隧道模型试验用复合支护承载结构相似材料的确定方法

本发明属于岩土工程地质力学模型试验的岩土相似材料领域，涉及一种支护承载结构相似材料的确定方法，尤其涉及一种隧道模型试验用复合支护承载结构相似材料的确定方法。

背景技术：

1、隧道工程中，现有的复合支护常由初期支护(以下简称初衬)与二次支护(以下简称二衬)组成。初衬常为喷射混凝土支护，必要时增设锚杆加固围岩，成为锚喷支护。穿越石质条件极差的断层破碎带时，常设置超前锚杆与注浆工艺预先加固地层。对大断面洞室、大埋深、成洞条件较差的情况则往往施作预应力锚索改善围岩变形受力形态。二衬常为整体式现浇混凝土衬砌或为喷射混凝土衬砌，必要时设置钢筋增强截面。二衬的厚度、配筋量主要取决于洞形、净空尺寸、围岩地层的地质条件与施作时机。

2、初衬主要采用工程类比方法选取，必要时按照地层-结构法计算，支护参数没有明确的安全系数值，设计者往往无所适从，设计中随意性很大，缺乏科学性。对于二衬，在i、ii、iii级围岩下可作为安全储备，在iv、v、vi级围岩下作为承载结构与初衬共同承担围岩压力及外部荷载，但目前的学术界也未明确二衬分担的围岩压力的比例，且二衬作为“安全储备”时，“安全储备”究竟取值多少也无法确定。因此，隧道复合式支护结构在参数选取与承担荷载上存在局限性，很多研究采用隧道模型试验对支护结构设计方法进行修正与完善。

3、隧道模型试验能直观地反映出结构的整体力学特性、破坏规律和特点。在不同工况的条件下，满足相似理论的基础上，按一定相似比制备与原型衬砌相似的物理模型，再结合工况分析在不同加载情况下获得衬砌内力、弯矩、洞周位移等的力学参数。为了使试验模型与原型结构的物理力学性能相似，模型试验中应采用满足一定相似条件的相似材料来制作模型，其中相似材料的选取以及配比是模型试验的核心部分。模型试验的材料、几何形状和边界条件必须和工程原型满足一定的相似关系，为施工以及工程质量提供安全有效的指导方案以及为后期隧道运营提供技术支撑。

4、现有的隧道模型试验相似材料配比的研究中，所采用模型大多为小比尺，鲜有大比尺模型试验，模型物理力学指标均较低，不能满足大型隧道模型试验相似条件要求，为了更为清晰地观测模型试验中复合式支护结构如喷射混凝土、锚杆等的受力情况与破坏特征，需要对大比尺隧道相似材料进行研究。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种力学强度高、力学参数调节方便、脆性较强以及力学性能稳定的隧道模型试验用复合支护承载结构相似材料的确定方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种隧道模型试验用复合支护承载结构相似材料的确定方法，其特征在于：所述隧道模型试验用复合支护承载结构相似材料的确定方法包括以下步骤：

4、1)确定支护承载结构相似材料的目标参数；

5、2)初步筛选支护相似材料，得到拟定支护相似材料；

6、3)对步骤2)筛选得到的拟定支护相似材料进行单轴压缩试验以及拉拔试验，获取得到单轴压缩试验结果以及拉拔试验结果，将单轴压缩试验结果以及拉拔试验结果分别与步骤1)中的目标参数比对，筛选与目标参数相近的方案，作为确定的支护相似材料。

7、作为优选，本发明所采用的步骤1)中目标参数包括初衬相似材料的目标参数、二衬相似材料的目标参数、锚杆相似材料的目标参数以及黏结剂相似材料的目标参数；所述初衬相似材料的目标参数是c35混凝土的性质参数与几何相似比相乘的结果；所述二衬相似材料的目标参数是c30混凝土的性质参数与几何相似比相乘的结果。

8、作为优选，本发明所采用的几何相似比是12.5；所述c35混凝土的性质参数包括c35混凝土的弹性模量以及c35混凝土的抗压强度；所述c30混凝土的性质参数包括c30混凝土的弹性模量以及c30混凝土的抗压强度。

9、作为优选，本发明所采用的步骤2)中拟定支护相似材料包括混凝土相似材料、锚杆相似材料以及黏结剂相似材料。

10、作为优选，本发明所采用的步骤3)的具体实现方式是：

11、对混凝土相似材料进行单轴压缩试验，将单轴压缩试验结果分别与步骤1)得到的初衬相似材料的目标参数以及二衬相似材料的目标参数进行对比，选取与初衬相似材料的目标参数相近似的混凝土相似材料为确定的初衬用混凝土相似材料；选取与二衬相似材料的目标参数相近的混凝土相似材料为确定的二衬用混凝土相似材料；

12、对锚杆相似材料进行拉拔试验，将拉拔试验结果与步骤1)得到的锚杆相似材料的目标参数对比，选取与目标参数相近的锚杆相似材料为确定的锚杆相似材料；

13、对黏结剂相似材料进行拉拔试验，将拉拔试验结果与步骤1)得到的黏结剂相似材料的目标参数对比，选取与目标参数相近的黏结剂相似材料为确定的黏结剂相似材料；

14、所述确定的初衬用混凝土相似材料、确定的二衬用混凝土相似材料、确定的锚杆相似材料以及确定的黏结剂相似材料构成步骤3)所述的确定的支护相似材料。

15、作为优选，本发明所采用的单轴压缩试验的具体实现方式是：

16、a1)确定混凝土相似材料的组成；所述混凝土相似材料包括骨料、黏结剂、调节剂以及添加剂；

17、a2)设计正交实验，确定单轴压缩试验用试样的配比；

18、a3)根据正交实验的结果，准确称取混凝土相似材料的组成，混合并搅拌均匀，装入标准模具中分层压实，形成不同的试验用试样；同时测量试验用试样的高度、直径以及质量；

19、a4)采用rmt压力试验机分别对不同试验用试样进行单轴压缩试验，加载速度为0.1mm/min，待试验用试样出现较大断裂或位移-应力曲线向下骤减时停止加载；

20、a5)通过试验仪器软件导出压应力与位移的变化情况，绘制应力-应变曲线，获取试验用试样的单轴抗压强度和弹性模量，将试验用试样的单轴抗压强度和弹性模量与初衬相似材料的目标参数相对比，选取与初衬相似材料的目标参数相近似的为确定的初衬用混凝土相似材料；将试验用试样的单轴抗压强度和弹性模量与二衬相似材料的目标参数相对比，选取与二衬相似材料的目标参数相近的为确定的二衬用混凝土相似材料。

21、作为优选，本发明所采用的骨料是重晶石和石英砂；所述黏结剂是石膏和水泥；所述调节剂是水；所述添加剂是玻璃纤维；所述重晶石是细骨料；所述石英砂是粗骨料。

22、作为优选，本发明所采用的对锚杆相似材料进行拉拔试验的具体实现方式是：

23、b1)选取锚杆相似材料；

24、b2)采用万能试验机对步骤b1)选取的锚杆相似材料进行试验，通过软件监测锚杆相似材料的应力-应变关系曲线，将试验放置试验机夹头，开始拉伸，直至完成所有锚杆相似材料拉伸；

25、b3)对步骤b2)的拉伸试验数据进行处理，根据应力-应变关系曲线，选取曲线上直线段求其斜率即为锚杆相似材料的弹性模量，将锚杆相似材料的弹性模量与锚杆相似材料的截面积相乘得到锚杆相似材料的抗拉刚度，将锚杆相似材料的抗拉刚度与锚杆相似材料的目标参数进行比较，选择误差在8％以内的材料作为确定的锚杆相似材料。

26、作为优选，本发明所采用的对黏结剂相似材料进行拉拔试验的具体实现方式是：

27、c1)完成步骤b3)后，配制并夯实围岩相似材料；

28、c2)在围岩相似材料表面钻孔，清理孔洞周围材料；

29、c3)将步骤b3)选择的确定的锚杆相似材料置于步骤c2)的孔洞中，同时在确定的锚杆相似材料和孔洞之间注入黏结剂相似材料；

30、c4)静置并待黏结剂固化，通过对确定的锚杆相似材料进行拉拔试验；

31、c5)根据拉拔试验结果最终得到确定的黏结剂相似材料。

32、一种基于如前所记载的隧道模型试验用复合支护承载结构相似材料的确定方法确定得到的隧道模型试验用复合支护承载结构相似材料。

33、与现有相似材料的研究相比，本发明具有如下优势：

34、本发明公开一种复合支护承载结构相似材料的确定方法，采用几何相似比为12.5，为大比例尺寸，配制能满足大比尺模型试验的复合支护承载结构相似材料，其采用的相似材料配方，可制作力学强度高、力学参数调节方便、脆性较强、力学性能稳定的复合支护承载结构。本发明中相似材料的原材料种类少，来源广泛，对环境无危害。衬砌相似材料与锚杆相似材料的确定方法简单，且适用于大比尺隧道衬砌模型的浇筑，工作性能稳定，可广泛应用于大比尺隧道复合支护结构相似材料。本发明的配置材料简单易得、经济性较好、材料配比范围广，可以得到符合多种相似比的相似材料，对模型试验的变形相似度高。具体而言，本发明具有如下优点：

35、1)现有隧道模型试验多为小比例尺试验，各类支护构件如衬砌、锚杆的受力与破坏形式较难监测，而本发明目的重点在于分析隧道的支护结构受力特征，偏向于结构试验，故采用大比例尺寸，方便支护结构的监测。2)玻璃纤维主要成分是氧化硅，具有很高的抗变形能力，具备在长期荷载的情况下抵抗变形的能力，在配制衬砌相似材料时，可加入少量玻璃纤维，提高衬砌相似材料的抗压强度。3)黏结性试验中所用的环氧树脂ab胶，起到固化作用，其固化速度快，固化后粘接强度高、硬度较好，有一定韧性。4)本发明所用材料价格低廉，方便获取，易于推广。