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软岩是一种特定环境下具有显著塑性变形的复杂岩石力学介质,且其单轴抗压强度低、应力应变曲线无明显峰值点。本文运用相似理论,按照相似材料与原型岩体的应力应变曲线的整个过程相似的原则,包括强化阶段、软化阶段及其残余强度相似,对相似材料进行配制。首先,利用数值模拟方法,分析了软岩的变形模量、摩擦角、粘聚力、泊松比等物理力学参数对软岩巷道围岩稳定性影响的敏感性,目的在于确定影响围岩稳定性的最敏感因素,从而在模型试验相似材料的配制过程中严格控制该因素,否则会影响模型试验的准确性。最终得出弹性模量和内摩擦角是较敏感的因素。
根据数值模拟的结果对相似材料进行配置,配制过程采用正交试验优化设计的方法,原料选取砂作为充填料,石膏、高岭土、纯粘土作为胶结料,黄油、甘油作为添加剂。选取其中的部分原料以不同比例进行配制,运用三轴试验仪进行单轴、常规三轴试验。通过对各种不同原料配比下的相似材料应力应变曲线进行比选,选择出最符合大变形特性的应力应变曲线,对应的原料即是符合大变形要求的原料,初步选定高岭土、砂、甘油作为相似材料的原料。其次,依据正交设计方法,对目标材料进行预备模型材料配制,确定砂∶高岭土∶甘油∶水以20∶10∶0.4∶1的比例配制的相似材料塑性变形最为明显,且无明显的峰值应力。最后,优化配比设计,进行了三种配合比的试验工作。最终确定软岩预备模型相似材料CL1采用砂∶高岭土∶甘油∶水以10∶5∶1.3∶1的比例进行配制。由于配合比CL1在制作大模型时,出现制模困难、凝固困难等问题,故进行地二次相似材料试验,用同样的方法,选定正式模型材料CL2的配合比,即水∶水泥∶粘土∶砂为1.3∶1∶4∶20。并对试验的结果进行了简要的分析。