用于磁力模型的土体相似材料研究

用于磁力模型的土体相似材料研究

1基于单次博弈的离心模型实验土木工程专业领域存在大量的岩石开挖。在开挖过程中，通常会出现岩石强度破坏、变形破坏、变形和加固处理的问题。鉴于这些复杂问题，我们必须通过理论和价值分析进行研究。另一方面，我们必须更多地使用基于土壤工具模型的实验工具来解决这些问题。模型实验是根据相似原理对特定的工程问题进行缩尺以便于实验研究的一种方法,该方法可定性或定量地反映天然岩体受力特性和与之相联系的建构筑物的相互影响,可与数学模型或者数值模型相互验证。常规物理模型实验是在1倍的重力场(1g)内,按几何相似将原型尺寸缩小n倍的模拟实验。然而,岩土体是碎散性材料,现实还难于实施在保持其原有物理、力学性质条件下,将其自重应力水平转化为1/n(g)。土工离心模型实验的诞生一定程度上解决了这一难题,虽然离心模型实验的受力条件与实际相近,但离心实验相随比较复杂,同时存在测试技术、重力场与实际重力场力线不平行性以及离心实验投资大等问题。针对离心模型实验存在的问题,罗先启等提出了地质力学磁力模型实验,其核心思想是利用磁力场与重力场的相似性,在相似材料中掺入粉体磁性材料,通过磁场中受到的磁力场来模拟n(g)的重力场,克服了离心模型实验力线不平行性的难题。磁敏性相似材料的研制是地质力学磁力模型实验成功的关键。2独立变量的选择模型实验的相似原理是指模型上重现的物理现象应与原型相似,即要求模型材料、模型形状和荷载等均须遵循一定的规律。选取应力σ、应变ε、泊松比μ、内摩擦角φ、弹性模量E、粘聚力c、侧压力p、位移u、尺寸l、重力g、密度ρ、时间t、渗透系数k等13个参数,即:F(σ,ε,μ,φ,E,c,p,u,l,g,ρ,t,k)(1)F(σ,ε,μ,φ,E,c,p,u,l,g,ρ,t,k)(1)其中,ε、μ、φ均为量纲为1的量;c、E、σ、p具有相同的量纲FL-2;u、l具有相同的量纲L。由于量纲为1的量的相似比为1,相同量纲量具有相同的相似比,可选择σ、u、g3个量为独立变量。由量纲分析法得到:π1=ρguσ,π2=tgu√,π3=kgu√(2)π1=ρguσ,π2=tgu,π3=kgu(2)选取:Cρ=1‚Cσ=1‚Cl=Cu=1‚Cg=1/nCρ=1‚Cσ=1‚Cl=Cu=1‚Cg=1/n则可以推导出其它参数的相似比为:Cφ=Cε=Cμ=1‚CE=1‚Cc=1‚Cp=1‚Ct=n‚Ck=1Cφ=Cε=Cμ=1‚CE=1‚Cc=1‚Cp=1‚Ct=n‚Ck=1可以看出,地质力学磁力模型的实验只需要将模型的重力g增加n倍,时间t和模型的几何尺寸缩小n倍,而粘聚力、内摩擦角、弹性模量和泊松比等参数均可采用原型参数,这使得模型实验在操作上十分方便。3磁敏土壤类似材料的联合实验3.1石英砂的种类结合目前土体相似材料的研制现状,新型磁敏性土体相似材料选用石英砂、膨润土、双飞粉和磁粉混合配制而成。石英砂为骨料,膨润土和双飞粉为胶结料,磁粉为掺料。其中石英砂为20～40目的标准石英砂,膨润土和双飞粉均为200目的材料。在磁场中,磁敏性土体相似材料中各组分将联合共同作用,为了使磁粉颗粒不至于击穿混合体产生运动,磁粉颗粒粒径不宜过小,磁粉选用Y30铁氧体磁粉,其主要参数如表1所示。3.2相似材料的确定土体相似材料实验实验量较大,因此采用正交实验设计方法配置磁敏性土体相似材料。选取粉砂比、粉土比、土磁比和含水量4个因素,每个因素3个位级,采用L9(34)正交表安排正交实验,如表2所示,实验获得试样的基本力学参数——容重、粘聚力和内摩擦角。3.3相似材料的确定考察各因素对材料性质的影响,需要计算各位级数据的离差,公式如下:Lc=[(Ⅰmn)−Un]2+[(Ⅱmn)−Un]2+[(Ⅲmn)−Un]2(3)Lc=[(Ⅰmn)-Un]2+[(Ⅱmn)-Un]2+[(Ⅲmn)-Un]2(3)式中,Ⅰm/n(Ⅱm/n、Ⅲm/n)表示第Ⅰ个因素第n个位级下的m参数的实测值与标准值的相对误差的平均值。离差高的因素对实验结果的影响大,离差均值越集中,表示该位级对实验结果的影响小。以工程地质手册中的土壤力学指标平均值为目标参数,4个因素对3个参数的离差值如表3所示。可以看出,含水量和砂粉比为影响材料容重的主要因素;含水量和土磁比为影响相似材料粘聚力的主要因素;含水量和粉土比含量为影响相似材料内摩擦角的主要因素。因此,石英砂为容重的敏感材料;膨润土为粘聚力的敏感材料;双飞粉为内摩擦角的敏感材料。3.4相似材料的基本力学性质磁粉具有其固有的物理力学性质,磁粉的加入必将改变相似材料的性质,因此磁敏性土体相似材料需要综合考虑磁粉的影响,分别测定不同磁粉含量的各组相似材料的容重、粘聚力和内摩擦角,获得磁粉含量对材料容重、粘聚力和内摩擦角影响,如图1～3所示。结果表明,磁粉含量对相似材料的基本力学性质影响较大。由于磁粉密度较大,随着磁粉含量的增多,材料的容重明显增大。相似材料的粘聚力与磁粉含量成正相关关系,这是由于磁粉粒径较小,磁粉细粒包裹在骨料颗粒周围,在颗粒之间产生了胶结作用,致使材料颗粒之间的粘结力增加。内摩擦角与磁粉含量成二次线性关系,当磁粉含量约为15%时,材料内摩擦角最小,约为27°,随着磁粉含量的增加和减少,内摩擦角均增大,这是因为当材料中的磁粉含量较小时,材料中的大粒径骨料颗粒含量较多,此时材料的内摩擦角主要由大颗粒骨料颗粒的相互摩擦决定,随着磁粉含量的增加,磁粉微粒开始包裹材料的骨料颗粒,这种包裹作用使得骨料颗粒表面变得光滑,颗粒之间的摩擦角减小,随着磁粉含量的继续增加,磁粉微粒完全包裹骨料颗粒,颗粒之间的摩擦开始逐渐转换为磁粉微粒之间的摩擦,由于磁粉的内摩擦角较大,使得材料的内摩擦角增加。4相似材料的力学性质选用和粉质粘土力学参数接近的配比组msss-9测定磁敏性土体相似材料的力学性质。依据《土工实验方法标准GB/T50123-1999》测定材料的容重、密度、抗剪特性、压缩特性和k0固结特性如表4所示。4.1相似材料的应力-应变曲线初始阶段对配制的相似材料进行快速直剪实验,测得材料的应力-应变曲线如图4所示。可以看出,磁敏性相似材料的应力-应变曲线初始阶段成直线型,随着应力增加,材料的应变增长速度逐渐变缓,直至不再增加,此时,材料内部已被剪断,土颗粒间的粘结完全消失。实验测得材料的粘聚力平均值为53.62kPa,内摩擦角的平均值为30.97°,可以模拟一般的粉质粘土。4.2模量与模量材料相似材料的ε-p曲线如图5所示。根据压缩曲线计算知,磁敏性土体相似材料的压缩模量(100～200kPa)均值为22.05MPa,属于低压缩性土体相似材料,这是由于磁粉增加了材料的密度,使得相似材料的容重较大,压缩性减小。粉质粘土的压缩模量均值为19～33MPa,因此可用所研制材料进行粉质粘土的模型实验。4.3粉质粘土泊松比与力系数在侧限条件下,实验测得材料试样的静止侧压力系数为0.72,泊松比为0.42,其值介于粉质粘土的泊松比变化范围(0.4～0.45)之间。材料的σ1～σ3曲线如图6所示。5相似材料的研制(1)依据相似理论,地质力学与岩土工程磁力模型的实验只需要将模型的重力g增加n倍,时间t和模型的几何尺寸缩小n倍,而其余参数均可采用原型参数,这为相似材料的研制提供了依据。(2)通过大量配比实验,研制出一种可用模拟粉质粘土的磁敏性土体相似材料,材料选用石英砂作为骨料,双飞粉和膨润土作为胶结料,磁粉作为掺料,其容重为19～25kN/m2;粘聚力为0～54kPa,内摩擦角7～31°,可模拟性质范围较广的土体。(3)含水量对材料各参数影响均较大,石英砂和磁