隧道软弱围岩相似材料的力学性能试验

海底隧道,施工,防水,地下工程,风险

第31卷 第6期

2010年11月华侨大学学报(自然科学版)JournalofHuaqiaoUniversity(NaturalScience)Vol.31 No.6 Nov.2010 文章编号: 1000 5013(2010)06 0680 04

隧道软弱围岩相似材料的力学性能试验

王抒,张顶立,房倩

(北京交通大学隧道及地下工程教育部工程研究中心,北京100044)

摘要: 基于相似理论和量纲分析法,将弹性模量作为铁路隧道软弱围岩的研究指标,推导出其相似指标.以重晶石、石英砂和凡士林等混合物作为铁路隧道软弱围岩的相似材料,通过应力控制式三轴试验仪进行常规三轴试验.并利用非线性回归分析的方法对实验结果进行分析,得出相似材料配比与弹性模量的变化规律 最后,给出估算这类相似材料中的重晶石等重要组分的含量与弹性模量的函数关系,以用于在实践中确定与隧道软弱围岩相适应的相似材料混合比.

关键词: 软弱围岩;铁路隧道;弹性模量;相似材料;非线性回归

中图分类号: U452.1+2文献标识码: A

在隧道的开挖和支护过程中,需要涉及许多岩体强度破坏、变形失稳和加固处理等问题.对诸如此类的复杂问题,除了借助数学等工具进行理论分析外[1],还需借助岩土地质力学模型试验等手段进行解决.在隧道等模型试验的一些相关研究中,文[5]由相似理论出发,取隧道周围有限区域的岩体作为研究对象,确定了模型试验中的几何相似比和应力相似比.文[6]在各级围岩的众多物理力学指标中,选择弹性模量作为主要的决定因素进行相似材料的选择和配比,并建立材料用量与力学指标之间的规律.文[7 8]将一元非线性回归分析分别应用于铁路隧道监控量测,以及软土隧道拱顶与地表沉降关系研究中.文[9]在对于公路隧道各类围岩稳定性的模型试验研究中,采用了重晶石粉、石英砂(中等粒径)和凡士林的热融混合材料作为不同围岩类别的相似材料.本文以贵广铁路各隧道开挖过程中需要穿越的 , 级围岩作为研究对象,对铁路隧道软弱围岩的相似材料进行试验研究及回归分析.[2 4]

1 模型试验的理论基础

相似现象的同一物理量之比,称为相似系数,或称相似比例,用字母C表示.所有相似系数之间,存在着某种关系式,称为相似指标.与此对应,相似现象各物理量之间,也存在某种关系式,称为相似判据.

定义L为长度, 为重度,E为弹性模量, 为应力, 为应变,c为凝聚力,!为内摩擦角, 为泊松比.文中所采用的记号和符号与文[10 12]同 根据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,可推导出如下3个地质力学模型试验的相似关系

(1)应力相似系数C 、弹性模量相似比尺CE和应变相似比尺C 之间的相似关系为

C =CEC .

同量纲物理量的相似比尺相等,即

C =C!=C =1.

由式(1),(2)可得

C =CE=Cc.

(3)应力相似比尺C 、容重相似比尺C 和几何相似系数CL之间的相似关系为

收稿日期: 2010 06 23

通信作者: 张顶立(1963 ),男,教授,博士生导师,主要从事隧道及地下工程的研究.E mail:zhang dingli@263.net. ((1) (2)地质力学模型试验要求所有无量纲物理量(如应变、内摩擦角、泊松比等)的相似比尺等于1,相(2)(3)