岩石高强高脆动静特性相似的材料配制理论、方法和配方组成比例

本发明专利技术属于相似材料技术领域，公开了岩石高强高脆动静特性相似的材料配制理论、方法和配方。首先通过分析原岩矿物成份和微观结构(原岩矿物成份和比例、矿物颗粒级配、矿物颗粒形状)，结合物理力学特性(硬度、结构系数，单轴抗压强度、单轴抗拉强度、弹性模量、泊松比，动弹性模量、动泊松比)以及地应力赋存环境，提出高强高脆动静特性相似理论，然后确定相似常数，得出类岩石材料物理力学目标参数，进而确定骨料、胶结剂、外加剂等；再通过均匀设计法设计配比方案，制备试样；最后测试试样物理力学参数，回归分析结果，得到目标配比。本发明专利技术提出的配制理论、方法和配方为深部硬岩工程大型物理模型试验动力灾害机制研究提供理论和物质基础。基础。基础。

【技术实现步骤摘要】
岩石高强高脆动静特性相似的材料配制理论、方法和配方


[0001]本专利技术属于相似材料
，特别涉及岩石高强高脆动静特性相似的材料配制理论、方法和配方。

技术介绍

[0002]深埋交通隧道工程、大型水电站深部物理地下实验室、核废料处置场地等重大工程建设过程经常发生极具不确定性，难以预测的地质灾害，每年都给国家带来十分巨大的经济损失。硬质岩自身单轴抗压强度较高，在深部高地应力极端赋存环境下，表现出高强度岩石的显著脆性特征。深部工程现场环境复杂，不可控因素较多，硬岩对于外界工程扰动十分敏感，施工过程中动力扰动是深部围岩灾变分析及稳定性研究不容忽视的关键因素。深部高地应力环境下硬脆性围岩持续积聚的应变能极易在工程扰动下突然释放而发生岩爆动力灾害。虽然目前通过相关理论分析、室内模拟和现场监测研究，对于深部围岩灾变失稳的工程扰动效应已有整体的把握，但工程扰动方式差异对深部围岩孕灾的影响尚未得到系统的考虑和深入揭示。为更好地揭示深部围岩孕灾工程效应问题，揭示深部岩石力学中动力响应和失稳破坏过程，开展大型物理模型试验是最有力的试验手段之一。
[0003]在模型试验中，模型相似材料的确定占据着极其重要的地位，是决定试验成败的基础，其材料选择与配料比例对模型的物理力学性质起着决定性的作用，并直接关系到试验最终结果的可靠性。对于深部地下工程来说，岩石往往具有高强度、高脆性、及动力特性等特点。近些年来国内外学者研制出诸多种类的相似材料，如具有高容重、低弹模、低强度等特点的MIB相似材料，具有高容重、性能稳定、力学参数调整范围大等特点的NIOS相似材料，具有高容重、低强度、低弹模、力学参数易调控等特点的IBSCM相似材料，以及具有强亲水性、弱透水性、遇水易软化等特点的红层软岩相似材料等等。但是上述相似材料均难以满足试验对相似材料特征的需求，只考虑了静力相似，没有考虑动静组合下的相似。目前同时具备高强高脆及动力特性的相似材料还未见报道，其配制理论、方法未见提出，迫切需要理论上的支持来指导高强高脆及动力特性相似材料的配制，从而得到一种配方。
[0004]因此，有必要进行更深入的研究，以获得岩石高强高脆动静特性相似的材料配制理论、方法和配方。本专利技术的研究结果对开展硬岩相关的物理模型、力学、渗透等试验具有重要的指导作用。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供岩石高强高脆动静特性相似的材料配制理论、方法，首先通过分析原岩矿物成分和微观结构(矿物成分和比例、矿物颗粒级配、矿物颗粒形状)，物理、力学特性(物理特性、静力学特性、动力学特性)以及赋存环境(地应力)并根据提出的高强高脆动静特性相似理论；然后确定相似常数，得出类岩石材料物理力学目标参数；进而确定骨料、胶结剂、外加剂等；通过均匀设计法进行配比方案设计，根据方案制备试样；接着进行物理力学测试并对结果进行回归分析，直到最后得出目
标配比。
[0006]所述高强高脆动静特性相似的材料的配制理论和方法具体为：
[0007]步骤1：对实际工程进行原位测试，获得原岩岩性以及所处应力状态(地应力)等信息；工程现场取样加工成标准试样，进行室内物理力学试验，获取岩石的密度、单轴抗压强度、单轴抗拉强度、(动)弹性模量、(动)泊松比等物理和(动)静力学参数；
[0008]步骤2：基于矿物成份和微观结构分析结果获得原岩微观矿物成份及所占百分含量，结合各种矿物硬度，计算得到原岩综合硬度：
[0009]H＝∑A
i
W
i
[0010]式中：A
i
和W
i
分别为所含第i种主要矿物的含量及对应硬度；再根据原岩粒度分析获得原岩矿物颗粒级配；对原岩样品进行薄片微观鉴定，获得岩石矿物颗粒的形状特征，计算岩石微观结构系数：
[0011][0012]式中：TC为结构系数，AW为颗粒面积加权(颗粒累计密度)，N0为长宽比小于预设判别值的颗粒数量，N1为长宽比大于预设判别值的颗粒数量，FF0为长宽比小于预设判别值颗粒形状系数的算数平均值，AR1为长宽比大于预设判别值的颗粒长宽比的算术平均值，AF1为长宽比大于预设判别值的颗粒的方位系数；
[0013]步骤3：根据提出的高强高脆动静特性相似理论，几何相似常数(λ
L
)、物理相似常数(λ
H
、λ
TC
)以及力学相似常数(λ
σ
、λ
ε
、λ
K
、λ
E
、λ
μ
、λ
Ed
、λ
μd
、λ
f
)之间的相似关系如下：
[0014](不考虑体力作用)
[0015][0016][0017]其中，λ
L
、λ
H
、λ
TC
、λ
σ
、λ
ε
、λ
K
、λ
E
、λ
μ
、分别表示长度、岩石综合硬度、岩石结构系数、应力、应变、脆性系数、弹性模量、泊松比、动弹性模量、动泊松比、边界面力的相似常数，并根据此计算得出类岩石材料物理力学目标参数；
[0018]步骤4：首先基于原岩微观矿物成份和比例确定骨料种类和骨料之间的比例；基于原岩矿物颗粒级配拟合骨料颗粒级配，同时确定各骨料对应粒径区间所占质量百分比；其次根据原岩强度、脆性等突出性质及岩石综合硬度、弹性模量、脆性系数等物理力学参数确定胶结剂种类；最后根据相似材料性能(增大或降低密度、提高强度、提高材料密实度、改善浇筑和易性、减缓凝结时间等)选择外加剂(如重晶石粉、铁粉、纳米材料、减水剂、缓凝剂等)；
[0019]步骤5：根据均匀设计法，确定要考虑n个因素(如骨胶比A、水胶比B、添加剂掺量C、
……
)，每因素需设置m个水平，如表1所示，然后选择对应的均匀设计表和使用表进行配比方案设计；
[0020]表1n因素m水平设置
[0021][0022]步骤6：按配比方案制备相似材料试件，首先在模具内壁均匀地涂抹一层脱模剂；然后按照配比方案称取骨料、胶结剂、外加剂等固态材料放入搅拌器混合，搅拌均匀；再称取对应质量的水，倒入搅拌器与固态材料充分搅拌均匀；将搅拌好的相似材料浇筑到试件模具中，并将试件模具置于振动台上，并采用分层浇筑、振捣的方法，分三层浇筑，每层浇筑后振捣5分钟，表面凿毛处理(横竖方向各划3次)再进行下层浇筑；随后表面抹平，加压，密实成型；试样在设定温度、湿度和压力条件下养护28天，最后卸压脱模，将试样取出；
[0023]步骤7：对试样进行物理力学测试并对结果进行多元回归分析，根据多元回归分析得到的模型计算目标配比，并按照目标配比重复步骤6进行试样制备，测定出目标物理力学参数，若符合则确定类岩石材料配比，若不符合重新设置各因素及其水平，重复步骤4～6直至目标配比符合目标参数值。
[0024]所述高强高脆动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.岩石高强高脆动静特性相似的材料配制理论、方法和配方，其特征在于，包括以下配制理论和方法：步骤1：对实际工程进行原位测试，获得原岩岩性以及所处应力状态(地应力)等信息；工程现场取样加工成标准试样，进行室内物理力学试验，获取岩石的密度、单轴抗压强度、单轴抗拉强度、(动)弹性模量、(动)泊松比等物理和(动)静力学参数；步骤2：基于矿物成份和微观结构分析结果获得原岩微观矿物成份及所占百分含量，结合各种矿物硬度，计算得到原岩综合硬度：H＝∑A
i
W
i
式中：A
i
和W
i
分别为所含第i种主要矿物的含量及对应硬度；再根据原岩粒度分析获得原岩矿物颗粒级配；对原岩样品进行薄片微观鉴定，获得岩石矿物颗粒的形状特征，计算岩石微观结构系数：式中：TC为结构系数，AW为颗粒面积加权(颗粒累计密度)，N0为长宽比小于预设判别值的颗粒数量，N1为长宽比大于预设判别值的颗粒数量，FF0为长宽比小于预设判别值颗粒形状系数的算数平均值，AR1为长宽比大于预设判别值的颗粒长宽比的算术平均值，AF1为长宽比大于预设判别值的颗粒的方位系数；步骤3：根据提出的高强高脆动静特性相似理论，几何相似常数(λ
L
)、物理相似常数(λ
H
、λ
TC
)以及力学相似常数之间的相似关系如下：之间的相似关系如下：λ
ε
＝λ
μ
＝λ
K
＝λ
μd
＝λ
H
＝λ
TC
＝1其中，λ
L
、λ
H
、λ
TC
、λ
σ
、λ
ε
、λ
K
、λ
E
、λ
μ
、分别表示长度、岩石综合硬度、岩石结构系数、应力、应变、脆性系数、弹性模量、泊松比、动弹性模量、动泊松比、边界面力的相似常数，并根据此计算得...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑志，叶昕，苏国韶，刘造保，蒋剑青，黎崇金，丰光亮，高要辉，刘宁，江浩，唐岗，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：