CN103332885A - 重晶石粉胶结岩土相似材料及其制作模拟岩体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及重晶石粉胶结岩土相似材料及其制作模拟岩体的方法，属于地质力学模型试验中岩土材料的模拟技术领域，该相似材料由重晶石粉为骨料，膨润土为辅助材料，以及107胶和水混合的稀释胶水构成混合料；该方法包括：采用相似材料制作水胶比—抗剪强度f曲线、计算不同批次的相似材料湿密度及采用各批次混合料制作模拟岩体的小块体试件：本相似材料具有成本低、无毒，易于加工制作小块体的特点，很好的满足地质力学模式试验对相似材料的要求；同时，用本相似材料制作模拟岩体不影响模型砌筑过程，制作迅速，可以大大加快模型试验的进度。尤其适用于小块体砌筑的模型试验领域。

Description

重晶石粉胶结岩土相似材料及其制作模拟岩体的方法

技术领域

本发明属于地质力学模型试验中岩土材料的模拟技术领域，特别涉及一种新型岩土相似材料及其制作模拟岩体的方法，用于涉及水利、交通、采矿等工程领域的地质力学模型试验中岩土材料的模拟，并且特别适合于小块体模型试验。

背景技术

地质力学模型试验能够模拟工程结构的特点，又能近似模拟岩体断层等地质因素对工程稳定性的影响，因此其在水利、采矿、隧道等工程设计中起到了极其重要的作用并得到了广泛的应用。

根据工程实际和模型试验的相似率的客观要求，地质力学模型试验对模拟坝体及周围基础岩体介质的相似材料的力学性质等有着比较高的要求。例如，地质力学模型试验要求相似材料的所有无量纲量（应变、内摩擦角、摩擦系数、泊松比等）的相似比为1，相似材料与原型材料的弹性模量、应力应变曲线、强度等也要满足相似条件等。因此试验往往需要低弹模（最低2mpa）而又高强度、高密度的相似材料；而且，同一工程的地质条件差别较大，也就是岩土材料的弹模、密度等差异较大，例如弹模跨度为2mpa-100mpa；另外相似材料的制作和使用也有无毒、低成本等要求。因此，地质力学模型试验相似材料的研发一直是模型试验的研究热点与难点，国内外相关科研机构不断进行着相似材料的研发工作，各种新型相似材料层出不穷，但是鲜有能够比较全面的满足这些要求的材料。

武汉水利水电大学上世纪80年代曾经发明过一种由重晶石粉、胶膜铁粉和松香酒精搅拌混合的相似材料，简称MIB材料；该材料的弹性模量可以根据胶膜厚度进行调整，但是铁粉胶粘剂的氯丁胶含有甲苯，对人体有害。清华大学在21世纪初曾发明过一种由磁铁矿精矿粉、河沙、粘结剂石膏或水泥等（NIOS）组成相似材料，该材料性质稳定、容量大、价格低廉，但是干燥、养护时间长，材料不能重复使用。山东大学在2005年申请了铁晶砂胶结岩土相似材料及其制备方法，申请号200510104581.4，公开号CN1792990A，这种材料的力学性质也比较优良，成本较低，但是其使用石英砂作为主骨料，不适用于小块体精细砌筑。

发明内容

本发明的目的是为解决目前缺少一种很好的满足地质力学模型试验相似率要求而又低成本、无毒，易于加工的相似材料的问题，特提出一种重晶石粉胶结岩土相似材料及制作模拟岩体的方法，本相似材料具有成本低、无毒，易于加工制作小块体的特点，很好的满足地质力学模式试验对相似材料的要求；同时，用本相似材料制作模拟岩体不影响模型砌筑过程，制作迅速，可以大大加快模型试验的进度。尤其适用于小块体砌筑的模型试验领域。

本发明提出的一种重晶石粉胶结岩土相似材料，其特征在于，该相似材料由重晶石粉为骨料，膨润土为辅助材料，以及107胶和水混合的稀释胶水构成混合料；其中，重晶石粉、膨润土和稀释胶水的质量比为11-13:0.25-0.35：1；稀释胶水中107胶与水的胶水的质量比为1:1.5到1：6；

采用上述相似材料制作模拟岩体的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1）采用剪切试验确定稀释胶水的水胶比：制作4组密度相同，重晶石粉、膨润土、稀释胶水的质量配比也相同，但是稀释胶水中107胶与水质量比不同的立方体小试件，每组小试件含有四个相同混合料配比与胶水比的试件；对每组的四个试件，分别使用四种不同垂向荷载进行直推法抗剪试验，测量四种不同压力荷载情况下试件的极限抗剪力；使用最小二乘法拟合相同胶水比的垂向压应力—极限抗剪应力，求出该组小试件的抗剪强度f(即斜率f)；再对各组的抗剪强度f拟合成不同水胶比—抗剪强度f曲线；

2）采用单轴压缩材料试验确定相似材料密度—弹模曲线：采用4个批次的混合料，每个批次的混合料分别进行该批次的材料试验，具体方法如下：每个批次的混合料制作出至少8组不同湿密度的圆柱状试件,每组试件含有4个相同的试件；对每个试件晒干后进行单轴压缩试验，分别计算各组4个试件的平均湿密度与平均弹模；根据试验数据，做出该批次混合料试件的湿密度——弹模曲线；

3）计算模型每部位模拟材料的水胶比及湿密度：根据设计原始资料和模型试验的相似比例计算出模型各部位相似材料要求的抗剪强度、弹模，再根据步骤1)和2）的试验结果确定模型各部位对应批次的相似材料水胶比和湿密度：

4）制作模拟岩体的小块体试件：根据模拟岩体的部位选用对应批次的混合料，再根据该部位的模拟岩体计算要求的湿密度和小块体试件形状，计算一个小块体试件所需混合料的质量；称取该质量的混合料倒入压力成形机中，将该混合料压制成所述要求的湿密度小块体试件；小块体压制完毕后，晾晒2-3天后，根据模拟岩体各部件的形状，选用相应批次的小块体，逐块砌筑成模拟岩体的实验模型。

本发明的特点及效果：

本相似材料选用重晶石粉为骨料，膨润土为辅助材料，107胶和水为粘结剂。其中，重晶石粉用来提高材料的容重；膨润土对于降低弹性模量有明显的效果，且性质稳定；将107胶按一定比例兑水后的稀释胶水作为粘结剂可以保证材料的抗剪强度；这种材料特别适合模拟岩体和混凝土等脆性材料，可保证影响相似材料模拟效果的两个最重要因素——相似材料的抗剪强度和弹性模量很好的满足相似率。本材料在试验结束后可以磨成粉料供下一次试验使用，节约成本。

本材料在制作时只需要改变稀释胶水中107胶与水的胶水的质量比及密度及模拟岩体的小块体试件的密度，就可以模拟极广的岩体弹模范围，可以满足地质力学模型试验对各种不同力学性质的常见岩体及坝体材料的模拟。本材料及制作工艺特别适合于小块体砌筑法的需要，易于切割，砌筑方便。另外，本材料有以下优势：材料成本较低；本材料制作的模型不易受实验室环境的破坏，化学、物理性质稳定，没有毒副作用；易于小块体的精细模拟；可以大大加快模型试验的进度。本材料可以重复使用，而又不影响试验精度。本相似材料尤其适用于小块体砌筑的模型试验领域。

附图说明

图1为本发明的相似材料典型的应变-应力曲线；

图2为本实施例的混合料密度-弹模曲线。

具体实施方式

本发明提出的重晶石粉胶结岩土相似材料及制作方法结合附图及实施例详细说明如下：

本发明的相似材料由重晶石粉为骨料，膨润土为辅助材料，107胶和水混合的稀释胶水构成混合料；其中，重晶石粉、膨润土和稀释胶水的质量比为11-13:0.25-0.35：1；稀释胶水中107胶与水的胶水的质量比为1:1.5到1：6；

本发明的相似材料制作方法包括以下步骤：

1）采用剪切试验确定稀释胶水的水胶比：制作4组密度相同，重晶石粉、膨润土、稀释胶水的质量配比也相同，但是稀释胶水中107胶与水质量比不同的立方体小试件，每组小试件含有四个相同混合料配比与胶水比的试件；对每组的四个试件，分别使用四种不同垂向荷载进行直推法抗剪试验，测量四种不同压力荷载情况下试件的极限抗剪力；使用最小二乘法拟合相同胶水比的垂向压应力—极限抗剪应力，求出该组小试件的抗剪强度f(即斜率f)；再对各组的抗剪强度f拟合成不同水胶比—抗剪强度f曲线；

2）采用单轴压缩材料试验确定相似材料密度—弹模曲线：(地质力学模型试验的模型一般分为4部位，每部位使用相同批次的混合料，也就是地质力学模型试验的模型一般共使用4个批次的混合料)；采用4个批次的混合料，每个批次的混合料分别进行该批次的材料试验，具体方法如下：每个批次的混合料制作出至少8组不同湿密度的圆柱状试件,每组试件含有4个相同的试件；对每个试件晒干后进行单轴压缩试验，分别计算各组4个试件的平均湿密度与平均弹模；根据试验数据，做出该批次混合料试件的湿密度——弹模曲线；

3）计算模型每部位模拟材料的水胶比及湿密度：根据设计原始资料和模型试验的相似比例计算出模型各部位相似材料要求的抗剪强度、弹模，再根据步骤1)和2）的试验结果确定模型各部位对应批次的相似材料水胶比和湿密度：

4）制作模拟岩体的小块体试件：根据模拟岩体的部位选用对应批次的混合料，再根据该部位的模拟岩体计算要求的湿密度和小块体试件形状，计算一个小块体试件所需混合料的质量；称取该质量的混合料倒入压力成形机中，将该混合料压制成所述要求的湿密度小块体试件；小块体压制完毕后，晾晒2-3天后，根据模拟岩体各部件的形状，选用相应批次的小块体，逐块砌筑成模拟岩体的实验模型。

本发明的原理：

本发明主要使相似材料的弹性模量和抗剪强度满足相似比要求。原因如下：

地质力学模型试验中模拟材料的抗剪强度对试验结果影响较大，抗压强度与抗剪强度有一定的正相关性，而且其对结果影响较小；所以抗剪强度是模拟材料的主要模拟因素。大部分的地质力学模型试验使用的是超载法加压，也就是材料密度对试验结果的影响小于材料弹模的影响，而且材料的弹模与密度也有一定的正相关性；所以，本发明未直接考虑实际岩体密度对试验结果的影响，而采用相同配比的材料（重晶石粉、膨润土、稀释胶水质量比12:0.3:1），通过模拟材料的密度不同模拟弹模的不同。

本相似材料可以模拟弹模范围为（14mpa-480mpa），容重1.6-2.2t/m³，抗压强度0.1-0.8mpa的岩体,材料力学参数变化范围广，而且压缩曲线及破坏过程与岩石材料类似（如图1为本模拟材料典型的应力-应变曲线，横轴为应变值，纵轴为应力值）,可以满足地质力学模型试验对各种不同力学性质的常见岩体及坝体材料的模拟。

实施例

下面以某拱坝模型试验为例说明本发明，该拱坝模型试验的尺寸相似比为250，弹性模量相似比250，f相似比为1；重晶石粉胶结新型岩体相似材料的各部分配比：重晶石粉、膨润土、稀释胶水的基本质量比为12:0.3:1。本实施例的采用重晶石粉胶结岩土相似材料及其制作模拟岩体的方法，包括采用剪切试验确定稀释胶水的水胶比、采用单轴压缩材料试验确定相似材料密度—弹模曲线、计算模型每部位模拟材料的水胶比及湿密度、制作模拟岩体的小块体试件4部分。

本实施例的拱坝原型及模型试验数据如表1所示：

表1本实施例的拱坝原型及模型试验数据表格：

1）采用剪切试验确定稀释胶水的水胶比：制作4组密度相同，重晶石粉、膨润土、稀释胶水的质量配比也相同，但是107胶与水质量比不同的立方体小试件，4组小试件的107胶与水的质量比分别为1:1.5，1:2.5，1:3.5，1:6，每组小试件含有四个相同配比与水胶比的试件；对每组的四个试件，分别使用四种不同竖向荷载（竖向压应力分别为20kpa,40kpa,60kpa,80kpa）进行直推法抗剪试验，测量四种不同压力荷载情况下试件的极限抗剪力；使用最小二乘法拟合相同水胶比的垂向压应力—极限抗剪应力，求出该组小试件的抗剪强度f(即斜率f)；再对各组的抗剪强度f拟合成不同水胶比—抗剪强度f曲线，如表2所示；

表2稀释胶水的胶水/水质量比-抗剪强度f数值表

2）采用单轴压缩材料试验确定相似材料密度—弹模曲线：将地质力学模型试验的拱坝及周围边坡模型分为4个部位每部位，每个部位使用相同批次的混合料，也就是共有4个批次的混合料；对于每批次的混合料分别进行该批次的材料试验，方法如下：每个批次的混合料制作出至少8组不同湿密度的圆柱状试件（直径3.9cm，高8cm，湿密度从2.2-1.8g/cm³，湿密度指新压制且未经晾晒的试件密度），每组试件含有4个湿密度相同的试件；对每个试件晒干后分别称取质量，进行单轴压缩试验，分别计算各组4个试件的平均湿密度与平均弹模；根据试验数据，做出该批次混合料试件的湿密度——弹模曲线，如表3（混合料湿密度-弹模数值表）、图2（混合料湿密度-弹模曲线，横轴为混合料湿密度，纵轴为弹模）所示（圆柱状试件制作方法为：用本压力成型机将混合的混合料压制成4cm*4cm*8cm的长方体试件，然后用两个表面光滑的直径为3.9cm的铁质平板压住试件的上、下两表面，再用小刀进行人工雕刻）；根据试验数据，做出该批次混合料试件的湿密度——弹模曲线。

表3混合料湿密度-弹模的数值表

3）计算模型每部位模拟材料的水胶比及湿密度：根据设计院原始资料和模型试验的相似比例计算出模型各部位相似材料要求的抗剪强度、弹模，再根据1)和2）的试验结果确定模型各部位对应批次的相似材料水胶比和湿密度：

4）制作模拟岩体的小块体试件：根据模拟岩体的部位不同选用对应批次的混合料，将混合料按照指定配比混合搅拌均匀；确定该部位模拟材料的湿密度和小块体试件形状，计算一个小块体试件所需混合料的质量；进行小块体试件的批量制作（本实施例中将混合料压成2cm*2cm*3cm到16cm*16cm*8cm共12种尺寸的小块体；其中，5cm*5cm*8cm用来砌筑地基的绝大部分岩体，16cm*16cm*8cm用来砌筑坝体和边界，其他尺寸的小块体用来细致部位的砌筑）：称取计算质量的混合料倒入压力成形机中，将该混合料压制成要求湿密度小块体试件，进行下一个小块体试件的制作；

小块体试件压制成型后，晾晒2-3天，即可根据小块体试件形状的不同将其砌筑成实体模型的不同部位。

Claims (2)

1.一种重晶石粉胶结岩土相似材料，其特征在于，该相似材料由重晶石粉为骨料，膨润土为辅助材料，以及107胶和水混合的稀释胶水构成混合料；其中，重晶石粉、膨润土和稀释胶水的质量比为11-13:0.25-0.35：1；稀释胶水中107胶与水的胶水的质量比为1:1.5到1：6。 

2.采用如权利要求1所述相似材料制作模拟岩体的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤： 

1）采用剪切试验确定稀释胶水的水胶比：制作4组密度相同，重晶石粉、膨润土、稀释胶水的质量配比也相同，但是稀释胶水中107胶与水质量比不同的立方体小试件，每组小试件含有四个相同混合料配比与胶水比的试件；对每组的四个试件，分别使用四种不同垂向荷载进行直推法抗剪试验，测量四种不同压力荷载情况下试件的极限抗剪力；使用最小二乘法拟合相同胶水比的垂向压应力—极限抗剪应力，求出该组小试件的抗剪强度f(即斜率f)；再对各组的抗剪强度f拟合成不同水胶比—抗剪强度f曲线； 

2）采用单轴压缩材料试验确定相似材料密度—弹模曲线：采用4个批次的混合料，每个批次的混合料分别进行该批次的材料试验，具体方法如下：每个批次的混合料制作出至少8组不同湿密度的圆柱状试件,每组试件含有4个相同的试件；对每个试件晒干后进行单轴压缩试验，分别计算各组4个试件的平均湿密度与平均弹模；根据试验数据，做出该批次混合料试件的湿密度——弹模曲线； 

3）计算模型每部位模拟材料的水胶比及湿密度：根据设计原始资料和模型试验的相似比例计算出模型各部位相似材料要求的抗剪强度、弹模，再根据步骤1)和2）的试验结果确定模型各部位对应批次的相似材料水胶比和湿密度： 

4）制作模拟岩体的小块体试件：根据模拟岩体的部位选用对应批次的混合料，再根据该部位的模拟岩体计算要求的湿密度和小块体试件形状，计算一个小块体试件所需混合料的质量；称取该质量的混合料倒入压力成形机中，将该混合料压制成所述要求的湿密度小块体试件；小块体压制完毕后，晾晒2-3天后，根据模拟岩体各部件的形状，选用相应批次的小块体，逐块砌筑成模拟岩体的实验模型。 

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