基于正交设计的Ⅳ,Ⅴ级围岩相似材料

为配制满足地质力学模型试验分析的Ⅳ,Ⅴ级围岩相似材料,基于正交设计法,使用水、石英砂、粘土、石膏和洗衣液这5种原材料,配制成9组混合材料。以围岩的重度γ、粘聚力c以及内摩擦角φ作为相似材料参照指标,通过直径、高度测量,称重及三轴压缩试验获得了混合材料的试验数据。将原始数据整理后,通过极差分析方法讨论了原材料各因素对相似材料特性的影响。然后调整材料配制比开展重复试验,并进行回归分析。试验结果表明,配制材料的粘聚力、内摩擦角、重度试验值基本覆盖相似材料指标的要求范围;洗衣液对相似材料粘聚力影响最大,而石膏的影响最小;洗衣液对内摩擦角的影响显著,之后依次是石膏、洗衣液和水;对材料的重度影响最大的是土砂比,其次分别为水和石膏,而洗衣液的影响甚微;重复试验配制成的材料符合Ⅳ,Ⅴ级围岩相似材料指标要求;回归分析得到了相似材料配制经验方程。

隧道模型试验中软弱围岩相似材料配合比试验研究

隧道模型试验中围岩相似材料的力学参数直接影响模型试验的准确性。选用无毒的重金石粉、砂、石膏、水和洗涤精作为围岩相似材料的原材料,通过不断调整混合材料的配合比,得到符合要求的隧道模型试验中软弱围岩相似材料。研究结果表明,随重金石粉比例增加,模型材料的重度逐渐增加,弹性模量和内摩擦角均呈现先增加后减少,黏聚力逐渐增加;水膏比对模型材料的重度和内摩擦角的影响不大,但随着水膏比的减小,黏聚力和弹性模量减小;洗涤精可以增加混合物的黏稠度,小幅度范围内调整模型材料的力学参数,保证混合物的重复使用。

基于正交设计的石膏砂浆高岭土相似材料试验

以隧道Ⅳ级软弱围岩主要力学参数为参考标准,配制出了符合此标准的围岩相似材料——石膏砂浆高岭土相似材料(组成成分:石英砂、高岭土、石膏、水、洗衣液),并采用此相似材料进行了试验研究。采用正交试验和极差分析法分析所得力学参数黏聚力、内摩擦角和重度的试验数据,研究了石膏砂浆高岭土相似材料各组成成分对其力学参数的影响,优选出了适于Ⅳ级软弱围岩标准的最佳配比;采用三轴剪切试验和重复试验分析了相似材料在不同围压下的力学特征。试验结果表明,含水率对石膏砂浆高岭土相似材料的力学参数黏聚力和内摩擦角影响最大,当含水率适量加大时,黏聚力快速降低,内摩擦角缓慢升高;当高岭土含量加大或石膏含量减少时,黏聚力明显升高,内摩擦角降低;含砂量对试验结果影响不大;对于相似材料力学参数重度的影响,石英砂最大,其次是水,最后是高岭土和石膏。

岩体模型双向加载巷道开挖卸荷效应

动态卸荷具有瞬时性,瞬态卸荷效应在深部岩体爆破开挖过程中产生影响。为了研究巷(隧)道围岩在动态开挖卸荷条件下的变形规律及破坏机制,实现围压加载条件下巷(隧)道开挖卸荷过程良好的模拟与再现,深入了解岩体开挖瞬态卸荷的动态特征及动力效应。采用自主研发的巷道围岩动力扰动相似模拟试验装置,进行巷道开挖瞬态卸载破坏的相似模拟试验,并使用应变仪、高速摄影仪及光纤解调仪对试验过程进行实时监测。获得了动态开挖卸荷全过程的应力-时间曲线,监测到裂纹产生与扩展及开挖后岩体测点的拉压状态。试验结果表明:在动态开挖过程中围岩应力经历了原岩应力阶段、动态加载阶段、动态卸载阶段、初始应力卸载阶段和蠕变阶段这5个阶段。巷(隧)道开挖后围岩布置的各监测点应变变化不一,有压变化也有拉变化,模型整体呈受压状态,开挖卸荷后岩体有蠕变现象。捕捉到卸荷效应过程中裂纹扩展,首先,动态冲击快速产生围岩径向裂纹,随开挖巷(隧)道形成,围岩储存能量快速朝临空面释放,在拉应力作用下产生环向裂纹。环向裂纹垂直径向裂纹产生并沿相邻径向裂纹扩展,产生的环向裂纹平行于临空面。巷道围岩动力扰动相似模拟试验系统监测到动态岩体模型开挖过程的瞬态卸荷效应,卸荷应变随距离产生变化,将开挖后的岩体模型分为卸荷近区、卸荷中区和卸荷远区。