楊軍平，李盛南，樊永華，周立新，馬　勇

(1.桂林理工大學廣西巖土力學與工程重點實驗室， 廣西桂林541004；2.賀州市住房與城鄉(xiāng)建設局， 廣西賀州542800)

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Ⅳ級弱膨脹圍巖相似材料的試驗研究

楊軍平1,2，李盛南1，樊永華1，周立新1，馬勇1

(1.桂林理工大學廣西巖土力學與工程重點實驗室， 廣西桂林541004；2.賀州市住房與城鄉(xiāng)建設局， 廣西賀州542800)

摘要：為了研制Ⅳ級弱膨脹圍巖的相似材料，選取河砂、黏土、膨潤土和自來水為原料，利用正交試驗設計方法，設計了一個L16(43)三因素四水平正交試驗方案，并通過稱重、直剪、自由膨脹率和干燥飽和吸水實驗，得出了各配比的控制指標值，利用極差法分析影響各控制指標的主要因素；試驗結果表明：相似材料正交試驗的指標值變化范圍很大，能夠滿足相似材料的各項指標要求；含水率是影響?zhàn)ぞ哿?、內摩擦角的主要因素，膨潤土的含量是影響自由膨脹率和干燥飽和吸水率的主要因素?/p>

關鍵詞:相似材料;極差法;正交試驗;配比

膨脹圍巖隧道施工具有復雜的力學特性，特別是膨脹圍巖遇水后巖體軟化、承載力下降極容易造成工程事故[1-3]。目前，對膨脹圍巖隧道施工的研究并不多，還沒有成熟的理論可直接用于實際的工程，然而對膨脹圍巖隧道的設計和施工只能靠經驗主觀估算，勢必會造成經濟浪費和安全隱患[4]。而運用相似模型試驗能對實際原型的施工過程進行全面研究，得出的試驗結果可以直接運用實際工程，所以相似模型試驗是研究膨脹圍巖隧道施工的一種有力工具[5]。模型試驗要能準確反映原型的實際工程性態(tài)就必須滿足相似原理，然而在相似理論基礎上，正確配制相似材料是模型試驗成功的關鍵因素。目前，已有一些學者對相似材料進行了研究，取得了一定的成果。武伯弢等[6]選用重晶石粉、石膏、細砂和水等材料成功研制了Ⅳ級圍巖的相似材料；李寶富等[7]選用砂、石膏、碳酸鈣和水研制出了低強度煤巖相似材料；孫琦等[8]運用砂、云母、石灰、石膏配制出了沈陽礦區(qū)煤層的相似材料；陳志敏[9]采用黃土、石英砂、水泥、石膏和自來水制作出了Ⅳ～Ⅵ級圍巖隧道的相似材料；賴建英等[10]運用砂、膨潤土、石灰和水等材料成功配出了具有膨脹性的圍巖材料；胡畔等[11]運用膨潤土加砂做原料得出了地下儲備庫的緩沖相似材料。然而還沒有學者對隧道膨脹圍巖的相似材料進行研究，對膨脹圍巖的相似材料不能簡單以非膨脹性的材料代替，而現(xiàn)今又沒有相關研究成果可以借鑒，所以本文研究Ⅳ級弱膨脹圍巖的相似材料對膨脹圍巖隧道模型試驗具有極其重要的實際意義。

1相似材料控制指標和原料的選取

1.1模型試驗相似理論

表1　原型圍巖與模型材料的物理力學參數

1.2試驗原材料的選取

隧道膨脹圍巖相似材料的選取應滿足以下主要原則：①材料易得、廉價、來源廣泛。②材料無毒容易澆筑成型。③改變材料配比模型控制指標值變化較大。④材料性質穩(wěn)定，不受外界環(huán)境的影響。⑤相似材料均勻連續(xù)，各向同性。⑥混合材料之間不發(fā)生化學反應。試驗以河砂和黏土為骨料、膨潤土為膠結材料與自來水均勻拌合；其中河砂粒徑0.25～0.5 mm的顆粒含量為40%，小于0.25 mm的顆粒含量為60%；黏土為粒徑小于0.25的粉質黏土；膨潤土為鈉基膨潤土，其主要指標為蒙脫石：80%～85%，膨脹容：25～50 mL/g,膠質價：≥99 mL/15 g，2 h吸水率：250%～350%，水為普通自來水。

2相似材料配比及試驗過程

2.1正交試驗方法

正交試驗法是根據正交表來設計試驗方案和分析試驗結果，在多因素實驗中可以大幅減少全面試驗的次數，而又不降低試驗的可靠度。正交試驗設計中，因素和水平直接決定了正交試驗表格和試驗的可行性。本次試驗設置三因素A、B、C分別代表砂土比(河砂與黏土的質量比)、骨膠比(河砂和黏土的總質量與膨潤土的質量之比)、含水率(水的質量與混合顆?？傎|量的比)，各因素設置四水平分別為3∶1、4∶1、5∶1、6∶1；2∶1、3∶1、5∶1、8∶1；6%、9%、12%、15%。L16(43)三因素四水平正交試驗表各材料配比如表2。

2.2試樣制作與試驗

實驗材料使用前均在烘箱內烘干24 h以上，連續(xù)3次稱量材料質量沒有變化為準。將材料按河砂、黏土、膨潤土的先后順序加入，人工拌合均勻后，向混合材料均勻噴水，噴水過程中不斷攪拌，為防止混合材料結團后吸水不均勻，應將混合材料充分碾細，嚴格控制結團顆粒的大小。將混合材料在密封條件下常溫養(yǎng)護24 h后，按正交表格的順序制作不同配比的環(huán)刀試樣，分別量取2倍環(huán)刀體積(截面面積30 cm2，高2.0 cm)的混合材料，裝入環(huán)刀制樣模具中，用千斤頂緩慢壓實試樣，制作過程參照《土工試驗規(guī)程》。每組不同配比的混合材料制作8個環(huán)刀樣，稱重后取平均值計算重度，其中5個環(huán)刀樣進行不固結不排水直剪試驗，測定黏聚力和內摩擦角，3個環(huán)刀樣進行干燥飽和吸水試驗，具體實驗過程見《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》。

3試驗結果與分析

3.1試驗結果總體分析

通過對16組不同配比的試驗混合材料進行稱重、直剪、自由膨脹率和干燥飽和吸水率試驗，分別得到了各組材料的密度、黏聚力、內摩擦角、自由膨脹率和干燥飽和吸水率的試驗結果匯總如表2。

表2　正交試驗的材料配比及試驗結果

對總體試驗結果進行分析，可知以河砂和黏土為骨料，膨潤土為膠凝材料配制出的相似材料，其控制指標變化范圍較大，重度變化范圍為17.7～22.8 kN/m3，黏聚力變化范圍為16.7～96.4 kPa，內摩擦角的變化范圍為16.9°～38°，自由膨脹率變化范圍為42%～95%，干燥飽和吸水率的變化范圍為19.3%～53%，基本包含了Ⅳ級弱膨脹圍巖相似材料控制指標的變化范圍。其中，第5組和第14組配比的砂土比、骨膠比、含水率分別為4∶1、8∶1、9%，6∶1、5∶1、12%時，均能滿足Ⅳ級弱膨脹圍巖各項指標要求，可直接作為相似材料用于模型試驗。

3.2各影響因素敏感性分析

運用極差法對實驗結果進行影響因素主次分析，通過簡單計算得出各因素的極差，極差越大表示因素的水平變化對指標的影響越大，即此因素為該指標的主要影響因素。極差法分析的主要指標計算如下：

(1)

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

(2)

其中，i為同一因素中的某一水平；N為同一因素中某一水平的指標值；Ki為某列上同一水平所對應的指標值之和；ki為某列上因素取i時所得指標和的算術平均值；n為任意列上各水平的水平數；R為極差。

3.2.1重度的正交試驗結果分析

對正交試驗結果中各因素對應水平的重度指標值之和、算術平均值和極差計算匯總見表3。從表3中可知：B因素的極差最大，C因素的極差其次，A因素的極差最小，各因素對重度指標的影響程度次序為B>C>A。

各因素對應水平對重度指標的影響趨勢見圖1。重度隨骨膠比的增加而逐漸增加，原因是骨料的密度比膨脹潤土的密度大很多，增加骨料的比例，等體積壓入環(huán)刀的材料質量也就增加；重度隨含水率的增加也逐漸增加，是因為水分子填充了混合料之間的孔隙，在體積不變的情況下密度也就自然增加了；砂土比對相似材料的重度影響較小，是因為砂顆粒較小，其密度和黏土的密度比較接近，故砂土比變化不會對重度產生較大的影響。

圖1　各因素水平變化對重度的影響趨勢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極差0.53.21.3影響因素主次BCA

3.2.2黏聚力的正交試驗結果分析

對正交試驗結果中各因素對應水平的黏聚力指標值之和、算術平均值和極差計算匯總見表4.從表4中可知：C因素的極差最大，B因素的極差其次，A因素的極差最小，各因素對黏聚力的影響程度次序為C>B>A。

各因素對應水平對黏聚力指標的影響趨勢見圖2。黏聚力隨含水率的增加而減小，是因為膨潤土中80%以上都是蒙脫石，蒙脫石有很強的吸水能力，能與水分子在層間形成氫鍵，把水分子吸附在表面形成水層，隨著水分子的增加水層變厚，所以導致蒙脫石對骨料的吸力下降，從而表現(xiàn)出黏聚力下降；黏聚力隨骨膠比的增加而減小，原因是混合料的膠結力主要來自膨潤土，骨膠比的增大減少了膨潤土的含量，進而減小了黏聚力。

圖2　各因素水平變化對黏聚力的影響趨勢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極差2.6021.860.1影響因素主次CBA

3.2.3內摩擦角的正交試驗結果分析

對正交試驗結果中各因素對應水平的內摩擦角指標值之和、算術平均值和極差計算匯總見表5。從表5中可知：C因素的極差最大，B因素的極差其次，A因素的極差最小，各因素對內摩擦角的影響程度次序為C>B>A。

各因素對應水平對內摩擦角的影響趨勢見圖3。內摩擦角隨含水率的增加而減小，且減少的速率越來越大，原因是隨含水率的增加，混合料之間的孔隙逐漸被水充滿，水對顆粒之間起到潤滑作用，減小了顆粒之間的摩擦力和咬合力。內摩擦角隨骨膠比的增加先增大后減小，原因是混合材料中骨料顆粒的增加，增大了顆粒之間的嵌固咬合作用，但是隨著砂土顆粒含量增加和膠結物含量減少達到一定程度時，接觸處的黏結強度降低，導致內摩擦角減少。

圖3　各因素水平變化對內摩擦角的影響趨勢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極差1.54.113.4影響因素主次CBA

3.2.4自由膨脹率的正交試驗結果分析

對正交試驗結果中各因素對應水平的自由膨脹率的指標值之和、算術平均值和極差計算匯總見表6。從表6中可知：B因素的極差最大，A因素的極差其次，C因素的極差最小，各因素對自由膨脹率的影響程度次序為B>A>C。

各因素對應水平對自由膨脹率的影響趨勢見圖4。自由膨脹率隨骨膠比的增加而迅速減小，主要原因是骨膠比的增加減少了膨潤土含量，膨潤土是混合材料中主要的膨脹性材料具有很強膨脹性，其充分吸水后能膨脹到原體積的8～30倍，減少膨潤土含量必然會降低自由膨脹率；自由膨脹率隨砂土比的增加而減低，原因是黏土干燥后也能吸水膨脹。由于，自由膨脹率試驗是在烘干條件下進行的，所以混合材料的含水率對自由膨脹率幾乎沒有影響。

圖4　各因素水平變化對自由膨脹率的影響趨勢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極差15.341.39.5影響因素主次BAC

3.2.5干燥飽和吸水的正交試驗結果分析

對正交試驗結果中各因素對應水平的干燥飽和吸水率的指標值之和、算術平均值和極差計算匯總見表7,從表7中可知：B因素的極差最大，A因素的極差其次，C因素的極差最小，各因素對干燥飽和吸水率的影響程度次序為B>A>C。

各因素對應水平對干燥飽和吸水率的影響趨勢見圖5。干燥飽和吸水率隨骨膠比的增加而減小，主要原因是骨膠比的增加減少了膨潤土含量，膨潤土具有很強的吸水能力，能吸附8～15倍自身重量的水，所以減少膨潤土的含量會降低干燥飽和吸水率；干燥飽和吸水率隨砂土比的增加而減低，是因為黏土干燥后也能吸水。干燥飽和吸水率試驗也是在烘干條件下進行的，所以混合材料的含水率對干燥飽和吸水率幾乎沒有影響。

圖5　各因素水平變化對干燥飽和吸水的影響趨勢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極差10.227.83.9影響因素主次BAC

4結語

①各因素的水平變化對相似材料控制指標影響不同。砂和黏土的含量是影響重度的主要因素，含水率是影響?zhàn)ぞ哿蛢饶Σ两堑闹饕蛩兀驖櫷恋暮渴怯绊懽杂膳蛎浡屎透稍镲柡臀实闹饕蛩亍?/p>

②膨潤土作為膠凝材料，配制出的圍巖材料具有膨脹性，且可調節(jié)膨脹性范圍較大，是研制膨脹圍巖相似材料的良好原材料。

③隨含水率增加膨脹圍巖相似材料的黏聚力和內摩擦角都減小，這與實際中膨脹圍巖的性質十分吻合，表明研制的相似材料具有可行性。

④改變相似材料的配比，其物理力學指標變化很大，可以根據其影響規(guī)律配制出不同性質的膨脹圍巖相似材料，為選取模型試驗的相似材料提供參考依據。

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(責任編輯唐漢民梁碧芬)

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

中圖分類號：TU452

文獻標識碼：A

文章編號：1001-7445(2016)01-0163-07

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

通訊作者：楊軍平(1971—),男，湖南永州人，桂林理工大學副教授；E-mail:392696281@qq.com。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51368014)

收稿日期：2015-11-11；

修訂日期：2015-12-11

引文格式：楊軍平，李盛南，樊永華,等.Ⅳ級弱膨脹圍巖相似材料的試驗研究[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(1)：163-169.