[發明專利]用于流-固耦合模型試驗的斷層相似模擬材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201310104498.1
• 申請日: 2013-03-28
• 公開（公告）號: CN103183495A
• 公開（公告）日: 2013-07-03
• 發明（設計）人: 李利平;王康;李術才;雷霆;周毅;宋曙光;王慶瀚;李邦翔
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: C04B28/14
• 分類號: C04B28/14
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 彭成

技術領域

本發明涉及一種用于流-固耦合模型試驗的斷層相似模擬材料及其制備方法，屬于材料科學技術領域。

背景技術

當前許多學者通過大量的地質力學模型試驗來研究地下工程設計和施工方法的優化，進行施工過程力學規律的探索。但是現在的地下工程模型試驗存在著許多明顯的不足，尤其是在相似材料的研發方面，以前大多數注重模擬物理特性方面的相似，很少考慮到材料的水里特性。雖然有極少數考慮到流-固耦合作用，但是模型試驗中往往只是采用一種圍巖的相似材料，比較均一，難以反應復雜地質條件下的滲流變化，如含斷層的情況下圍巖與斷層的滲水流量以及其他一些應力位移的差異。對圍巖相似材料的研發比較常見，但是斷層相似材料的配比卻十分罕見。

發明內容

針對上述現有技術，為克服現有技術的不足，本發明提供了一種用于流-固耦合模型試驗的斷層相似模擬材料，該種材料采用石膏作為膠結劑，實現對斷層流-固耦合特性的模擬；采用滑石粉和石英砂作為調節劑，調節材料重度；采用凡士林作為阻水劑，調節材料的滲透性，同時也作為材料的塑性膠結劑，用于模擬不同滲透性件下的斷層的流-固耦合特性，實現在同一實驗中與圍巖流-固耦合特性的實時對比，本發明還提供了其制備方法。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種用于流-固耦合模型試驗的斷層相似模擬材料，是由以下重量份的組分組成的：石英砂1份，滑石粉0.05～0.25份，石膏粉0.05～0.15份，凡士林0.08～0.2份，水0.1～0.2份。

優選的，是由以下重量份的組分組成的：石英砂1份，滑石粉0.07份，石膏粉0.1份，凡士林0.16份，水0.15份。

所述石英砂的粒徑小于7mm，且級配均勻。

所述石膏粉的細度為650目

所述滑石粉的細度為1200目。

所述拌合水為普通的飲用水。

所述凡士林為白色無毒的醫用級凡士林。

上述用于模型試驗的流-固耦合相似材料的制備方法，包括以下步驟：

1）按比例稱取石英砂、石膏粉、滑石粉和凡士林；

2）將石英砂、石膏粉、滑石粉三種細粒材料混合并攪拌均勻；

3）加入稱量好的拌合水，充分攪拌；

4）將凡士林加熱至45℃～60℃，使其熔為液態；

5）將液態凡士林與步驟3）所得材料混合，并充分攪拌；

6）室溫下冷卻3～7min，即得用于模型試驗的流-固耦合相似材料。

本發明的用于流-固耦合模型試驗中模擬斷層相似材料，采用石膏作為膠結劑，同時配上凡士林用作塑性膠結劑，既避免了材料遇水迅速軟化崩解，同時又可以實現材料在滲流發展過程中強度降低滲透性增強這一目的，更好的實現流-固耦合特性的模擬；采用凡士林來調節材料的水理特性，保證材料的水理特性滿足實驗要求；采用石英砂和滑石粉作為骨料，同時也是調節劑，調節材料的重度以及強度和彈性模量等，材料主要參數范圍如表1所示，在單軸抗壓條件下的應力應變曲線如圖1所示。

表1

本發明的用于流-固耦合模型試驗中模擬斷層的相似材料，研究了可用模型試驗中模擬斷層的相似材料的技術方案和制備方法，填補了流-固耦合模型實驗中對于斷層模擬的材料的空白，既解決了材料遇水迅速軟化崩解的問題，同時模擬了材料強度及滲透性隨滲流發展的變化。實現了在同一模型實驗中同時填上斷層和圍巖兩種相似材料，通過兩種材料的實時對比，更好的模擬工程實際的情況，使得出的實驗結果更好的去指導工程實際應用。

本發明選用石英砂、滑石粉、石膏粉、凡士林作為組成成分，其中，石膏粉作為主要膠結劑，其力學性質與模型實驗材料的要求比較接近，遇水粘結性好，同時隨時間的推演可以發生緩慢的變化；滑石粉作為調節劑，主要是調節相似材料的重度，使相似材料滿足相似原理的要求；凡士林作為塑性膠結劑和阻水劑，主要是調節相似材料的滲透性以及強度和彈性模量，隨著含量的增加，其對強度和彈性模量的調節作用與石膏相反，這樣保證了材料的力學性質可以有效調控；通過調節凡士林和石膏粉的比例，可以改變材料的力學特性和水理特性，使得該流-固耦合材料的應用范圍變廣。另外，調節滑石粉和石英砂的比重，可以調節材料的內摩擦角和粘聚力。

本發明的流-固耦合模型試驗中模擬斷層的相似材料，具有以下優點：

1、能實現相似材料在水的作用下不會迅速發生軟化崩解，而是隨著時間的推演力學和滲流特性逐漸發生變化，模擬斷層材料在滲流作用的流-固耦合特性；