效应等,能研究工程的受力全过程,既注:本文为中央高校基本科研业务费专题研究重点项目(编号:ZY20215113)和国家自然科学基金资助项目(编号:418 0 7 2 7
6、 0)的成果。了:410 0 1H.J收稿日期:2 0 2 2-0 7-0 7;改回日期:2 0 2 2-0 9-10;网络首发:2 0 2 2-11-2 0;责任编辑:刘志强。Doi:10.16 50 9/j.g e o r e v i e w.2 0 2 2.11.0 11作者简介:苏占东,男,198 7 年生,副教授,主要从事构造应力场与断裂活动性以及岩土工程抗震方面的研究工作;Email:s z d c h r i s como1134质2023年论地评能直观地模拟复杂地质工程与工程岩体的组合关系,又能反映工程岩体的力学特性和破坏特征。此外,物理模拟实验不仅可以研究工程的正常受力状态,
7、还可以研究工程的极限荷载及破坏形态(陈陆望,2 0 0 6;王汉鹏等,2 0 0 6;Reberetal.,2 0 2 0)。对地质条件复杂的岩体工程开展物理模拟,特别是三维条件下的物理模拟,能够较真实地反映实际地质体的变形发展和破坏过程,具有重要的理论意义和实用价值(Anhdanetal.,2 0 0 5;陈陆望,2 0 0 6;赵洪宝等,2 0 16;谢晋谊等,2 0 17)。长期以来,物理模拟实验一直是解决复杂工程课题的重要手段,在岩土工程研究中已得到广泛应用(林韵梅,198 4;陈安敏等,2 0 0 4)。物理模拟实验的基础是相似理论,要求模型能够反映原型的主要特征和实际情况,确保模型
8、中的物理力学过程与原型中物理力学过程的相似性,其中相似材料的选择及其配比对模拟实验的成功与否起着关键性作用(王汉鹏等,2 0 0 6;ZhouChuanbo,2001)。针对具体岩体工程问题物理模拟设计,需首先对物理模拟实验材料进行大量的选和配比实验,这给岩体工程问题的物理模拟研究工作带来了极大的困扰和不便。因此,在调研工程岩体物理模拟相似材料应用研究现状和进展的基础上,以相似原则为基础,系统梳理分析工程岩体物理模拟中实验材料的选择和应用情况,以期为相关工程岩体物理模拟实验研究提供参考。1物理模拟实验材料的选用原则物理模拟研究中大多依据相似性理论将研究对象原型按相似比缩放到实验室环境中,其技术
9、关键在于模型与原型之间的相似性。相似理论是研究自然现象工程问题中个性与共性(或特殊与一般)的关系以及内部矛盾与外部条件之间关系的理论,正确地模拟工程岩体受力变形的物理过程和现象一般应遵从描述模型和原型中物理过程的方程相同、模型与原型的空间条件(几何尺度、边界条件等)相似以及模型与原型的时间条件相似等原则(Brown,1970;赵仕俊等,2 0 0 5;王汉鹏等,2 0 0 6;车平等,2007)。物理模拟研究根据合理的相似比,在实验室内即可模拟原位岩体的应力、变形、渗流等物理力学过程的相关特性及规律,可以弥补岩体工程中现场实测困难等诸多不足,已在土木、矿业和水利等学科得到了广泛应用。相似理论的
10、理论基础是相似三定理,其中相似第一定理可表述为“对相似的现象,其相似准则的数值相同”;相似第二定理,又称“元定理”,可表述为“设一物理系统有n个物理量,其中有k个物理量的量纲是相互独立的,那么这n个物理量可表示成相似准则(相似参数)1,2,n-之间的函数关系”;相似第三定理可以表述为“对于同一类物理现象,如果单值量相似,而且由单值量所组成的相似准则在数值上相等,则现象相似”(徐挺,198 2)。根据相似三定理,可以将岩体模拟的相似分析抽象为动力相似问题通过量纲分析法进行讨论,动力相似现象的物理量函数为:f=(o,o,P,t,p,L,E)=0(1)式中:一应力,8 一挠度,P一集中荷载,t一时间
11、,一摩擦系数,p一密度,L一任一线性长度,E一弹性模量。列出量纲矩阵并联立方程组求解,可得到动力相似问题的5个相似准则:E12LP(2)EL?tEII4LPl,=u由式(2)所示的动力相似问题的基本相似准则可以导出一系列相似准则。由模型的几何相似、时间相似、运动相似和材料相似等相似准则、原型和模型的平衡方程、几何方程、物理方程、应力边界条件和位移边界条件推导出岩体物理模型实验的相似关系(Zh o u Ch u a n b o,2 0 0 1;王凯等,2 0 16;张宁等,2 0 0 9):C。C。C.CeCs=1(3)C,C.C.CC。C。这里C。、CL、Cs、C。、C、C。、C,和Cu分别为
12、应力、几何、面力、体力、位移、应变、弹性模量和泊松比的相似常数,在岩体工程的相似模拟中,还需满足应变的相似常数为1,即要求物理模型与原型的应力应变关系和摩尔强度包络线相似(沈泰,2 0 0 1)。然而在许多岩体工程问题模拟中都很难做到各参数均满足相似关系所推导的理论值,只能在诸多材料配比中选择较为接近理论值的材料。部分工程问题可以依据具体工程性质,简化相似关系,比如在爆破振动的模拟中也可遵循Froude比例法,保持原型与模型的重力加速度之比为1,在实验中不必改变重力1135苏占东等体物理模拟研究中实验材料的选择与应用第3 期加速度数值,但须保持应力比例系数与密度比例系数、几何比例系数满足=pl
13、(穆朝民等2 0 12)。除此之外,进行物理模型实验时,出于简化模型和实际工程中各物理参数间换算的考虑,同时为了更真实地模拟自重应力场,应尽量让相似材料与实际岩体材料的容重相同,模型材料选用尚需遵循材料的物理、力学性能稳定且与原型岩体物理力学特性相似的原则,材料无毒无害、物美价廉等也是模型材料选择要考虑的原则(王汉鹏等,2 0 0 6;刘钦,2 0 11)2岩体工程问题物理模拟材料目前,岩体工程问题的研究主要集中于边坡工程、地下工程和地基工程(蔡美峰,2 0 0 2)。在岩体工程相关物理模拟实验设计中很难完全遵循相似准则,对不同工程的物理模型的简化和各物理参数间相似比的换算也有所不同。因此,为
14、了便于相关研究人员的对照参考,着重从上述三大岩体工程问题的研究现状进行总结分析。2.1边坡工程岩体物理模拟材料边坡是人类工程开挖形成的斜坡。与天然斜坡相比,工程边坡形成过程相对短暂,人类工程活动改变了原有斜坡的应力场,处理不当会诱发边坡岩体附加变形乃至破坏,甚至酿成灾害。边坡灾害类型与天然斜坡类似,主要有滑坡和崩塌两种(刘东燕,2013;任广丽等,2 0 2 1)。滑坡是地质灾害中最为常见的灾害类型,其中大型滑坡和巨型滑坡影响最为深远,尤其在我国的中西部地区,大型滑坡更是以其数量多、危害大、机制复杂以及防治困难等特点著称(宋娅芬等,2 0 15;刘金水,2 0 2 0;熊凯伟,2 0 2 0)
15、。对于研究边坡稳定性相关的物理模拟而言,模型材料及其配比选择首先要满足模型边坡与原型边坡抗剪强度指标(粘聚力、内摩擦角)的相似关系。一般情况下,模型材料的内摩擦角由骨料控制,模型材料的黏聚力由胶结物控制(刘东燕,2 0 13)。大型岩质斜坡渐进破坏模式表现为蠕滑、过渡和剪切,而剪切破坏阶段发生在对岩体稳定性起关键作用的锁固段部位(赵建军等,2 0 16;吴锦华等,2 0 19)。岩质滑坡中锁固段为岩体中沿潜在滑动面断续出现、与滑动面两侧岩体连为一体的部分,具有较大强度并控制着边坡稳定性,如岩桥、挡土墙和支撑拱等(秦四清等,2 0 10;Huang Da et al.,2 0 14)。T a n
16、 gHuiming等(2 0 15)认为锁固段的承载能力一方面取决于锁固段的尺度(在相似模型中可以采用锁固段与滑动面的相对比例控制),也取决于锁固段材料的强度。锁固段是分析许多边坡岩体渐进性破坏的关键,例如,在中国西南的重庆鸡尾山滑坡中,上部岩块的运动受到下部岩块(锁固段)的限制,为研究前缘端部岩桥的裂纹扩展规律和破坏特征,秦昌安等(2 0 19)模拟以灰岩为主的前缘锁固型端部岩桥时选用石英砂:水泥:石膏粉:水=6:3:3:2,以页岩为主的后缘蠕滑段软弱夹层时选用石英砂:水泥:石膏粉:水=1:0.5:1:1;唐鹏等(2 0 17)选用水泥、石膏和石英砂等材料构建物理模型对三段式滑坡进行定性化模
17、拟,通过调整配比(其中锁固段骨胶比0.56,蠕滑区骨胶比0.47)用以模拟岩质滑坡的后缘拉裂区、中部锁固段及边坡滑床及滑体受剪的变形特征。通常而言,对滑坡机理定性的研究,如果所构建模型不存在原型斜坡,则不用考虑滑坡几何相似比,一般选择采用常见的地质力学模型相似材料及配比进行模拟。除对滑坡破坏机理的研究外,大量学者还以滑坡类型、滑动成因等作为模拟目标,从多个方面进行实验设计,开展物理模拟实验。针对破碎岩体高速远程滑坡的特性,王玉峰等(2 0 14,2 0 16)综合考虑相似材料的密度、颗粒粒径及原型材料与模型材料外形相似等因素,利用不同粒径的石英颗粒模拟以花岗岩碎屑为主的滑坡堆积体,用以研究高速
18、远程滑坡裹气状态下的流态化特性;任占强等(2 0 2 1)在前述研究基础上更多的考虑了原型与模型重力加速度的相似及相似材料整体力学特性,以重晶石、石英砂、石膏、羧甲基纤维素钠和甘油等为选料(羧甲基纤维素钠的添加可有效提高模型的抗压强度、弹性模量、黏聚力及脆性,甘油则用以满足模型低弹模的特性),基于控制变量法,采用重石比7:3、骨胶比30:1、羧甲基纤维素钠含量1.0%o、拌合水量22.50%、甘油0.5%o作为基础工况,进行可破碎岩石模拟材料的配比实验,确定了适用于高速远程滑坡碎屑化过程模拟的低强度高脆性岩石相似材料的配比区间。对于降雨条件下滑坡变形演化机制的研究,实验材料的选取应更多考虑材料
19、本身的渗透系数,王如宾等(2 0 19)将黏土、河砂及碎石以2:2:1的比例混合制得滑坡模型。胡华等(2 0 2 1)利用不同含水率和密实度粘性土制作符合要求的花岗岩斜坡模型,此外部分学者还采用滑石粉、黏土、砂和水配制滑带模拟材料,用砂、黏土和水配制滑坡体模拟材料,用水泥、黏土、砂和水配制基岩模拟材料,用以模拟不同岩性的滑坡(袁智洪,2 0 18;张少龙,2022)。113620233年论质地评一定条件下,岩质边坡的振动台模型试验能够较为直观真实地反映边坡在动力作用下的响应规律及破坏过程(杨国香等,2 0 12)。该类振动台模型除要求几何尺寸满足原型相似比条件外,为使模型斜坡和原型斜坡的动力响
20、应和振动特性尽可能一致,还要求模型材料密度、振动加速度与原型相同。为研究地震作用下岩质斜坡动力累积损伤演化过程以及变形位移特征,董杉(2 0 2 0)选择采用重晶石、河砂、石膏及甘油等材料以骨胶比6:1的比例制作滑坡主体,将甘油、重晶石、粘土按一定比例制作结构面;许强等(2 0 0 9,2 0 10)将斜坡材料分为软岩、硬岩及土质3类,其中软岩和土质材料选用石英砂、重晶石粉、石膏及石蜡等材料压实成型,硬岩材料选用所需模拟的天然岩块材料,将其切割成小尺寸的砌块,使用粘土砌筑成形。此外,为研究地震滑坡的形成机制及岩质边坡的动力加速度响应特征,一些学者选择以重晶石粉、铁精粉以及石英砂为主料,石膏、松
21、香酒精溶液为黏结剂混合制成斜坡模型(图1),重晶石粉和铁精粉的掺加可有效提高模型平均密度,保证此类模型可更好地模拟原始边坡的重力场影响(董金玉等,2 0 11;叶海林等,2 0 12;耿晓阳等,2015),同时,部分学者为满足频率、加速度等动力问题相关的物理力学参数的相似性,在以高边坡地震响应为目标的振动台模拟中,所选用的相似材料砌块材料:重品石粉、石英砂、铁精粉、石膏、松香酒精溶液图1边坡模型破坏照片(据董金玉等,2 0 11修编)Fig.1 Photo of damaged slope model(modified afterDong Jinyuetal.,2011&)配比存在部分难以满足
22、静力物理模型相似条件的问题(杨国香等,2 0 12;董金玉等,2 0 13)。2.2地下工程岩体物理模拟材料地下工程岩体主要是指深人地面以下为开发利用地下空间和资源所涉及的工程岩体。地下工程一般具有密闭性强、安全可靠和经济合理等优点,但必然会面临各种岩体工程问题(王洛锋等,2 0 0 9;马玉,2019),与此相关的物理模拟研究主要围绕在地下储库、地下厂房、地下能源开采、巷道开挖等地下工程展开,此类物理模型相似材料及其配比的选取应首先考虑与所模拟地下工程原型容重的相似性,利用材料本身的重量模拟自重(林韵梅,198 4)。在地下能源储库的研究中,张桂民等(2 0 11,2 0 12)选择水泥、石
23、英砂、黄粘土和重晶石粉等实验材料,模拟研究倾角、夹层和界面对软硬互层盐岩变形破坏的影响规律,其中水泥是胶凝剂,重晶石粉和黄粘土是添加剂;同时为了模拟不同分层的工况,还选取石英砂、重晶石粉和水泥等作为模拟材料,制成如图2所示具有不同层面倾角(=0、6 0、90)的交互层状标准试样;任松等(2 0 11)针对盐岩的蠕变性质对于地下储库稳定性的影响,除考虑原型与模型几何、容重等相似性外,还单独考虑蠕变速率的相似比,采用工业盐颗粒为骨料,加人细盐粉末调节级配,粗细骨料比为6:4,以精铁粉、环氧树脂和乙二胺做黏合剂,其砂胶比为1:0.0 4。黄达等(2 0 10,2 0 11)以三峡工程右岸地下厂房岩体
24、为原型,通过反复实验确定模型材料的质量比为重晶石:石英砂:水泥:石膏:水=50:2 0:5:2:6。大多数地下工程都建造于节理岩体中,设计利用锚杆或锚索稳定裂隙岩体的物理模型并进行研究,可以得到解决裂隙岩体稳定性问题的有效方案(任伟中等,1997;程良奎,2 0 0 1;LiuShaoxingetal.,2020;魏辉球,2 0 2 1)。康天合等(2 0 0 4)在研究循环材料a(水泥:石英砂=1:0.5)材料b(水泥:石英砂:重晶石粉=1:2:3)图2 不同材料配制交互层状试样(据张桂民等,2 0 12)Fig.2 Preparation of interactive layered sp
25、ecimens fromdifferent materials(after Zhang Guimin et al.,2012&)1137苏占东等体物理模拟研究中实验材料的选择与应用第3 期荷载作用下层状节理岩体(煤、泥岩、砂质泥岩和砂岩)的锚固效果时,选用河砂、水泥和石膏,几何相似比取6:1(原型:模型)。辛亚军等(2 0 14)采用河沙与石蜡作为节理岩体模拟材料,按10:1进行岩体锚固工况的模拟,研究在同一应力(加载)水平下不同锚杆支护条件对岩石蠕变变形的影响。为研究不同锚固方式失效后对软弱围岩隧道承载能力的影响,冯冀蒙等(2 0 12)采用细砂模拟V级围岩,石膏作为初期支护,骨胶比最高可至
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