相似材料配比的确定方法

1.原型材料力学参数

该模型试验选取的工程原型为锦屏一级水电站埋深350m的主厂房洞室边墙围岩，厂房位于大理岩层内。主厂房洞室断面形状为直边墙拱形，断面尺寸高×宽为6900mm×3000mm。因取芯机在洞室内不能进行有效工作，无法获得标准岩芯，所以只得在洞室中选取完整岩石将其运送到实验室中，接下来使用切割机等机械制作岩石试件，然后把试件作为研究对象，通过开展一系列试验，获取了相关的参数。标准岩样如图7-3所示。

图7-3 锦屏一级水电站主厂房标准岩样

模型的几何相似比选取1∶50，重度相似比C_r=1，由原岩的参数，结合相似比尺，便能轻易地得到模型材料应达到的物理参数以及力学参数，见表7-1。

表7-1 主厂房洞室原型和模型材料物理力学参数

2.测试试件的制作

相似材料试件制作的主要流程：①将配比不同的重晶石粉、铁粉、石英砂称重后均匀混合；②然后把酒精松香混合溶液倒入其中，充分混合后倒进模具；③结合试验时，材料承受的压力来确认试件的成型压力，采用仪器调整该压力；④拆开模具，风干试件。为确定相似料配比，采用标准圆柱体试件进行试验，如图7-4所示为试件模具和制备的试件。

图7-4 试件模具和制备的试件

3.相似材料物理力学参数的测试

在山东大学岩土实验室内，利用岩石刚性压力试验机对制成的试件测试了抗压强度σ_c、泊松比ν、抗拉强度σ_t、弹性模量E；通过直剪试验以及三轴压缩试验测试了黏聚力c、内摩擦角φ，如图7-5所示。

图7-5 相似材料物理力学参数测定

a）单轴抗压强度试验 b）试件 c）抗拉强度试验 d）三轴压缩试验 e）直剪试验

4.最终配比的确定

各构成成分的不同比重对相似材料性能有不同的影响：

（1）铁粉的含量 作为细骨料存在于材料当中，因其密度大，增大含量即增大材料的重度，因此可以实现仿真岩石，变化含量对性能参数具有一些影响，如图7-6所示。(www.xing528.com)

（2）松香酒精混合溶液浓度 它是否达标对于相似材料试件的弹性模量以及抗压强度能否满足要求会产生很重要的影响，相关的关系曲线如图7-7所示。

（3）石英砂含量 作为粗骨料，它是材料的骨架，如同混凝土中的石子。它的含量对一些指标的影响曲线如图7-8所示。

试验最终确定的配比如表7-2所示。

表7-2 模型相似材料的配比表

注：I表示铁粉的含量，B表示重晶石粉含量，S表示石英砂含量。

图7-6 铁粉的质量分数与材料的抗压强度以及弹性模量关系曲线石英砂的质量分数为25%，松香酒精溶液浓度为25%

a）铁粉的质量分数与材料的抗压强度关系曲线 b）铁粉的质量分数与材料弹性模量关系曲线

图7-7 松香酒精混合溶液的浓度与材料的抗压强度以及弹性模量关系曲线（I∶B∶S=1∶1.2∶0.38RA占总质量的5%： I表示铁粉的含量，B表示重晶石粉含量，S表示石英砂含量，RA表示松香酒精混合溶液的质量。）

a）松香酒精混合溶液的浓度与材料的抗压强度曲线

图7-7 松香酒精混合溶液的浓度与材料的抗压强度以及弹性模量关系曲线 （I∶B∶S=1∶1.2∶0.38RA占总质量的5%：I表示铁粉的含量，B表示重晶石粉含量，S表示石英砂含量，RA表示松香酒精混合溶液的质量。）（续）

b）松香酒精混合溶液的浓度与材料的弹性模量曲线

图7-8 石英砂的质量分数和材料的抗压强度以及弹性模量关系曲线 （I∶B=1∶1，松香酒精溶液浓度为25%）

a）石英砂的质量分数与材料的抗压强度关系曲线 b）石英砂的质量分数和材料的抗压强度关系曲线