[發明專利]一種模擬IV類圍巖的試驗用模型土及其制備方法

無效

• 申請號: 200910200036.3
• 申請日: 2009-12-07
• 公開（公告）號: CN101734899A
• 公開（公告）日: 2010-06-16
• 發明（設計）人: 徐前衛;朱合華;丁文其;馬險峰;馬忠政;張燕霞;金方方;馬靜;夏凱成;王高榮;韓紅娟;吳丹丹
• 申請（專利權）人: 上海理工大學;同濟大學
• 主分類號: C04B28/14
• 分類號: C04B28/14;C04B14/36
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 吳寶根

技術領域

本發明涉及一種試驗用模型土，特別涉及一種碎IV類圍巖的試驗用 模型土及其制備方法。

背景技術

由于巖體本身的復雜性，使得模型試驗在巖體力學的研究中應用得比 較普遍，尤其是針對比較軟弱破碎的IV類圍巖。其目的是想通過人為的 辦法控制巖體的性質，使之在需要的方面實現模型巖體與原型巖體間恰 當的比例。鑒于軟弱破碎巖體在試驗模擬上的復雜性，目前，各國學者 正從各種不同的角度來設法突破這一障礙。

人工巖體模型材料一般是指將粉粒狀固體和含水液體按照一定的比 例混合，得到一定強度和重度要求的相似人工混合物。一般而言，理想 的人工巖體模型材料應具備以下條件：

(1)均勻、各向同性；

(2)力學性能穩定，不易受環境條件(溫度、濕度等)的影響；

(3)改變原料配比，模型材料的力學性能變化不大，這可保證材料 力學性能的穩定性，利于進行重復試驗；

(4)便于模型加工、制作；

(5)易于實施測量(包括粘貼應變片等)；

(6)取材方便，價格較低；

(7)對人體無任何毒害作用。

關于人工巖體模型材料的研制，國內外的一些科研機構很早就開展了 這方面的工作，并總結了一些重要的經驗。大量實驗表明，用單一的天 然材料作為相似材料的應用面有限，通常是用若干天然材料(鐵精粉， 重晶石粉，石膏粉，石灰粉，石英砂，河砂，粘土，木屑等等)和人工 材料(水泥，氧化鋅，石蠟，松香，酒精，白乳膠，樹脂等)按照一定 的比例配制而成。因此，人工巖體相似材料一般是多種材料的混合物， 混合物的成分和配比要經過大量的配比試驗才能滿足。

國外許多單位對模型材料的研究都十分重視，如意大利等國家的試驗 研究單位采用的模型材料多為鉛氧化物與石膏的混合材料，有時摻入砂 子或小圓石以調節材料強度；此類模型材料與巖石的相似性較好，也可 達到較大的容重，改變配比可使材料性能在較大范圍內變化，是一種應 用較廣的地質力學模型材料；但此類材料價格昂貴，而且其中的鉛氧化 物有毒性，對工作人員的健康不利，還易造成環境污染等缺點。另一類 模型材料為環氧樹脂、重晶石粉、甘油等混合材料，其強度及彈模均高 于第一類模型材料，而且需要高溫固化，固化過程所散發出的有毒氣體， 亦會危害人體健康(谷兆祺，1994)。

近些年來，我國的一些科研單位近些年來也開展了對模型巖體材料的 研制工作，并取得了相應的進展。目前，國內正在使用的模型材料主要 有以下幾種：

(1)采用重晶石粉為主料，以石膏、機油、石蠟或凡士林作為膠結 劑，其它材料如石英砂、鐵粉、膨潤土粉等作為調節容重和彈模的輔助 材料(周維垣，1990；李天斌1994，1996)；

(2)采用砂、石膏作為主要材料，其余材料為添加劑(趙震英，1995； 黃倫海2004；蔣樹屏，2002；杜青，2005)；

(3)由加膜鐵粉和重晶石粉為骨料，以松香為膠結劑(韓伯鯉，1983)；

(4)采用石英砂、云母粉為骨料，以碳酸鈣為膠結材料來模擬原狀 巖體(張金才，1995)；

(5)NIOS模型材料(李仲奎，2003；馬芳平，2004；王愛民，2004)， 主要含有主料磁鐵礦精礦粉、河砂、粘結劑石膏或水泥、拌和用水及添 加劑。

(6)IBSCM模型材料(李勇，2006；王漢鵬，2006)，采用鐵精粉、 重晶石粉、石英砂作為骨料，松香、酒精溶液作為膠結劑，石膏作為調 節劑混合而成。該材料能模擬的容重范圍為2.1～3.1g/cm³，彈性模量在 74～94MPa，單軸抗壓強度0.3～0.8MPa。

但是，以上所述方法有一定的局限性，尤其是較適合于強度相對而言 比較高的巖層，而不適于象IV類圍巖這樣的低強度的軟弱破碎巖體；其 次，上述材料該材料要么含有有毒物質，在模型制備時容易產生中毒， 要么模型干燥耗時較大，且不能重復利用。

發明內容

本發明的目的之一是提供一種按照相似理論要求的可用來模擬軟弱 破碎IV類圍巖的試驗用模型土。

本發明的目的之二是提供一種上述IV類圍巖的試驗用模型土的制備 方法。

原型地層參照的是《公路隧道設計規程》中規定的IV類圍巖，其對 應的巖體力學參數如表1所示。