一种用于模拟v类围岩的地质力学模型相似材料的制作方法[0002]由于近代生产建设及科学技术的发展，越来越多的建筑物，如大坝、厂房、隧洞、地下电站等都需要修建在具有复杂地质构造的岩基上或者岩体内，因而使这类建筑物的抗滑稳定、基础变形对建筑物结构的影响等问题成为了地质力学模型试验研究的主要内容。[0003]地质力学模型试验是根据一定的相似原理对特定工程地质问题进行缩尺研究的一种方法，试验的主要目的是研究各种建筑物在外荷载作用下的的极限承载能力、破坏形态、破坏机理和变形分布特性。地质力学模型试验的研究内容不仅限于己知荷载下的某一状态，更重要的是研究在渐增荷载作用下直至破坏的整个变化过程，它采用真实的物理实体，在满足材料相似，尤其是在力学相似条件下，能真实反映地质构造与工程建筑之间的关系，能模拟工程建筑对岩体所产生的影响，且能更直观地显示出工程建筑对岩体影响以及岩体变形对建筑物结构的影响所产生的结果。因此，在地质力学模型试验的研究过程中，满足物理力学性能相似关系的模型材料是模型试验的基础，是模型试验是否成功的关键。[0004]目前我国正在建设和即将兴建的水电工程地质构造中，影响整体稳定的岩体种类多、性能差异大，尤其是在我国西南地区，很多工程中出现了大量的V类岩体，此类岩体强度和变形模量较低，性能较差，对工程整体稳定带来了非常不利的影响，因此需要有合适的模型相似材料来模拟此类软弱岩体以便进行以上所述的相关研究。[0005]对于模拟岩石的模型材料，有的将其模拟为连续介质，有的将其模拟为非连续介质。对于连续介质的模型材料，山东大学的王汉鹏等研制出一种新型的相似材料铁晶砂胶结料(IBSCM)，这种材料用铁精粉、重晶石粉、石英砂作为骨料，松香、酒精溶液作为胶结剂，石膏作为调节剂混合而成，清华大学李仲奎等研制出一种NIOS地质力学模型材料，它由磁铁矿精矿粉、河砂、粘结剂石膏或水泥、拌和用水及添加剂组成。H.H.Einstein等以砂为骨料、石膏为主要胶结材料来模拟岩石；申玉生，高波等采用粉煤灰、河砂和机油来模拟岩石，这种材料配制简单，而且材料的容重及强度均较低，适合作为软弱围岩。对于非连续介质的模型材料，Aydan等将不易破坏的块体材料用于结构的非连续介质模型试验中，并得出模型的破坏往往与非连续介质连接的倾向有关；近些年，Aydan又将易破坏的块体材料用于底摩擦模型试验，这种块体材料由BaS04,、ZnO和凡士林压制组成，这种材料的轻度取决于压实力，所以其可能实现模型在所要求强度下的破坏。对于断层的模拟，可采用油脂类涂料来模拟粘土夹层的粘滞滑动，而滑石涂料可模拟塑性滑移；方林，蒋树屏等通过配比试验确定断层的相似材料与一般围岩相同，但配合比不同。断层和围岩的接触面则使用石英砂、BaS04和机油作为相似材料，以模拟地震时断层上下盘的位移。[0006]现有材料存在的问题:[0007] I)在材料配制过程不仅存在需要高温固化，耗能的问题，且固化过程中散发的有毒气体会危害人体健康。[0008]2)工艺复杂，使得制作成本增加，使用的铁粉外膜一旦脱落很容易生锈，影响材料性质的稳定性，容易导致试验失败等缺点，相似材料较难模拟软弱岩体。
[0009]3)对于连续介质的模型材料，有的能够很好的满足相似关系，但其配置所需原料较多，在试验中很难控制配合比，配置难度高；而配置简单的材料则在相似关系上存在很多不足。


[0010]本发明的目的是为了克服上述模型材料的缺点，提供一种新的、具有低强度和低变形模量性能，且可用于模拟V类围岩的地质力学模型相似材料。
[0011]本发明提供的用于模拟V类围岩的地质力学模型相似材料由石英砂、粉煤灰、洗洁精混合而成。其中采用石英砂作为主要骨料，其自身粒径的不均匀性正好可以在一定程度上模拟围岩的离散性。洗洁精作为胶结剂，其具有较好的粘性，容重较高，且清洁、对人无有害作用。辅助材料为二级粉煤灰，主要作用为联结石英砂与洗洁精，其为颗粒较小的球状颗粒，具有较强的表面张力，能够吸附较多的洗洁精，并与石英砂结合为整体。按质量份计是由以下组分构成:
[0012]石英砂:380-430
[0013]粉煤灰:14 0-200
[0014]洗洁精:60-100
[0015]其中优选，石英砂采用粒度16-32mm,更优选堆积密度:1.76g/cm3,不均匀系数:
1.8-2.0，孔隙率0.38-0.43 ;粉煤灰为一级灰；洗洁精密度大约是0.95的，粘度是在25度时约是 2500-2700Pa.S。
[0016]对于摩擦角，不同因素的影响程度依次为:石英砂 > 洗洁精 > 粉煤灰，石英砂的增加可以明显增大模型材料的摩擦角，洗洁精的增加会引起模型材料摩擦角的减小，而粉煤灰在一定范围内的增加会增大模型材料的摩擦角。对于粘聚力，不同因素的影响程度依次为:石英砂 > 粉煤灰 > 洗洁精，石英砂的增加会减小模型材料的粘聚力，洗洁精的增加会增大模型材料的粘聚力，粉煤灰则对粘聚力影响较小。
[0017]本发明提供的制作一种用于模拟V类围岩的地质力学模型相似材料的实施工艺是:先将石英砂和粉煤灰按比选取的比例混匀后，再倒入洗洁精混匀。直到达到“握住成团，落地开花”材料为混合为止。
[0018]本发明与现有技术相比，具有如下优点:
[0019]1、由于本发明提供的岩体模拟材料中所用的粘结剂为化学稳定性好，既能使所得材料的抗压强度和变形模量均较低，以为本领域提供一种可供相关研究选用的模拟V类围岩的地质力学模型相似材料，又能避免现有技术使用的粘结剂所产生的问题。
[0020]2、由于本发明提供的岩体模拟材料中还使用了具有润滑特性的洗洁精作为胶结剂，其具有较好的粘性，容重较高，且清洁、对人无有害作用，可降低材料的抵抗变形能力。
[0021]3、由于本发明所使用的各组成不易受外界环境影响，加之各组成之间也不发生相互反应，因而使所得材料在自然条件下的物理力学性能能够保持稳定，不至于因组成的原因导致材料在试验过程发生变化而影响试验结果，是一种较理想的V类围岩模型材料。[0022]4、由于本发明所用原材料来源广泛，且无毒副作用，因而所得材料在制备和使用中都不会对人体造成伤害。
[0023]5、由于本发明方法的制备过程简单，其它制备都是在室温下进行混合，因而耗能低，制备效率高，成本低。



[0024]图1为粉煤灰为170，洗洁精为80，石英砂由380、400、420变化的对内摩擦角的影响图；
[0025]图2为石英砂为400，洗洁精为80，粉煤灰由140、170、200变化的对内摩擦角的影响图；
[0026]图3为石英砂为400，粉煤灰为170，洗洁精由60、800、100变化的对内摩擦角的影响图；
[0027]图4为粉煤灰为170，洗洁精为80，石英砂由380、400、420变化的对粘聚力的影响图；
[0028]图5为石英砂为400，洗洁精为80，粉煤灰由140、170、200变化的对粘聚力的影响图；
[0029]图6为石英砂为400，粉煤灰为170，洗洁精由60、800、100变化的对粘聚力的影响图。
[0030]注:图中横坐标单位为克，图1一图3纵坐标单位为度，图4一图6纵坐标单位为千帕。

[0031]下面通过实施例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，且该领域的技术熟练人员根据上述
对本发明作出一些非本质的改进和调整，仍然属于本发明的保护范围。
[0032]另外，值得说明的是，I)以下实施例各物料的份数均为质量份；2)实施例所得材料的内摩擦角和粘聚力是按照《土工试验方法标准》对试验流程和试验数据处理的要求通过快剪和三轴试验测得的；3)粘聚力和摩擦角是决定材料力学性质的主要参数。石英砂采用粒度16-32mm。粉煤灰为一级灰。
[0033]实施例1
[0034]按照石英砂:粉煤灰:洗洁精=400:170:60的比例获得的粘聚力1.4283千帕，内摩擦角22.264度。
[0035]实施例2
[0036]按照石英砂:粉煤灰:洗洁精=400:140:80的比例获得的粘聚力9.2046千帕，内摩擦角13.22度。
[0037]实施例3
[0038] 按照石英砂:粉煤灰:洗洁精=400:200:100的比例获得的粘聚力15.711千帕内摩擦角13.907度。[0039]实施例4
[0040]按照石英砂:粉煤灰:洗洁精=380:170:100的比例获得的粘聚力17.774千帕内摩擦角13.907度。
[0041]实施例5
[0042]按照石英砂:粉煤灰:洗洁精=380:140:60的比例获得的粘聚力11.585千帕内摩擦角13.393度。
[0043]实施例6
[0044]按照石英砂:粉煤灰:洗洁精=380:200:80的比例获得的粘聚力5.396千帕内摩擦角19.244度。
[0045]实施例7
[0046]按 照石英砂:粉煤灰:洗洁精=420:170:80的比例获得的粘聚力7.776千帕内摩擦角20.692度。
[0047]实施例8
[0048]按照石英砂:粉煤灰:洗洁精=420: 140: 100的比例获得的粘聚力0.4761千帕内摩擦角20.052度。
[0049]实施例9
[0050]按照石英砂:粉煤灰:洗洁精=420:200:60的比例获得的粘聚力3.8088千帕内摩擦角19.57度。
[0051]实施例10
[0052]按照石英砂:粉煤灰:洗洁精=430:170:80的比例获得的粘聚力1.5千帕内摩擦角22.3度。
[0053]由实施例分析和趋势图可知，对于内摩擦角，不同因素的影响程度依次为:石英砂>洗洁精 > 粉煤灰，石英砂的增加可以明显增大模型材料的内摩擦角，洗洁精的增加会引起模型材料内摩擦角的减小，而粉煤灰在一定范围内的增加会增大模型材料的内摩擦角。对于粘聚力，不同因素的影响程度依次为:石英砂 > 粉煤灰 > 洗洁精，石英砂的增加会减小模型材料的粘聚力，洗洁精的增加会增大模型材料的粘聚力，粉煤灰则对粘聚力影响较小。
[0054]可根据影响因素来调节比例，从而达到需要的V类围岩。