含水率对相似材料模型强度的影响规律

ｃｏｎｔｅｎｔｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｗａｓｍｏｎｉｔｏｒｅｄｂｙＦＤＲｓｅｎｓｏｒｔｏｄｒａｗｔｈｅｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｍａｐｏｆｔｈｅ ｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｗｈｅｎｔｈｅｒａｔｉｏｉｓ８∶３∶７ａｎｄｔｈｅｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｉｓｂｅｔｗｅｅｎ０．２％ ａｎｄ２． ３％，ｔｈｅｕｎｉａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｓｐｅｃｉｍｅｎｓｏｆｓｉｍｉｌａｒｍａｔｅｒｉａｌｓｍｅｅｔｓａｎｅｇａｔｉｖｅｌｉｎｅａｒｃｏｒ ｒｅｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｍｏｄｅｌｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｃｌｏｕｄｍａｐ，ｔｈｅｍｏｄｅｌｍｏｉｓｔｕｒｅ ｃｏｎｔｅｎｔｓｈｏｗｓｖｅｒｔｉｃａｌｇｒａｄｉｅｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．Ｗｈｅｎｔｈｅｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆ ｔｈｅｍｏｄｅｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｗｉｔｈｍａｔｅｒｉａｌｓｓｉｍｉｌａｒｔｏｍｅｄｉｕｍ ｈａｒｄｎｅｓｓｒｏｃｋｒｅａｃｈｅｓ１．７％ ～２．２％，ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｒｅａｃｈｅｓｔｈｅｅｘｐｅｃｔｅｄｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ｉｎｔｈｅｌａｔｅｒｓｔａｇｅｏｆｄｒｙｉｎｇ，ｔｈｅｕｐｓｉｄｅ’ｓｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆｍｏｄｅｌｉｓｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎｔｈｅｅｘｐｅｃｔｅｄｓｔｒｅｎｇｔｈ，ａｎｄｔｈｅｍｉｄｄｌｅａｎｄｌｏｗｅｒｐａｒｔｓａｒｅｂａｓｉｃａｌｌｙｔｈｅｓａｍｅ． Ａｍｅｔｈｏｄｆｏｒｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇｔｈｅｄｒｙｎｅｓｓｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｅｉｇｅｎｖａｌｕｅｏｆｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｉｓｐｒｏ ｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓａｍｅｔｈｏｄｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｍｏｄｅｌｔｅｓｔｏｆｓｉｍｉｌａｒｍａｔｅｒｉａｌｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｉｍｉｌａｒｍａｔｅｒｉａｌｍｏｄｅｌ；ｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｄｏｍａｉｎｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ；ｕｎｉａｘｉａｌｃｏｍ ｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈ
０ 引 言
博看网 . All Rig相ht似s材R料es模er型ve试d.验是一种直观的研究岩体介 质物理力 学 特 性 的 方 法，是 岩 土 与 地 质 工 程 领 域 重要的 研 究 手 段 之 一［１］。该 方 法 是 基 于 相 似 理 论，在满足 相 似 条 件 下 将 工 程 现 场 缩 放 模 型 置 于 试验架上，通 过 模 型 试 验 获 得 的 相 关 数 据 及 宏 观 现象回推 到 实 际 工 程 现 场，获 得 对 实 际 工 程 现 场 的规律性 认 识［２－３］。例 如，采 矿 采 动 岩 体 力 学 问 题、岩土边坡 坝 基 稳 定 性 问 题 等 ［４－７］，都 通 过 物 理 模型试验方法得到了有效解决。但是相似材料模 型试验在 测 试 结 果 上 与 现 场 实 际 存 在 差 异，许 多 学者对 材 料 的 配 比 以 及 测 试 手 段 对 其 进 行 了 研 究 ［８－９］，通过理论 与 实 践 表 明，相 似 材 料 模 型 中 含 水率的大小影响相似材料模型的强度以及试验准 确性［１０－１１］。 我国的许多学者对相似材料模型中含水率与 相似材料力学性质关系开展了研究。王凯等在 ５ 种不同含 水 率 下，测 定 了 原 煤 煤 样 和 型 煤 煤 样 的 力学特性［８］。 王 鹏 等 通 过 正 交 相 似 实 验，分 析 了 残余含水率对材料的物理力学性质的影响［９］。彭 曙光等利用 ＲＹＬ６００微机控制试验机对 ４种不同 岩性 试 样 在 不 同 含 水 率 下 进 行 了 单 轴 抗 压 试 验［１０］。通过对 不 同 含 水 率 下 相 似 材 料 的 试 验 研 究，认为含 水 率 与 相 似 材 料 的 抗 压 强 度 呈 负 线 性 关系。因此，需 要 实 时 掌 握 相 似 材 料 模 型 中 的 含 水率大小及分布特征。 时域反射测量法（ＦＤＲ）凭借对待测物体没有 破坏性，并且具有很好的准确度，可用于相似材料 模型试验中 含 水 率 的 测 量 ［１１－１２］。 同 时，结 合 克 里
１ 试件含水率与强度关系
开展模型 相 似 材 料 试 件 单 轴 抗 压 强 度 实 验， 试验以中硬砂岩为模拟对象。通过控制相似材料 试件中含 水 率 的 大 小，建 立 相 同 配 比 材 料 条 件 下 相似材料强度与含水率关系。 １．１ 试件制备及试验过程
选取河砂 为 骨 料，石 膏、碳 酸 钙 为 胶 结 料，河 砂、石膏、碳酸钙配比为 ８∶３∶７［１３］，加入定量的水 进行搅拌，控制相似材料初始含水率为 ５％．采用 ５０ｍｍ×１００ｍｍ标准试件模具将相似材料制备 成试件，并 采 用 微 机 控 制 电 液 伺 服 压 力 试 验 机 给 予 ２０ｋＮ的试件成型压力。共制备相似材料试件 ３３个，试件如图 １所示。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｏｎｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｓｉｍｉｌａｒｍａｔｅｒｉａｌｍｏｄ ｅｌｓ，ｔｈｅｃｈａｎｇｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆｓｉｍｉｌａｒｍａｔｅｒｉａｌｍｏｄｅｌｓｗｅｒｅｍｏｎｉｔｏｒｅｄｂｙｆｒｅ ｑｕｅｎｃｙｄｏｍａｉｎｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔｏｆｓｉｍｉｌａｒｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｔｈｅｕ ｎｉａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｔｅｓｔｏｆｓｉｍｉｌａｒｍａｔｅｒｉａｌｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｏｉｓｔｕｒｅ ｃｏｎｔｅｎｔｖａｌｕｅｓ．ＡＫｒｉｇｉｎｇｓｐａｃｅｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎｆｏｒｍｕｌａｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｖａｌｕｅｓ ｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｌｏｃａｔｉｏｎｓ．Ａｆｕｎｃｔｉｏｎｅｘｐｒｅｓｓｉｎｇｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎ ｔｅｎｔｉｎｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｓｇｉｖｅｎ．Ｔａｋｉｎｇｔｈｅ１２１０１ｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｏｆＨａｌａｇｏｕｃｏａｌｍｉｎｅａｓｔｈｅｒｅ ｓｅａｒｃｈｏｂｊｅｃｔ，ａｓｉｍｉｌａｒｍａｔｅｒｉａｌｍｏｄｅｌｏｆ１０００ｍｍ×１２０ｍｍ×７００ｍｍ ｗａｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ；ｔｈｅｗａｔｅｒ
金插值法对 ＦＤＲ含水率监测数据进行插值，可得 到相似材料模型含水率的分布特征。
利用 ＦＤＲ技术，以相同配比的相似材料模型、 试件为基 础，从 试 验 角 度 探 索 模 型 内 部 含 水 率 分 布规律，得到了模型的含水率场分布特征，对比分 析了干燥后期模型强度与预期强度之间的关系。 在优化、指 导 相 似 材 料 模 型 试 验 试 验 时 间 上 具 有 非常重要的理论意义。
第 ３９卷 第 ５期 ２０１９年 ９月
西安科技大学学报 ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＸＩ’ＡＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ５ Ｓｅｐ２０１９
张丁丁，范国涛，郭 瑞，等．含水率对相似材料模型强度的影响规律［Ｊ］．西安科技大学学报，２０１９，３９（５）：７６７－７７４． ＺＨＡＮＧＤｉｎｇｄｉｎｇ，ＦＡＮＧｕｏｔａｏ，ＧＵＯＲｕｉ，ｅｔａｌ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｏｎｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｓｉｍｉｌａｒｍａｔｅｒｉａｌｍｏｄｅｌｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ Ｘｉ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１９，３９（５）：７６７－７７４．
为了使得试件养护模式与模型养 护 模 式 相 同，采用自然养护，养护时环境温度约为 １４．５℃． 根据文献 ７中试件含水率计算公式，通过称重法得 到试件的含水率值。控制试件干燥过程中的含水 率为 ２．３％至 ０．３％，含水率每降低 ０２％，分别选 取 ３个试件使用美特斯（ＭＴＳ）微机控制电子万能 试验机进行单轴压缩试验，共计 １１组。相似材料 试件的单轴抗压强度测试加载过程如图 ２所示。
含水率对相似材料模型强度的影响规律
张丁丁１，２，范国涛１，郭 瑞１，欧阳一博１，柴 敬１，２
（１．西安科技大学 能源学院，陕西 西安 ７１００５４； ２．西安科技大学 西部矿井开采与灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安 ７１００５４）
摘 要：为减少含水率对相似材料模型强度的影响，利用时域反射技术对相似材料模型含水率 变化特征进行了监测，通过不同含水率值的相似材料试件，获得了相似材料试件单轴抗压强度 与含水率的关系；提出克里金空间插值法的估值公式计算相似材料模型含水率，得出了含水率 变异函数表达式；以哈拉沟煤矿 １２１０１工作面为研究对象，搭建了长 ×宽 ×高为 １０００ｍｍ×１２０ ｍｍ×７００ｍｍ的相似材料模型，利用 ＦＤＲ传感器监测模型含水率，绘制模型含水率分布图。结 博看网 . All Rig果ht表s明R，e当se配rv比ed为. ８∶３∶７且含水率在 ０．２％ ～２．３％之间时，相似材料试件的单轴抗压强度与其含 水率呈负线性关系；通过模型含水率分布云图，模型竖直方向含水率呈上低下高的梯度特征，中 硬度岩石相似材料模型含水率值达到 １．７％ ～２．２％时，模型强度达到预期强度；相似材料模型 干燥后期模型上部强度大于预期强度，中下部基本一致。提出了一种利用含水率特征值来预判 模型干燥养护程度的方法，为提高相似材料模型试验准确性提供方法参考。 关键词：相似材料模型；含水率；频域反射技术；单轴抗压强度 中图分类号：ＴＤ３２５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７２－９３１５（２０１９）０５－０７６７－０８ ＤＯＩ：１０．１３８００／ｊ．ｃｎｋｉ．ｘａｋｊｄｘｘｂ．２０１９．０５０５ 开放科学（资源服务）标识码（ＯＳＩＤ）：
Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｏｎｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆ ｓｉｍｉｌａｒｍａｔｅｒｉａｌｍｏｄｅｌｓ
ＺＨＡＮＧＤｉｎｇｄｉｎｇ１，２，ＦＡＮＧｕｏｔａｏ１，ＧＵＯＲｕｉｏｆＥｎｅｒｇｙＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００５４，Ｃｈｉｎａ； ２．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＷｅｓｔｅｒｎＭｉｎｅＥｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎａｎｄＨａｚａｒｄＰｒｅｖｅｎｔｉｏｎ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ， Ｘｉ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００５４，Ｃｈｉｎａ）
收稿日期：２０１９－０３－２８ 责任编辑：刘 洁 基金项目：陕西省教育厅科学研究计划项目（１６ＪＫ１４８８）；陕西省创新能力支撑计划（２０１８ＴＤ－０３８） 通信作者：张丁丁（１９８７－），男，山东淄博人，博士，讲师，Ｅｍａｉｌ：４２０５４９８６３＠ｑｑ．ｃｏｍ
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西 安 科 技 大 学 学 报 ２０１９年第 ３９卷
第 ５ 期
张丁丁等：含水率对相似材料模型强度的影响规律
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图 １ 相似材料成型试件 Ｆｉｇ．１ Ｓｐｅｃｉｍｅｎｆｏｒｓｉｍｉｌａｒｍａｔｅｒｉａｌｆｏｒｍｉｎｇ
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图 ２ 相似材料试件单轴抗压试验加载过程 Ｆｉｇ．２ Ｌｏａｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｕｎｉａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ