相似材料性能调节方法综述

严泽臣，李宏，潘轶（.解放军理工大学，南京0007；.沈阳军区工程科研所，沈阳06；.第94968部队，南京）

相似材料性能调节方法综述

严泽臣1，李宏2，潘轶3
（1.解放军理工大学，南京210007；2.沈阳军区工程科研所，沈阳110162；3.第94968部队，南京211131）

相似材料是模型试验顺利开展的重要前提和基础。由于岩石和工况的多样性，难以找出一种材料能够完全满足不同工况模型试验的要求，因而在研究中对相似材料物理力学参数的调节具有重要意义。论文总结了近年来研制的主要相似材料，并对其物理力学参数的调节方法进行了分析，指出了目前研究的主要进展和不足之处。相关结论可为相似材料的研究提供参考。

模型试验；相似材料；性能；调节

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.011

1　引言

模型试验是岩石力学和地下工程研究的重要方法，它能直观反映研究对象的实际变化规律，揭示可控影响因素对工程活动诱发工程灾变过程的影响，从而为避免和防控工程灾害提供技术支持。地质力学模型试验涵盖相似理论、相似材料以及试验技术3个主要方面。满足相似条件要求的相似材料是模型试验顺利开展的重要前提和基础，关系到模型试验的成败和科学性。因此，国内外模型试验领域的专家学者均将其视为极其重要的研究内容[1]。由于岩石种类和变形破坏过程的多样性，难以找出一种材料能够完全满足不同工况模型试验的要求，因而在研究中对相似材料物理力学参数的调节具有重要意义。

2　制备和基本性能研究

相似材料是随着模型试验的发展而得到研究的，因而首先在欧洲得到了发展。20世纪60年代，Fumagalli等[2]在意大利结构模型试验所（ISMES）开创了工程地质力学模型试验技术，并研制了以石膏为黏结剂，以氧化铅粉、膨润土为填充剂的材料。但此类材料价格昂贵且有毒性。ISMES还发展了以环氧树脂为黏结剂，以重晶石粉、浮石粉为填充剂的复合材料。美国、英国、日本等国也开展了相似材料的研究。如Burget等[3]通过环氧树脂加3%~5%的硬化剂，研制了用于模拟煤岩突出的相似材料。20世纪60年代以来，以Glushinkhin、Zlotnikov为代表的前苏联科学家研发了一系列用于不同目的的模型试验相似材料，其中包括水泥砂浆、石膏-水泥混合砂浆、环氧树脂砂浆等。《Modelingingeo-mechanics》一书[4]代表了前苏联在模型试验领域的成就。但苏联解体以后，相关研究未能得到很好的继承发展。

近20年来，世界岩石力学与工程的研究中心逐步向我国转移，关于模型试验的研究也日益活跃，相似材料研发水平和制备技术得到了很大的提高。20世纪80年代，韩伯鲤等[5,6]研制了M IB模型材料，成为我国第一种影响较大的相似材料。21世纪以来，清华大学、山东大学、武汉大学、中国矿业大学、武汉岩土力学研究所、长江科学院等均在相似材料的研发和制备上投入了大量人力物力，并取得了显著的进步。如李仲奎等[7]研制的NIOS相似材料，陈陆望等[8]研制的岩爆模拟相似材料，张强勇、李术才等[9,10]研制的铁晶砂胶结相似材料（IBSCM）等。除此之外，还有很多学者针对不同问题的特殊需求，研制了具有特定性质的相似材料[11～14]。

3　物理力学参数调节方法

由于岩石材料的多样性，用单一的相似材料很难满足相似理论对相似材料物理力学性质的要求。因此在实际应用中，相似材料物理力学性质的调整是一项非常基础且重要的工作。一般情况下，相似材料是按照强度设计的，在满足强度比尺要求的条件下，进一步考虑容重、弹性模量等重要参数，通过添加辅助性的材料，使几个主要参数均满足相似理论的要求。

由于相似理论中几何比尺αL、容重比尺αγ、应力比尺ασ须满足限制关系ασ=αLαγ，因此，为简化试验设计和数据处理，很多研究人员试图调节相似材料的容重，使αγ=1。

为此，大相对密度的散粒物质常被用作相似材料的主要原材料之一。如韩伯鲤等研制的M IB模型材料使用了铁粉，李仲奎等研制的NIOS相似材料使用了磁铁矿精矿粉，张强勇、李术才等研制的铁晶砂胶结相似材料使用了铁精粉。增重剂有效地提高了相似材料的容重，但同时使相似材料的成分变得更加复杂。为了寻找合适特性的相似材料常常需要开展大量的试配工作。为了解决容重调节的问题，范鹏贤等对松香胶结相似材料开展了系统的试验研究，提出了用重晶石砂替代石英砂的方法，并通过对比试验验证了该方法的可行性，实现了在基本不影响相似材料强度和弹性模量前提下的容重调节。

在相似材料弹性模量、摩擦角等参数的调节方面，不同学者对特殊处理工艺、胶结剂用量、添加剂、粗骨料粒径等因素的影响开展了研究。为了降低相似材料的弹性模量，韩伯鲤等采用柔性物质给粒状物体（铁粉）加上外膜，即将氯丁胶黏剂溶液和经过筛选的散粒体用搅拌机搅拌，溶剂挥发后，铁粉上即裹覆了一层柔性氯丁胶。由于氯丁胶有毒，目前已很少采用。调节胶结剂的用量和种类可以一定程度上增大或减小相似材料的弹性模量。但是现有的文献表明，胶结剂对强度和弹性模量的影响往往是耦合的，在一定的强度要求下，弹性模量的调节范围并不大。目前的相似材料多是针对某种特定工况的模拟，在材料通用性上还有很大欠缺。添加橡胶粉、硅胶等柔性材料也是一种可能调节相似材料弹性模量的途径，但还缺乏系统的研究。

除此之外，大型模型试验对相似材料的消耗往往数量巨大，研发一种可以重复使用的相似材料及其回收再利用工艺，可以节省经费、降低污染，也是一项非常有意义的工作。

4　结语

试配相似材料的巨大工作量和试验周期，制约了模型试验在深部岩体力学研究领域的应用。目前，大多采用的试配法当围岩工况改变时，需要重新试配相似材料，耗费大量的人力和时间。尤其是对相似材料弹性模量的调节，目前还没有很好的办法。

因此，对新型相似材料的研发和制备的研究应重点关注物理力学参数的解耦，通过揭示不同组分与物理力学参数相互制约关系，建立一套物理力学参数设计和调整方法，从而研制出物理力学参数变化范围大，参数与设计预期偏差小，且方便回收再利用的多用途绿色相似材料。

【1】张强勇，李术才，李勇，等.地下工程模型试验新方法、新技术及工程应用[M].北京:科学出版社,2012.

【2】FumagalliE.StaticalandGeomechanicalModels[M].New York：SpringerVerlag.1973.

【3】Burgert W,LippmanM.Modelsof translator rock bursting in coal[J]. International Journal of Rock Mechanics and M iningSciences& GeomechanicsAbstracts,1981（18）:285-294．

【4】Glushikhin F.P.,KutsnetsovG.N.,ShklyarskyM.F.etal.Modelingin geo-mechanics[M].Moscow：Nedra,1991.

【5】韩伯鲤，张文昌，杨存奋.地质力学模型材料(M IB)的研究[J].西北水电技术,1983,2(3):49-54.

【6】韩伯鲤，陈霞龄，宋一乐，等.岩体相似材料的研究[J].武汉水利电力大学学报，1997，30(2)：6-9.

【7】李仲奎，卢达溶，中山元，等.三维模型试验新技术及其在大型地下洞群研究中的应用[J].岩石力学与工程学报,2003,22(9):1430-1436.【8】陈陆望，白世伟.脆性岩体岩爆倾向性的相似材料配比试验研究[J].岩土力学，2006,27(S):1050-1054.

【9】张强勇，李术才，郭小红，等.铁晶砂胶结新型岩土相似材料的研制及其应用[J].岩土力学，2008,29(8):2126-2130.

【10】张强勇，刘德军，贾超，等.盐岩油气储库介质地质力学模型相似材料的研制[J].岩土力学，2009,30(12):3581-3586.

【11】刘德军，吕晶，张强勇，等.具有流变特性的盐岩相似材料的研制及应用[J].岩土工程学报，2011，33(10):1590-1595.

【12】李树忱，冯现大，李术才，等.新型固流耦合相似材料的研制及其应用[J].岩石力学与工程学，2010,29(2):281-288.

【13】Im reB,W ildhaberB,SpringmanSM.Aphysicalanaloguematerialto simulate sturzstroms[J].InternationalJournalofPhysicalModelling in Geotechnics,2011,11(2):69-86.

【14】李元海，林志斌，秦先林，等.透明岩体相似材料力学特性研究[J].中国矿业大学学报，2015，44(6):977-982.

Sim ilarity Material Performance Adjustment Method Review

YAN Ze-chen1，LI Hong2，PAN Yi3
(1.PLAUniversityofScience and Technology,Nanjing 210007，China；2.Institute of Engineering Research and DesignofShenyang M ilitaryRegion,Shenyang110162，China；3.94968Army,Nanjing211131，China)

Analogue material is the foundation of geomechanical model test.Duo to the diversity of rock types and engineer conditions,there is no analogue material meet the scaling criterion once for all.Therefore the properties adjustment is of great importance.In this paper,main progresses in analogue material developing and properties adjusting are summarized and the shortcom ingsarepointedout.Theconclusionscanprovidebeneficialreferenceforfurtherresearch.

modeltest;analoguematerial;property;adjustment

TU599;TU458+.4

A

1007-9467（2016）11-0048-02

严泽臣（1991～），男，江苏泰州人，工程师，从事地下工程防灾减灾研究。

2016-05-31