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第２９卷第１ｌ期杜时贵，等．岩石结构面力学原型试验相似材料研究·２２６５· 高校bbs式中：乞为节理抗剪强度；瓯为作用于节理的法向应力：饩为节理基本内摩擦角；职Ｃｎ，ＪＣＳ．分别为取样长度为Ｌ的节理粗糙度系数和壁岩强度。ＪＲＣ．ＪＣＳ模型认为，结构面的壁岩强度和粗糙度系数是决定抗剪强度的主要因素。
杜时贵等‘１３１将天然岩石结构面试样的直剪试验结果与ＪＲＣ．ＪＣＳ模型计算值进行了对比分析，指出应用结构面粗糙度系数定向统计测量技术的ＪＲＣ．ＪＣＳ模型评价的结构面抗剪强度参数与直剪试验结果具有较好的一致性。 ２．４相似材料的选择要求
要使模型与原型完全相似，则必须满足以上的相似关系及原则【１４】。但是，要满足所有的相似关系是非常困难的，甚至是不可能的。因此，必须首先查明所有因素中哪些是决定性因素才能对模拟试验的材料进行选择。
屯兰矿根据ＪＲＣ．ＪＣＳ模型的力学机制，在结构面剪切试验过程中，主要涉及较高法向应力、结构面凸起体强度、表面粗糙度系数等因素对抗剪强度的综合作用。可见，模拟结构面相似材料选择的主要因
素是能够复制原岩结构面的表面形状和起伏度、与原岩结构面相近的抗压强度及较高法向应力下相似的剪切变形破坏机制。因此，在相似材料选择和配比实验中，结合相似材料的相似原理，要求相似材料模型的几何特征及物理常数均与原型一致，即应力相似比Ｇ、几何相似比Ｃ，和弹性模量相似比Ｑ均接近ｌ。
结合上述分析，课题组研制了以高强水泥、硅粉、高效减水剂、标准砂、水等混合而成的模型材料来代替岩石结构面进行力学试验。试验原材料中取消了粗骨料，选用标准砂作为细骨料，一是由于其颗粒小，能够较好地模拟岩石结构面的起伏形态；二是水泥石在粗骨料界面（过渡区）是普通混凝土的最薄弱区域，易开裂。为了得到与岩石结构面相近的模型材料，利用模拟岩石结构面替代原岩结构面进行各种原型试验研究，本文从以下４个方面对模型试件进行对比试验：
（１）结合相似材料的相似原理，通过均匀设计方法进行不同材料的敏感性试验，得到最优的岩石模型材料。
（２）利用逆向工程技术原型”】并采用自行研制的多尺度试样模具得到与原岩结构面的表面形态及起伏度一致的不同尺度模拟结构面。在已选取的原岩结构面进行不同尺度的结构面试样的制作，通过对原岩结构面及试样上下结构面的粗糙度测量，对比原岩结构面与模拟结构面的表面起伏形态。
蔡光欣（３）模拟结构面试件完成５级法向荷载剪切后，对剪切后结构面粗糙度系数进行统计，分析粗糙度
系数的衰减率和结构面的破坏形式。
（４）利用ＪＲＣ．ＪＣＳ模型估算原岩结构面抗剪强度，与模拟岩石结构面直剪试验的试验结果进行对比评价。
３模型试件的制作及试验
３．１模型试件的制作
试验原材料有：５２．５Ｒ普通硅酸盐水泥、标准砂、９２０Ｕ微硅粉及ＦＤＮ－Ｆ２高效减水剂。试验设计了基准配合比（见表１），减水剂掺量为Ｏ％～２％，砂细度模数为２．０－～３．０，硅粉与胶凝材料比为０－－一０．２，进行不同配比的敏感性试验。
表１基准配合比
Ｔａｂｌｅ１Ｓｔａｎｄａｒｄｍｉｘｉｎｇｒａｔｉｏｓ
标准试件的制作是根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（ＧＢ５００８１—２００２）的规定，选用边长为１５０ｌｌｌｍ的立方体试模，将配合好的混合材料搅拌后倒入试模，振动密实，标准养护，拆模即可成型，如图ｌ所示。
图１标准试件
Ｆｉｇ．Ｉ
Ｓｔａｎｄａｒｄｓａｍｐｌｅｓ
模拟岩石结构面试件制作步骤：（１）选取原岩结构面并进行间距为１０ｃｍｘ１０
ｃｍ的网格划分；（２）
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脱氧剂·２２６６·岩石力学与工程学报２０１０焦选取隔离膜对原岩结构面进行处理；（３）多尺度试
样模具（大小为１０～１００ｃｍ）放置在结构面上，根据
基准配合比将混合材料缓慢地倒在模具内进行振捣
养护；（４）把制作好的模型结构面作为下盘结构面
利用同样的方法制作与之吻合的上盘结构面（见图２）。
图２模拟岩石结构面试件
Ｆｉｇ．２Ｓｉｍｕｌａｔｅｄｒｏｃｋｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐｌａｎｅｓｐｅｃｉｍｅｎｓ
３．２标准试件力学性能测试
标准试件养护完成以后，从标准养护箱中取出，先称量，随后在多功能压力机上测试试件的抗压强度（见图３）。由于配比较多，表２仅列出了基准配合比试件参数的测试结果。
图３相似材料抗压试验
Ｆｉｇ．３Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｔｅｓｔｏｆｓｉｍｉｌａｒｍａｔｅｒｉａｌｓ
表２基准配合比试件参数测试结果
Ｔａｂｌｅ２Ｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｓａｍｐｌｅｓｗｉｔｈｓｔａｎｄａｒｄｍｉｘｉｎｇｒａｔｉｏｓ
３．３模拟结构面试件粗糙度系数测定
在模拟岩石结构面试件剪切前，利用轮廓曲线仪【１６】（见图４），沿与剪切荷载相同的方向，对各个试件的上、下盘结构面表面轮廓曲线进行测定，
图４轮廓曲线仪‘１６】
Ｆｉｇ．４Ｐｒｏｆｉｌｏｇｒａｐｈ［１６１
在同一方向绘制的轮廓曲线每ｌＯｃｍ不少于ｌ条（见图５），然后通过粗糙度尺量测每一条轮廓曲线的起伏幅度值，并运用ＪＲＣ修正直边法数学表达式［１７１计算各轮廓曲线的粗糙度系数。为了对比模拟岩石结构面经过５级荷载剪切后结构面粗糙度系数的衰减率，在直剪试验完成后，采用相同方法对剪切后的结构面进行粗糙度系数统计。表３给出了Ｊ０１结构面的起伏差Ｒ，和粗糙度系数般Ｇ。
图５模拟结构面表面形态
Ｆｉｇ．５Ｓｕｒｆａｃｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｓｉｍｕｌａｔｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ
ｐｌａｎｅ
３．４模拟结构面试件抗剪强度测试
模拟岩石结构面完成粗糙度系数统计后，进行不同尺度的模拟结构面５级荷载剪切试验（见图６），Ｊ０１模拟结构面（试件大小为１００ｃｍ×１００ｃｍ）直剪试验结果列在表４中。
３．５ＪＲＣ－ＪＣＳ模型经验估算
天然结构面的岩石类型是钙质板岩，结构面壁岩干燥状态下的壁岩强度ＪＣＳｏ＝７８．６ＭＰａ，基本内摩擦角纸＝２８．２。。根据式（１），先确定各个估算参数，再计算每级法向荷载下结构面的抗剪强度。
（１）ＪＣＳ．的确定
根据试样的ＪＣＳｏ值，利用壁岩强度尺寸效应公
式确定大尺度试样结构面的壁岩强度ＪＣＳ【１８ｌ：．万方数据
表３Ｊ０ｌ结构面的起伏差Ｒｙ和粗糙度系数ＪＲＣ．Ｔａｂｌｅ３Ｕｎｄｕｌａｔｉｏｎ
Ｒｙ
ａｎｄｒｏｕｇｈｎｅｓｓｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔＪＲＣｎｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐｌａｎｅＪＯ１
状态警急￡抵等篙篆篙鼍鬻
图６模拟结构面直剪试验
Ｆｉｇ。６Ｓｈｅａｒｔｅｓｔｏｆｓｉｍｕｌａｔｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐｌａｎｅ
蝇＝蛹（扩２㈣式中：厶为试件结构面的取样长度，此处取１００咖；厶为标准试样结构面的长度，取样长度为１０ｃｍ。
表４结构面抗剪强度的直剪试验和经验估算结果
Ｔａｂｌｅ４Ｅｍｐｉｒｉｃａｌｅｓｔｉｍａｔｉｏｎａｎｄｄｉｒｅｃｔｓｈｅａｒｔｅｓｔｒ
ｅｓｕｌｔｓｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐｌａｎｅｓｈｅａｒｓｔｒｅｎｇｔｈ
抗剪强度／ｋＰａ法向应力／ｋＰａ——
模拟结构面直剪试验原岩结构面经验估算
（２）ＪＲＣ的确定
根据表３，原岩结构面职Ｃｏ＝７．４３，厶＝１００ｃｍ的粗糙度系数职ｅ＝２．０９。
（３）纸的确定
根据岩石物理力学性质试验结果可知，干燥试样基本内摩擦角ｆｏｂ＝２８．２。。
（４）每级法向荷载下抗剪强度确定
将各个估算参数代入式（１），得到各级试验法向应力下的结构面抗剪强度估算值（见表４）。
４试验结果分析
４．１材料配比试验结果分析
关务
通过大量的配比试验，得到了各种原料掺量对混合材料性能的影响，主要分析结果如下：
（１）塌落度相同时，抗压强度随着减水剂掺量（即减水剂用量与胶凝材料用量比）的增加而增大（见图７）。试验中减水剂掺量均小于２．０％，通过掺加减水剂以降低水胶比，来提高抗压强度，在掺量为２．０％范围内减水剂掺量越大，则水胶比越小，强度就越高。
０．００．５１．Ｏ１．５２．０
减水剂掺量肱
图７减水剂掺量与抗压强度的关系曲线Ｆｉｇ．７
假如没有灰尘教学设计
ＲｅｌａｔｉｏｎＣｌＩＩ＂Ｖｅｏｆｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃｉｚｅｒｃｏｎｔｅｎｔａｎｄ
ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈ
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