一种模拟层状节理岩体相似材料的试验模型的制作方法技术

本发明专利技术公开了一种模拟层状节理岩体相似材料的试验模型的制作方法，涉及岩土工程领域，以解决现有模型结构上存在的需要事先预设层面和节理等不连续面的位置，模拟受到局限的问题。该方法具体步骤如下：根据需要模拟的材料力学参数和模型试验比例确定模拟试验相似材料的力学参数，并且由相似材料力学参数确定颗粒材料粒径大小和胶结材料配合比；按照特定排列方式逐层铺设钢珠和浇筑混合料：根据模型模拟岩层、层面、软层、断层和节理等要求，采用颗粒材料和胶结材料同时浇灌或者先筑颗粒材料后灌胶结材料的方法，直接浇筑模型试验相似材料。本发明专利技术可直接在浇筑过程设置层理和节理等不连续面的位置，不需提前进行加工预设工作。

An experimental model for simulating similar materials of layered jointed rock masses

【技术实现步骤摘要】
一种模拟层状节理岩体相似材料的试验模型的制作方法
本专利技术涉及岩土工程领域，特别涉及一种模拟层状节理岩体相似材料的试验模型的制作方法。
技术介绍
层状节理岩体是边坡工程中最常见的一类非均质、非连续复杂介质，这类介质中往往存在着大量的不连续面，如层面、节理、断层和裂隙等，给建设在层状节理岩体中的边坡工程稳定性带来了安全隐患。因此,研究层状节理岩体的力学特性及边坡变形破坏特征一直以来都是边坡工程与岩土力学领域最关心的问题。相似材料试验研究是最常用的、也最直观有效的方法之一，其中层状节理岩体相似材料的选择与制作工艺一直以来都是相似材料模型研究的难点与热点。在岩土结构模型试验中，为了保障模型与原型的相似性，根据相似准则，要求所使用的相似材料必须具备高容重、低强度、低弹模和可变的内摩擦角等特点，特别是要体现岩土体材料的非均匀性和非连续性。如层状节理岩体的层面和节理造成的非均质和不连续性，其层面有平直和起伏之分，其节理大多垂直于层面或者大角度相交，倾角一般大于60°。现有模拟层状节理岩体相似材料一般是由散粒体组成，经胶结剂胶结并模压成为砌块，然后码砌成层，并在层间采用充填或隔离等方法模拟层面。或者直接浇筑成形，采用切割分离的方法在预设部位模拟层面和节理。这些方法都要事先预设层面和节理等不连续面的位置，并且受到模拟数量和模拟效果的限制，具有很大程度主观人为性和技术局限性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种模拟层状节理岩体相似材料的试验模型的制作方法，以解决现有模型结构上存在的需要事先预设层面和节理等不连续面的位置，模拟受到局限的问题。本专利技术所采取的技术方案是:一种模拟层状节理岩体相似材料的试验模型的制作方法，其由胶结材料将球形颗粒粘接而成，相邻球形颗粒间在水平方向上的接触点为点接触，接触点为柔性接触，通过接触点的不同排列组合而模拟实现节理面；具体步骤如下：第一步，根据需要模拟的材料力学参数和模型试验比例确定模拟试验相似材料的力学参数，并且由相似材料力学参数确定颗粒材料粒径大小和胶结材料配合比；第二步，根据胶结材料配合比将各组分干拌均匀，然后按设定配合比加入水和液态添加剂搅拌均匀备用；第三步，按照特定排列方式逐层铺设钢珠和浇筑混合料：根据模型模拟岩层、层面、软层、断层和节理等要求，结合模型设计形状和层状节理岩体结构，采用颗粒材料和胶结材料同时浇灌或者先筑颗粒材料后灌胶结材料的方法，直接浇筑模型试验相似材料。进一步的，球形颗粒为钢珠或陶粒。进一步的，胶结材料包括基质和添加剂的混合料，基质材料为重金石粉，添加剂为石膏、水、缓凝剂、白乳胶或发泡剂中的一种或几种。这些柔性、弹性胶结材料给球形颗粒添加一层外模，可以大幅降低变形模量。如何提供一种使用相似材料模拟实际工程中层状节理岩体的基本特性且具有制作工艺简单、生产效率较高、模拟效果较好的节理岩体相似材料制作方法，是本领域技术人员急需解决的问题。基于颗粒流模型制作的相似材料对于物理模型模拟岩土体材料具有广泛的适用性。就层状节理岩体而言，其相似材料尚需较好地解决层面和节理的模拟问题。本专利技术采用一种使用相似材料模拟实际工程中层状节理岩体的基本特性，提出通过颗粒的各种排列组合来模拟不同层面和节理的形态与性状，具有制作工艺简单、生产效率较高、模拟效果较好的特点，较好地解决了层状节理岩体地质力学模型相似材料的模拟技术难题，将使层状节理岩体内部结构和离散岩块间的相互作用能被更为真实地模拟再现。本专利技术可直接在浇筑过程设置层理和节理等不连续面的位置，不需提前进行如砌块成层、切割分离等加工预设工作。附图说明图1是本专利技术基本组成示意图；图2是本专利技术颗粒接触示意图；图3是本专利技术模拟层面起伏示意图；图4是本专利技术模拟层面平直示意图；图5是本专利技术模拟软弱夹层的示意图；图6是本专利技术模拟不同的节理面组合的正视图；图7是本专利技术模拟不同的节理面俯视图。其中:1-球形颗粒、2-胶结材料、3-点接触、4-起伏层面、5-平直层面、6-软弱夹层、7-节理面。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明。一种模拟层状节理岩体相似材料的试验模型的制作方法，其由胶结材料2将球形颗粒1粘接而成，相邻球形颗粒间在水平方向上的接触点3为点接触，球形颗粒表面附有一层胶结材料，在颗粒表层胶结材料小范围内为柔性接触，亦可视为球形颗粒之表层在胶结材料范围内是重叠的。接触点为柔性接触，通过接触点的不同排列组合而模拟实现节理面；具体步骤如下：第一步，根据需要模拟的材料（即现场原型材料）力学参数和模型试验比例确定模拟试验相似材料的力学参数，并且由相似材料力学参数确定颗粒材料粒径大小和胶结材料配合比；第二步，根据胶结材料配合比（除水和液态添加剂外）将各组分干拌均匀，然后按设定配合比加入水和液态添加剂搅拌均匀备用；控制时长匀速拌合固体材料，控制时长匀速拌合液体材料，混合拌合好的固、液材料拌合至混合料均匀，第三步，按照特定排列方式逐层铺设钢珠和浇筑混合料：根据模型模拟岩层、层面、软层、断层和节理等要求，结合模型设计形状和层状节理岩体结构，采用颗粒材料和胶结材料同时浇灌或者先筑颗粒材料后灌胶结材料的方法，直接浇筑模型试验相似材料.并根据试验方案要求时间养护进入相关试验步骤。实施例1如图1所示的一种模拟层状节理岩体相似材料的试验模型的基本组成为球形颗粒和胶结材料。球形颗粒可选用较大容重的物质，如钢珠，可视为刚性体；球形颗粒还可以为陶粒；胶结材料可选用柔性、弹性物质，包括基质和添加剂，基质材料可以为重金石粉，添加剂一般有石膏、水、缓凝剂、白乳胶、发泡剂等。石膏粉：具水敏性，浸水软化崩解、失水干缩开裂；水：膏水配合比控制材料强度及凝固时间；缓凝剂:调节石膏材料凝固及成形时间；白乳胶:调节胶结厚度及变形模量；发泡剂:调节渗透系数。从而可以采用不同的配合比制作不同密度、不同强度、不同模量和不同渗透性的胶结材料。胶结材料制作过程如下：初步方案为三因素：钢珠粒径，石膏比重（石膏粉与滑石粉、重晶石粉之和的比例），滑金比（滑石粉与重金石粉的比例）。其他因素保持不变。恒定因素：总粉水比100：30，缓凝粉质量取0.2%的石膏粉，胶水比1：8（白溶胶与水质量之比），发泡剂重取2%水重，脱模时间24h制备后，养护24h。《相似材料试验》胶结材料试验参见表1，根据相似准则，要求所使用的相似材料必须具备高容重、低强度、低弹模和可变的内摩擦角等特点。钢珠与胶结材料组合成的相似材料，可通过钢珠直径调控其在材料中所占比例和材料容重，且保留胶结材料强度特性，具有足够低的、能够调控的强度。《胶结材料试验》胶结材料试验参见表2，根据相似准则，要求所使用的相似材料必须具备高容重、低强度、低弹模和可变的内摩擦角等特点。说明胶结材料有足够低的、能够调控的强度。采用粘土等弱胶结性的胶结剂可以有效降本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟层状节理岩体相似材料的试验模型的制作方法，其特征在于：其由胶结材料将球形颗粒粘接而成，相邻球形颗粒间在水平方向上的接触点为点接触，接触点为柔性接触，通过接触点的不同排列组合而模拟实现节理面；具体步骤如下：/n第一步，根据需要模拟的材料力学参数和模型试验比例确定模拟试验相似材料的力学参数，并且由相似材料力学参数确定颗粒材料粒径大小和胶结材料配合比；/n第二步，根据胶结材料配合比将各组分干拌均匀，然后按设定配合比加入水和液态添加剂搅拌均匀备用；/n第三步，按照特定排列方式逐层铺设钢珠和浇筑混合料：根据模型模拟岩层、层面、软层、断层和节理等要求，结合模型设计形状和层状节理岩体结构，采用颗粒材料和胶结材料同时浇灌或者先筑颗粒材料后灌胶结材料的方法，直接浇筑模型试验相似材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种模拟层状节理岩体相似材料的试验模型的制作方法，其特征在于：其由胶结材料将球形颗粒粘接而成，相邻球形颗粒间在水平方向上的接触点为点接触，接触点为柔性接触，通过接触点的不同排列组合而模拟实现节理面；具体步骤如下：
第一步，根据需要模拟的材料力学参数和模型试验比例确定模拟试验相似材料的力学参数，并且由相似材料力学参数确定颗粒材料粒径大小和胶结材料配合比；
第二步，根据胶结材料配合比将各组分干拌均匀，然后按设定配合比加入水和液态添加剂搅拌均匀备用；
第三步，按照特定排列方式逐层铺设钢珠和浇筑混合料：根据模型模拟岩层、层面、软层、断层和节理等要求，结合模型设计形状和层状节理岩体结构，采用颗粒材料和胶结材料同时浇灌或者先筑颗粒材料后灌胶结材料的方法，直接浇筑模型试验相似材料。


2.根据权利要求1所述的一种模拟层状节理岩体相似材料的试验模型的制作方法，其特征在于：球形颗粒为钢珠或陶粒。


3.根据权利要求1或2所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖小平，王浩，吴红刚，徐风光，蔡旭东，丁增杰，庞伟军，牌立芳，
申请(专利权)人：中铁西北科学研究院有限公司，福州大学，
类型：发明
国别省市：甘肃;62