[發明專利]一種用于模擬V類圍巖的地質力學模型相似材料

有效

• 申請號: 201410146674.2
• 申請日: 2014-04-12
• 公開（公告）號: CN103936330B
• 公開（公告）日: 2016-10-26
• 發明（設計）人: 陶連金;郭飛;侯森;劉春曉;李書龍
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: C04B26/00
• 分類號: C04B26/00;C04B14/06;C04B18/08
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

技術領域

本發明屬于工程相似模擬材料領域，具體涉及一種用于模擬V類圍巖的地質力學模型相似材料。

背景技術

由于近代生產建設及科學技術的發展，越來越多的建筑物，如大壩、廠房、隧洞、地下電站等都需要修建在具有復雜地質構造的巖基上或者巖體內，因而使這類建筑物的抗滑穩定、基礎變形對建筑物結構的影響等問題成為了地質力學模型試驗研究的主要內容。

地質力學模型試驗是根據一定的相似原理對特定工程地質問題進行縮尺研究的一種方法，試驗的主要目的是研究各種建筑物在外荷載作用下的的極限承載能力、破壞形態、破壞機理和變形分布特性。地質力學模型試驗的研究內容不僅限于己知荷載下的某一狀態，更重要的是研究在漸增荷載作用下直至破壞的整個變化過程，它采用真實的物理實體，在滿足材料相似，尤其是在力學相似條件下，能真實反映地質構造與工程建筑之間的關系，能模擬工程建筑對巖體所產生的影響，且能更直觀地顯示出工程建筑對巖體影響以及巖體變形對建筑物結構的影響所產生的結果。因此，在地質力學模型試驗的研究過程中，滿足物理力學性能相似關系的模型材料是模型試驗的基礎，是模型試驗是否成功的關鍵。

目前我國正在建設和即將興建的水電工程地質構造中，影響整體穩定的巖體種類多、性能差異大，尤其是在我國西南地區，很多工程中出現了大量的V類巖體，此類巖體強度和變形模量較低，性能較差，對工程整體穩定帶來了非常不利的影響，因此需要有合適的模型相似材料來模擬此類軟弱巖體以便進行以上所述的相關研究。

對于模擬巖石的模型材料，有的將其模擬為連續介質，有的將其模擬為非連續介質。對于連續介質的模型材料，山東大學的王漢鵬等研制出一種新型的相似材料鐵晶砂膠結料(IBSCM)，這種材料用鐵精粉、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，清華大學李仲奎等研制出一種NIOS地質力學模型材料,它由磁鐵礦精礦粉、河砂、粘結劑石膏或水泥、拌和用水及添加劑組成。H.H.Einstein等以砂為骨料、石膏為主要膠結材料來模擬巖石；申玉生，高波等采用粉煤灰、河砂和機油來模擬巖石，這種材料配制簡單，而且材料的容重及強度均較低，適合作為軟弱圍巖。對于非連續介質的模型材料，Aydan等將不易破壞的塊體材料用于結構的非連續介質模型試驗中，并得出模型的破壞往往與非連續介質連接的傾向有關；近些年，Aydan又將易破壞的塊體材料用于底摩擦模型試驗，這種塊體材料由BaSO4,、ZnO和凡士林壓制組成，這種材料的輕度取決于壓實力，所以其可能實現模型在所要求強度下的破壞。對于斷層的模擬，可采用油脂類涂料來模擬粘土夾層的粘滯滑動，而滑石涂料可模擬塑性滑移；方林，蔣樹屏等通過配比試驗確定斷層的相似材料與一般圍巖相同，但配合比不同。斷層和圍巖的接觸面則使用石英砂、BaSO4和機油作為相似材料，以模擬地震時斷層上下盤的位移。

現有材料存在的問題：

1）在材料配制過程不僅存在需要高溫固化，耗能的問題，且固化過程中散發的有毒氣體會危害人體健康。

2）工藝復雜，使得制作成本增加，使用的鐵粉外膜一旦脫落很容易生銹，影響材料性質的穩定性，容易導致試驗失敗等缺點，相似材料較難模擬軟弱巖體。

3）對于連續介質的模型材料，有的能夠很好的滿足相似關系，但其配置所需原料較多，在試驗中很難控制配合比，配置難度高；而配置簡單的材料則在相似關系上存在很多不足。

發明內容

本發明的目的是為了克服上述模型材料的缺點，提供一種新的、具有低強度和低變形模量性能，且可用于模擬V類圍巖的地質力學模型相似材料。

本發明提供的用于模擬V類圍巖的地質力學模型相似材料由石英砂、粉煤灰、洗潔精混合而成。其中采用石英砂作為主要骨料，其自身粒徑的不均勻性正好可以在一定程度上模擬圍巖的離散性。洗潔精作為膠結劑，其具有較好的粘性，容重較高，且清潔、對人無有害作用。輔助材料為二級粉煤灰，主要作用為聯結石英砂與洗潔精，其為顆粒較小的球狀顆粒，具有較強的表面張力，能夠吸附較多的洗潔精，并與石英砂結合為整體。按質量份計是由以下組分構成:

??????石英砂:380-430

??????粉煤灰:140-200

??????洗潔精:60-100

其中優選，石英砂采用粒度16-32mm，更優選堆積密度：1.76g/cm³，不均勻系數：1.8-2.0，孔隙率0.38-0.43；粉煤灰為一級灰；洗潔精密度大約是0.95的，粘度是在25度時約是2500-2700Pa·s。