CN101734899A - 一种模拟iv类围岩的试验用模型土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种IV类围岩的试验用模型土及其制备方法。一种IV类围岩的试验用模型土采用的原料包括重晶石粉、石膏粉、砂、水和洗衣液，其原料成分按重量份数比为重晶石粉119～122，石膏粉19～21，砂35～42，水13～16，洗衣液3～6。本发明可通过调节材料种类、材料比重、拌和比例、砂投料量、洗衣液与水比例等参数来控制其密度和强度，即得到一种IV类围岩的试验用模型土，本发明模型岩体材料当重新加入适当洗衣液进行调节，可继续重复利用。本发明由于采用的洁净自来水为水相，洗衣液为油相，具有安全无毒的优点，且拌拌时可选择性强，操作简单，无复杂的后处理过程。

Description

一种模拟IV类围岩的试验用模型土及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种试验用模型土，特别涉及一种碎IV类围岩的试验用模型土及其制备方法。
背景技术
由于岩体本身的复杂性，使得模型试验在岩体力学的研究中应用得比较普遍，尤其是针对比较软弱破碎的IV类围岩。其目的是想通过人为的办法控制岩体的性质，使之在需要的方面实现模型岩体与原型岩体间恰当的比例。鉴于软弱破碎岩体在试验模拟上的复杂性，目前，各国学者正从各种不同的角度来设法突破这一障碍。
人工岩体模型材料一般是指将粉粒状固体和含水液体按照一定的比例混合，得到一定强度和重度要求的相似人工混合物。一般而言，理想的人工岩体模型材料应具备以下条件：
(1)均匀、各向同性；
(2)力学性能稳定，不易受环境条件(温度、湿度等)的影响；
(3)改变原料配比，模型材料的力学性能变化不大，这可保证材料力学性能的稳定性，利于进行重复试验；
(4)便于模型加工、制作；
(5)易于实施测量(包括粘贴应变片等)；
(6)取材方便，价格较低；
(7)对人体无任何毒害作用。
关于人工岩体模型材料的研制，国内外的一些科研机构很早就开展了这方面的工作，并总结了一些重要的经验。大量实验表明，用单一的天然材料作为相似材料的应用面有限，通常是用若干天然材料(铁精粉，重晶石粉，石膏粉，石灰粉，石英砂，河砂，粘土，木屑等等)和人工材料(水泥，氧化锌，石蜡，松香，酒精，白乳胶，树脂等)按照一定的比例配制而成。因此，人工岩体相似材料一般是多种材料的混合物，混合物的成分和配比要经过大量的配比试验才能满足。
国外许多单位对模型材料的研究都十分重视，如意大利等国家的试验研究单位采用的模型材料多为铅氧化物与石膏的混合材料，有时掺入砂子或小圆石以调节材料强度；此类模型材料与岩石的相似性较好，也可达到较大的容重，改变配比可使材料性能在较大范围内变化，是一种应用较广的地质力学模型材料；但此类材料价格昂贵，而且其中的铅氧化物有毒性，对工作人员的健康不利，还易造成环境污染等缺点。另一类模型材料为环氧树脂、重晶石粉、甘油等混合材料，其强度及弹模均高于第一类模型材料，而且需要高温固化，固化过程所散发出的有毒气体，亦会危害人体健康(谷兆祺，1994)。
近些年来，我国的一些科研单位近些年来也开展了对模型岩体材料的研制工作，并取得了相应的进展。目前，国内正在使用的模型材料主要有以下几种：
(1)采用重晶石粉为主料，以石膏、机油、石蜡或凡士林作为胶结剂，其它材料如石英砂、铁粉、膨润土粉等作为调节容重和弹模的辅助材料(周维垣，1990；李天斌1994，1996)；
(2)采用砂、石膏作为主要材料，其余材料为添加剂(赵震英，1995；黄伦海2004；蒋树屏，2002；杜青，2005)；
(3)由加膜铁粉和重晶石粉为骨料，以松香为胶结剂(韩伯鲤，1983)；
(4)采用石英砂、云母粉为骨料，以碳酸钙为胶结材料来模拟原状岩体(张金才，1995)；
(5)NIOS模型材料(李仲奎，2003；马芳平，2004；王爱民，2004)，主要含有主料磁铁矿精矿粉、河砂、粘结剂石膏或水泥、拌和用水及添加剂。
(6)IBSCM模型材料(李勇，2006；王汉鹏，2006)，采用铁精粉、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。该材料能模拟的容重范围为2.1～3.1g/cm3，弹性模量在74～94MPa，单轴抗压强度0.3～0.8MPa。
但是，以上所述方法有一定的局限性，尤其是较适合于强度相对而言比较高的岩层，而不适于象IV类围岩这样的低强度的软弱破碎岩体；其次，上述材料该材料要么含有有毒物质，在模型制备时容易产生中毒，要么模型干燥耗时较大，且不能重复利用。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种按照相似理论要求的可用来模拟软弱破碎IV类围岩的试验用模型土。
本发明的目的之二是提供一种上述IV类围岩的试验用模型土的制备方法。
原型地层参照的是《公路隧道设计规程》中规定的IV类围岩，其对应的岩体力学参数如表1所示。
表1原型围岩物理力学性质指标
Figure G2009102000363D00031
根据相似理论的推导，要求原型土体材料与模型土体材料的强度相似比Cσ、密度相似比Cρ以及几何相似比Cl必须满足关系式：Cσ＝CρCl。如果能保证原型岩体材料与模型岩体材料的密度接近、内摩擦角相等，则强度相似比就等于几何相似比。本发明中所参照的强度相似比是1∶50，适用于模拟表1所述范围内的IV类围岩。为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明采用如下技术方案
即一种模拟IV类围岩的试验用模型土，其原料成分组成包括重晶石粉、石膏粉、砂、水和洗衣液，其原料成分按重量份数计分别为：
重晶石粉      119～120份
石膏粉        19～21份
砂            35～42份
水            13～16份
洗衣液        3～6份
其中，所述砂为普通建筑用黄砂；
所述水为洁净的自来水；
所述洗衣液为普通洗衣液；
所述石膏粉为普通建筑用石膏粉。
所述重晶石粉的目数为325目。
所述模型岩体材料中的重晶石粉、石膏粉、砂、水和洗衣液的重量份数比优选为重晶石粉∶石膏粉∶砂∶水∶洗衣液＝120∶20∶40∶15∶3。
一种模拟IV类围岩的试验用模型土，其制备方法包括如下步骤：
(1)、先把干燥的重晶石粉、石膏粉、砂混合拌匀，得混合料A；
(2)、再将称量好的水加入步骤(1)所得的混合料A中，经充分搅拌后，再加入洗衣液，充分搅拌均匀，得混合料B；
(3)、将步骤(2)所得的混合料B填压至密度为20～23kN/m3后再静置2h后，即可得本发明的模拟IV类围岩的试验用模型土。
本发明的有益效果
本发明利用重晶石粉、石膏粉、砂、水和洗衣液为原材料，采用粉料拌和均匀后，并与水以及洗衣液进行充分搅拌的方法制备的人工模型土，且操作简单易行。本发明采用的洁净自来水为水相，洗衣液为油相，具有安全无毒的优点，且拌和时可选择性强，操作简单，无复杂的后处理过程。本发明可通过调节材料种类、材料比重、拌和比例、砂投料量、油水比例等参数来控制其密度和强度，以满足更多的需要，从而解决了利用相似模拟试验手段来研究软弱破碎岩体特性的一系列问题。更为重要的是，本发明模型岩体材料必要时重新加入适当洗衣液进行调节，便可继续重复利用。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明，但并不限制本发明。
所用的检测方法如下：
模型土的密度检测方法，利用已知质量及内径和高度的环刀，按原装样制样方法制取试样，称取试样质量；
模型土的粘聚力检测方法，采用直剪法测定；
模型土的内摩擦角检测方法，采用直剪法测定。
所用的原材料：
砂为普通建筑用黄砂；
水为洁净的自来水；
洗衣液为雪豹牌洗衣液；
石膏粉为元平牌普通建筑用石膏粉。
重晶石粉的目数为325目。
实施例1
采用重晶石粉120g、石膏粉20g与砂35g拌和均匀后，加入洁净的自来水15g，经再次拌和后，再加入2g洗衣液并使之与拌和物充分结合，洗衣液与水比例是1∶7.5，经过充分搅拌后，再静置2h。所得模型土的密度为2.1g/cm3，粘聚力为11.47kPa，内摩擦角为29.82°。
Figure G2009102000363D00061
实施例2
采用重晶石粉120g、石膏粉20g与砂35g拌和均匀后，加入洁净的自来水15g，经再次拌和后，再加入3g洗衣液并使之与拌和物充分结合，洗衣液与水比例为1∶5，经过充分搅拌后，再静置2h。所得模型土的密度为2.1g/cm3，粘聚力为11.26kPa，内摩擦角为30.34°。
实施例3
采用重晶石粉120g、石膏粉20g与砂35g拌和均匀后，加入洁净的自来水15g，经再次拌和后，再加入4g洗衣液并使之与拌和物充分结合，洗衣液与水比例为1∶3.75，经过充分搅拌后，再静置2h。所得模型土的密度为2.1g/cm3，粘聚力为10.53kPa，内摩擦角为31.69°。
实施例4
采用重晶石粉120g、石膏粉20g与砂35g拌和均匀后，加入洁净的自来水15g，经再次拌和后，再加入4g洗衣液并使之与拌和物充分结合，洗衣液与水比例为1∶3.33，经过充分搅拌后，再静置2h。所得模型土的密度为2.1g/cm3，粘聚力为10.37kPa，内摩擦角为32.65°。
Figure G2009102000363D00071
实施例5
采用重晶石粉120g、石膏粉20g与砂36g拌和均匀后，加入洁净的自来水14g，经再次拌和后，再加入2g洗衣液并使之与拌和物充分结合，洗衣液与水比例为1∶7，经过充分搅拌后，再静置2h。所得模型土的密度为2.1g/cm3，粘聚力为12.57kPa，内摩擦角为30.39°。
实施例6
采用重晶石粉120g、石膏粉20g与砂36g拌和均匀后，加入洁净的自来水15g，经再次拌和后，再加入3g洗衣液并使之与拌和物充分结合，洗衣液与水比例1∶5，经过充分搅拌后，再静置2h。所得模型土的密度为2.1g/cm3，粘聚力为10.58kPa，内摩擦角为29.26°。
Figure G2009102000363D00073
实施例7
采用重晶石粉120g、石膏粉20g与砂36g拌和均匀后，加入洁净的自来水16g，经再次拌和后，再加入4g洗衣液并使之与拌和物充分结合，洗衣液与水比例为1∶4，经过充分搅拌后，再静置2h。所得模型土的密度为2.1g/cm3，粘聚力为12.45kPa，内摩擦角为31.72°。
Figure G2009102000363D00081
实施例8
采用重晶石粉120g、石膏粉20g与砂37g拌和均匀后，加入洁净的自来水14g，经再次拌和后，再加入2g洗衣液并使之与拌和物充分结合，洗衣液与水比例为1∶7，经过充分搅拌后，再静置2h。所得模型土的密度为2.1g/cm3，粘聚力为9.83kPa，内摩擦角为29.43°。
Figure G2009102000363D00082
实施例9
采用重晶石粉120g、石膏粉20g与砂37g拌和均匀后，加入洁净的自来水15g，经再次拌和后，再加入3g洗衣液并使之与拌和物充分结合，洗衣液与水比例为1∶5，经过充分搅拌后，再静置2h。所得模型土的密度为2.1g/cm3，粘聚力为10.62kPa，内摩擦角为30.02°。
Figure G2009102000363D00083
实施例10
采用重晶石粉120g、石膏粉20g与砂37g拌和均匀后，加入洁净的自来水16g，经再次拌和后，再加入4g洗衣液并使之与拌和物充分结合，洗衣液与水比例为1∶4，经过充分搅拌后，再静置2h。所得模型土的密度为2.1g/cm3，粘聚力为11.01kPa，内摩擦角为29.74°。
Figure G2009102000363D00091
实施例11
采用重晶石粉120g、石膏粉20g与砂38g拌和均匀后，加入洁净的自来水14g，经再次拌和后，再加入2g洗衣液并使之与拌和物充分结合，洗衣液与水比例为1∶7，经过充分搅拌后，再静置2h。所得模型土的密度为2.1g/cm3，粘聚力为12.15kPa，内摩擦角为28.79°。
Figure G2009102000363D00092
实施例12
采用重晶石粉120g、石膏粉20g与砂38g拌和均匀后，加入洁净的自来水15g，经再次拌和后，再加入3g洗衣液并使之与拌和物充分结合，洗衣液与水比例为1∶5，经过充分搅拌后，再静置2h。所得模型土的密度为2.1g/cm3，粘聚力为11.35kPa，内摩擦角为31.52°。
Figure G2009102000363D00093
实施例13
采用重晶石粉120g、石膏粉20g与砂38g拌和均匀后，加入洁净的自来水16g，经再次拌和后，再加入4g洗衣液并使之与拌和物充分结合，洗衣液与水比例为1∶4，经过充分搅拌后，再静置2h。所得模型土的密度为2.1g/cm3，粘聚力为11.74kPa，内摩擦角为28.77°。
实施例14
采用重晶石粉120g、石膏粉20g与砂39g拌和均匀后，加入洁净的自来水14g，经再次拌和后，再加入2g洗衣液并使之与拌和物充分结合，洗衣液与水比例为1∶7，经过充分搅拌后，再静置2h。所得模型土的密度为2.1g/cm3，粘聚力为10.35kPa，内摩擦角为29.07°。
Figure G2009102000363D00101
实施例15
采用重晶石粉120g、石膏粉20g与砂39g拌和均匀后，加入洁净的自来水15g，经再次拌和后，再加入3g洗衣液并使之与拌和物充分结合，洗衣液与水比例为1∶5，经过充分搅拌后，再静置2h。所得模型土的密度为2.1g/cm3，粘聚力为11.08kPa，内摩擦角为30.53°。
Figure G2009102000363D00102
实施例16
采用重晶石粉120g、石膏粉20g与砂39g拌和均匀后，加入洁净的自来水16g，经再次拌和后，再加入4g洗衣液并使之与拌和物充分结合，洗衣液与水比例为1∶4，经过充分搅拌后，再静置2h。所得模型土的密度为2.1g/cm3，粘聚力为10.74kPa，内摩擦角为28.57°。
Figure G2009102000363D00103
实施例17
采用重晶石粉120g、石膏粉20g与砂40g拌和均匀后，加入洁净的自来水14g，经再次拌和后，再加入2g洗衣液并使之与拌和物充分结合，洗衣液与水比例为1∶7，经过充分搅拌后，再静置2h。所得模型土的密度为2.1g/cm3，粘聚力为11.34kPa，内摩擦角为31.65°。
实施例18
采用重晶石粉120g、石膏粉20g与砂40g拌和均匀后，加入洁净的自来水15g，经再次拌和后，再加入3g洗衣液并使之与拌和物充分结合，洗衣液与水比例为1∶5，经过充分搅拌后，再静置2h。所得模型土的密度为2.1g/cm3，粘聚力为10.33kPa，内摩擦角为30.86°。
Figure G2009102000363D00112
实施例19
采用重晶石粉120g、石膏粉20g与砂40g拌和均匀后，加入洁净的自来水16g，经再次拌和后，再加入4g洗衣液并使之与拌和物充分结合，洗衣液与水比例为1∶4，经过充分搅拌后，再静置2h。所得模型土的密度为2.1g/cm3，粘聚力为11.81kPa，内摩擦角为30.92°。
Figure G2009102000363D00113
实施例20
采用重晶石粉120g、石膏粉20g与砂41g拌和均匀后，加入洁净的自来水14g，经再次拌和后，再加入2g洗衣液并使之与拌和物充分结合，洗衣液与水比例1∶7，经过充分搅拌后，再静置2h。所得模型土的密度为2.1g/cm3，粘聚力为10.97kPa，内摩擦角为31.35°。
Figure G2009102000363D00121
实施例21
采用重晶石粉120g、石膏粉20g与砂41g拌和均匀后，加入洁净的自来水15g，经再次拌和后，再加入3g洗衣液并使之与拌和物充分结合，洗衣液与水比例1∶5，经过充分搅拌后，再静置2h。所得模型土的密度为2.1g/cm3，粘聚力为11.33kPa，内摩擦角为31.86°。
Figure G2009102000363D00122
实施例22
采用重晶石粉120g、石膏粉20g与砂41g拌和均匀后，加入洁净的自来水16g，经再次拌和后，再加入4g洗衣液并使之与拌和物充分结合，洗衣液与水比例1∶4，经过充分搅拌后，再静置2h。所得模型土的密度为2.1g/cm3，粘聚力为12.83kPa，内摩擦角为30.34°。
实施例23
采用重晶石粉120g、石膏粉20g与砂42g拌和均匀后，加入洁净的自来水14g，经再次拌和后，再加入2g洗衣液并使之与拌和物充分结合，洗衣液与水比例1∶7，经过充分搅拌后，再静置2h。所得模型土的密度为2.1g/cm3，粘聚力为12.46kPa，内摩擦角为29.28°。
Figure G2009102000363D00124
Figure G2009102000363D00131
实施例24
采用重晶石粉120g、石膏粉20g与砂42g拌和均匀后，加入洁净的自来水15g，经再次拌和后，再加入3g洗衣液并使之与拌和物充分结合，洗衣液与水比例为1∶5，经过充分搅拌后，再静置2h。所得模型土的密度为2.1g/cm3，粘聚力为10.93kPa，内摩擦角为28.67°。
Figure G2009102000363D00132
实施例25
采用重晶石粉120g、石膏粉20g与砂42g拌和均匀后，加入洁净的自来水16g，经再次拌和后，再加入4g洗衣液并使之与拌和物充分结合，洗衣液与水比例为1∶4，经过充分搅拌后，再静置2h。所得模型土的密度为2.1g/cm3，粘聚力为11.76kPa，内摩擦角为31.35°。
  重晶石粉   石膏粉   砂   水   洗衣液
  120   20   42   16   4
实施例26
采用重晶石粉120g、石膏粉19g与砂40g拌和均匀后，加入洁净的自来水14g，经再次拌和后，再加入2g洗衣液并使之与拌和物充分结合，洗衣液与水比例为1∶7，经过充分搅拌后，再静置2h。所得模型土的密度为2.1g/cm3，粘聚力为12.57kPa，内摩擦角为32.37°。
Figure G2009102000363D00133
实施例27
采用重晶石粉120g、石膏粉21g与砂40g拌和均匀后，加入洁净的自来水16g，经再次拌和后，再加入4g洗衣液并使之与拌和物充分结合，洗衣液与水比例为1∶4，经过充分搅拌后，再静置2h。所得模型土的密度为2.1g/cm3，粘聚力为11.75kPa，内摩擦角为32.16°。
Figure G2009102000363D00141
实施例28
采用重晶石粉119g、石膏粉20g与砂40g拌和均匀后，加入洁净的自来水15g，经再次拌和后，再加入3g洗衣液并使之与拌和物充分结合，洗衣液与水比例为1∶5，经过充分搅拌后，再静置2h。所得模型土的密度为2.1g/cm3，粘聚力为9.65kPa，内摩擦角为33.26°。
Figure G2009102000363D00142
实施例29
采用重晶石粉121g、石膏粉20g与砂40g拌和均匀后，加入洁净的自来水15g，经再次拌和后，再加入3g洗衣液并使之与拌和物充分结合，洗衣液与水比例为1∶5，经过充分搅拌后，再静置2h。所得模型土的密度为2.1g/cm3，粘聚力为10.83kPa，内摩擦角为33.91°。
Figure G2009102000363D00143
实施例30
采用重晶石粉122g、石膏粉20g与砂40g拌和均匀后，加入洁净的自来水15g，经再次拌和后，再加入3g洗衣液并使之与拌和物充分结合，洗衣液与水比例为1∶5，经过充分搅拌后，再静置2h。所得模型土的密度为2.1g/cm3，粘聚力为11.69kPa，内摩擦角为34.37°。
上述30个实施例与相似理论要求的理论值基本吻合，验证了本发明技术方案的正确性。

Claims (8)

1.一种模拟IV类围岩的试验用模型土，其特征在于其组成按重量份数计如下：
重晶石粉      119～122份
石膏粉        19～21份
砂            35～42份
水            13～16份
洗衣液        3～6份
2.根据权利要求1所述的模拟IV类围岩的试验用模型土，其特征在于所述砂为普通建筑用黄砂。
3.根据权利要求1所述的模拟IV类围岩的试验用模型土，其特征在于所述水为洁净的自来水。
4.根据权利要求1所述的模拟IV类围岩的试验用模型土，其特征在于所述洗衣液为普通洗衣液。
5.根据权利要求1所述的模拟IV类围岩的试验用模型土，其特征在于所述石膏为普通建筑用石膏粉。
6.根据权利要求1所述的模拟IV类围岩的试验用模型土，其特征在于所述重晶石粉的目数为325目。
7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的模拟IV类围岩的试验用模型土，其特征在于所述模型岩体材料中，重晶石粉、石膏粉、砂、水和洗衣液的重量份数比优选为重晶石粉∶石膏粉∶砂∶水∶洗衣液＝120∶20∶40∶15∶3。
8.一种如权利要求1所述的模拟IV类围岩的试验用模型土的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)、先把干燥的重晶石粉、石膏粉、砂混合拌匀，得混合料A；
(2)、再将称量好的水加入步骤(1)所得的混合料A中，经充分搅拌后，再加入洗衣液，充分搅拌均匀，得混合料B；
(3)、将步骤(2)所得的混合料B填压至密度为20～23kN/m3后再静置2h后，即可得本发明的模拟IV类围岩的试验用模型土。
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