隧道围岩透明相似材料强度特征与配合比研究

摘要

随着透明化物理模型试验在隧道工程力学机制与变形特征研究中发挥越发显著的作用，同时满足透明度和相似原理要求的围岩相似材料成为保证试验结果与实际工程相契合的关键.本文基于正交试验数据的统计分析，总结配置的透明胶结土相似材料的强度特性，探索用于表征隧道围岩特性的相似材料配合比量化设计方法 .首先，选取熔融石英砂、纳米级白炭黑、正十二烷混合15#白油为原材料，设计2因素3水平的正交试验，完成重度、内摩擦角及黏聚力数据的测定；然后，应用串联法分别拟合表示重度、内摩擦角、黏聚力与石英砂粒径、胶石比（纳米级白炭黑与石英砂质量比）之间相互关系的多元非线性回归方程；最后，通过多元回归方程的联合求解，完成石英砂粒径、胶石比和几何相似常数的确定.试验结果表明：1）所配置的透明胶结土相似材料的重度、内摩擦角和黏聚力数值的变化区间分别为16.13～12.53kN/m3、27.07°～14.82°和31～2.3 kPa，剪应力-剪切位移曲线均具有峰后平台型、峰后跌落型的特点；2)T检验和F检验的结果显示拟合得到的三个非线性回归方程自变量对因变量影响极其显著，方程本身真实可靠；3）将重度和内摩擦角的回归方程联立，解算石英砂粒径和胶石比，求得的石英砂粒径和胶石比数值代入黏聚力回归方程完成黏聚力的计算，计算黏聚力与原地层黏聚力的比值，得几何相似常数.构建了一种新型的相似材料配合比和几何相似常数量化设计方法 .研究成果以期为隧道工程可视化物理模型试验设计提供理论支撑与数据参考.

关键词

隧道工程 / 量化设计方法 / 多元非线性回归 / 隧道围岩 / 透明胶结土

基金资助

国家自然科学基金资助项目（42207190,42002293）; 海南省自然科学基金资助项目（422RC599）; 石家庄铁道大学省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室开放课题资助项目（KF2022-03）; 海南省院士创新平台科研项目（YSPTZX202320）; 海南大学科研启动项目[KYQD(2R)1969]