动力学相似材料配比试验研究
李光;徐佩华;陈占岺;李鹏飞;王率;陈晓雪
【摘 要】Geotechnical model featured by vivid and visualized rearch method of rock physical and mechanicalproperty is widely ud in the field of geotechnical engineering both at home and abroad.In geotechnical modeltests,the speed of accuracy of material ration lection plays a pivotal part to the success of the prototype.With thewider spread application of dynamical model in geotechnical model experience,the study of similar material ratioalso converts its direction from statics to dynamics.Similar material is the mixture of aggregate and cement,and thechange of their ratio exerts a great influence on the property of similar material lecting river sand as the aggregate,cement and plaster as the cementing agent.This paper studies the physics and mechanical property under differentratio conditions by the elastic wave speed simulation measurement and uniaxial compressive test.Experimentalresults show that on the condition that the cement or plaster alone rves as cementing agent and the amount ofaggregate and cement remains consta
nt,the mass,dynamic and static elasticity modulus of the specimen will climbup and then decline with the increa of sand binder ratio,while when the mixture of cement and plaster rve ascementing agent and the amount of cementing agent and sand binder ratio remain constant,the dynamic and static elasticity modulus of the specimen will decline followed by a climb with an increa of cement and plaster uration.%地质力学模型试验是一种形象、直观的岩体物理力学性质研究方法，被广泛地应用于国内外岩土工程界。在地质力学模型试验中，如何快速、准确地选择材料的配比是成功模拟原型的关键。随着动力学模型在地质力学模型试验中的应用越来越广泛，对相似材料配比的研究也应从静力学方法向动力学方法转变。相似材料由骨料与胶结物混合而成，两者的含量变化是影响相似材料性质的重要参数。本文选择以河砂为骨料，石膏和水泥为胶结物，采用弹性波速测量和单轴抗压试验的方法，研究了不同配比条件下材料的物理、力学性质的变化规律。实验结果表明：单独以水泥或石膏作为胶结物时，在骨料与胶结物总量不变的情况下，试件的质量及动、静弹性模量随砂胶比的增大呈先增大后减小的变化；以水泥和石膏混合作为胶结物时，在砂胶比与胶结物总量不变的情况，试件的动、静弹性模量随石膏和水泥用量比的增加呈先减小后增大的变化。
【期刊名称】《工程地质学报》
【年(卷),期】2015(000)004
【总页数】6页(P654-659)
【关键词】动力学;相似材料;超声波测试;变化规律
【作 者】李光;徐佩华;陈占岺;李鹏飞;王率;陈晓雪
【作者单位】吉林大学建设工程学院 长春 130026;吉林大学建设工程学院 长春 130026;吉林大学建设工程学院 长春 130026;吉林大学建设工程学院 长春 130026;吉林大学建设工程学院 长春 130026;吉林大学建设工程学院 长春 130026
【正文语种】中 文
【中图分类】TU455
地质力学模型试验是根据一定的相似关系，将特定的工程地质问题进行缩尺研究的一种方
法(沈泰，2001)。这些模型可以在室内重现天然地质体的受力过程或破坏特征，定性或定量地进行对比研究，可与数值模拟方法、数学模型方法相互验证(崔广心，1990)。通过大量的试验结果表明，地质力学模型试验方法的确具有其独特的优越性，是解决复杂岩土工程问题的一种行之有效的方法(王汉鹏等， 2006)。
在地质力学模型试验中，如何根据相似原理，选择合适的相似材料并确定其配比关系是至关重要的一步，也是进行模型试验的前提。迄今为止，国内外的研究者对于各种混合材料的性能和配比方案已做了大量的研究(安伟刚， 2002)。虽然这些方案具有各自独特的优点，但是受不同混合材料的来源、性质、混合方法等因素的影响，相似材料混合的结果再现性较差。因此，在具体试验条件下进行反复试验，逐步逼近目标参数的过程是必须的。
虽然，在相似材料试验中可以使用的材料种类很多，但归结起来有两种：骨料和胶结物。所以，在千变万化的相似材料配比中，骨料与胶结物的比是十分重要的。过去对相似材料的研究多是以静力学相似理论为基础的，如今，动力学模型在地质力学模型试验中的应用越发频繁，但对动力学相似材料的配比研究还不多见。所以，本文选择对相似材料的波速进行测量，通过波速推算出材料的动弹性模量和动泊松比，进而对其动力学相似配比进行研究。
1.1 相似材料原料的选择
在进行地质力学模型试验时，对相似材料的选择一般需要满足以下几个条件(张宁等， 2009)：
(1)物理、化学、力学等性质比较稳定，受外界条件的影响较小。
(2)具有较好的和易性，容易成型，凝固时间短。
(3)物理、力学等性质随材料配比的改变而变化。
(4)材料来源广，价格低廉，对人体无毒害作用。
好看的头像图片女
目前，国内正在使用的地质模型相似材料主要有：MIB材料，以铁粉、重晶石粉为骨料，松香为胶结剂(张强勇等， 2008)； NIOS材料，以磁铁矿精矿粉、河砂为骨料，石膏、水泥为黏结剂(韩伯鲤等， 1997)； IBSCM材料，以铁矿粉、重晶石粉石英砂为骨料，石膏粉、松香酒精溶液为黏结剂(马芳平等， 2004)。还有许多其他混合材料配比方法，在此不再赘述。
昵称大全女生
本文选择级配良好的河砂作为骨料，速干水泥、石膏粉作为胶结物，通过试验对混合料的物理、力学性质进行研究(彭海明等，2002)。
春节节目表演1.2 试件的制作
依据《工程岩体试验方法标准》，试验选择制作Φ50mm×100mm尺寸的小模型试块，并对试块进行超声波试验和单轴压缩试验(左保成等， 2004)。具体制作步骤如下：山西考试
(1)按照不同材料的配比关系，首先计算出河砂、石膏、速干水泥的用量，分别称量好并放入盆中搅拌至均匀。
(2)缓慢加水，直至混合料拌合均匀、稠度适应，并记录水的用量。
(3)将拌制好的材料倒入内壁涂好凡士林的铸铁模具(图1)内并夯实。
(4)静置数分钟(石膏样脱模时间约为15min，水泥样约为25min)后，将试样脱模、贴上标签并放置在室温下养护(图2)。
1.3 相似材料的超声波试验
弹性波是一种简单、快捷的测试手段，近年来，弹性波测试技术在岩土工程和工程地质领域的应用越发普遍(况联飞等， 2012)。本文所制作的水泥石膏材料试件，虽然不是理想的弹性体，但声波测试中作用的力小、频率高，不会超过材料的弹性范围，可视为弹性介质。
本试验中采用的超声波测试仪为武汉中研科技有限公司生产的RSM-SY5(T)声波检测仪。试验中，将换能器紧贴在试件两端(以凡士林作为纵波测量的耦合剂，以锡纸作为横波测量的耦合剂)，发射声波并判断首波声时，则试件长度与声时的比值即为波速。
世界上最大的花测量得到材料纵波波速vp和横波波速vs，并通过下式计算出材料的动弹性模量Ed和动泊松比μd：
1.4 相似材料的单轴抗压试验
试样的单轴压缩试验是在长春试验机制造厂生产的液压万能试验机上完成的，该试验机配备伺服试验系统，可以通过计算机控制并记录整个试件受压过程，最终得到试件的单轴抗压强度值以及应力-应变全曲线，并计算出试件的静弹性模量。
本次试验设计制作了3组25种不同配比的75个试件进行对比试验，各试件测量所得参数均取剔除异常数据后的平均值。配比方案如表1、表2、表3所示。
2.1 试件质量与养护时间的关系
我国的四大名著众所周知，岩石的含水率对其物理、力学等性质影响极大，所以，首先对试件的质量与养护时间关系进行了研究(图3，图4)。
从图4中可以看出：由于水分的蒸发，石膏试件和水泥试件的质量都随养护时间的推移而降低； 石膏试件4～6d可达到基本干燥的状态，水分蒸发快，质量变化量较大； 水泥试件6～8d可达到基本干燥状态，水分蒸发慢，质量变化量较小。
2.2 试件物理、力学性质随砂胶比变化规律
在骨料与胶结物总量不变的条件下，改变试件的砂胶比，进而研究砂胶比对材料物理、力学性质的影响。
考核机制
图5为砂胶比与试件质量和动泊松比的关系曲线，从图中可见：水泥试件和石膏试件的质量
都随砂胶比的增大先增大后减小； 其中石膏试件质量在砂胶比为8时出现峰值、水泥试件质量在砂胶比为7时出现峰值； 相同配比条件下制作的试件，以水泥为胶结物的试件质量大于以石膏为胶结物的试件质量。胡国忠等(2005)通过试验得出材料的动泊松比与静泊松比相差不大，可认为近似相等。所以，由图中曲线可知：随着砂胶比的增大，材料的动泊松比整体呈现下降的趋势，且水泥试件的变化幅度比石膏试件大，但石膏试件的泊松比整体上大于水泥试件。军训服装
本文中，材料的静弹性模量均选取工程实践中常用来反映岩石变形特征的割线模量(齐伟， 2011)。图6 为砂胶比与动、静弹性模量的关系曲线，从图中可以看出：材料的动、静弹性模量均随砂胶比的增大现增加后减小，且峰值点出现在与质量峰值点相同的砂胶比处； 材料的动、静弹性模量变化趋势近似相同。
