CN103698189A

CN103698189A - 一种滑坡物理模型的滑带相似材料及其制备方法

Info

Publication number: CN103698189A
Application number: CN201410017096.2A
Authority: CN
Inventors: 程圣国; 潘飞; 胡祥辉; 杨云华; 于志伟; 陈婷
Original assignee: China Three Gorges University CTGU
Current assignee: China Three Gorges University CTGU
Priority date: 2014-01-14
Filing date: 2014-01-14
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2034-01-14
Also published as: CN103698189B

Abstract

本发明公布的一种滑坡物理模型的滑带相似材料及其制备方法，以不同大小的玻璃微珠为原材料，或者以玻璃微珠及河砂为原材料配制而成，根据实际待模拟的滑坡滑带原型确定处合适的配比，可以模拟出符合要求的滑带相似材料，满足滑带相似材料的粘聚力和内摩擦角相似。本发明提供的滑带相似材料，可以方便的通过调节不同大小规格的玻璃微珠及河砂掺入量来使滑带材料粘聚力为0，内摩擦角在较大范围内变化，以满足不同滑坡物理模型试验需求。且相似材料具有原材料来源广，制备方法简单，力学性能稳定，成本低及对人体无害等优点。

Description

一种滑坡物理模型的滑带相似材料及其制备方法

技术领域

本发明属于地质力学模型试验用材料及制备技术领域，具体涉及一种用于滑坡物理模型中模拟滑带的相似材料及其制备方法。

背景技术

滑坡为岩土体依附于其内在或潜在软弱结构面/带，在降雨、人类生产活动等综合因素触发作用下失去原有平衡条件，产生以水平位移为主的滑动现象。滑坡灾害是一种主要的地质灾害之一，已成为人类社会不容忽视的环境难题，其危害已成为仅次于地震的第二大自然灾害。

模型试验是按一定的几何、物理关系，用模型代替原型进行测试，并将结果用于原型的试验方法，试验模型是基于相似理论来进行制作的。长期以来，模型试验一直是解决复杂工程课题的重要手段，在边坡失稳机理研究中，模型试验能够形象地模拟边坡岩土体中的应力大小及其分布、边坡岩土体的变形破坏机制及其发展过程、加固措施的加固效果等。滑坡模型试验属于地质力学模型试验的范畴，是研究滑坡问题的重要手段。

通常保证模型与原型之间的相似是通过相似材料的配制来实现，滑坡相似材料是模型试验的基础，相似材料配比以及相似材料的正确选取是保证物理模型模拟正确性与合理性的重要因素。其中，滑坡相似材料的制备一直是滑坡模型试验难点之一，尤其滑带相似材料更是模型试验成功的关键。一般而言，要求滑带相似材料的粘聚力和内摩擦角相似，其中粘聚力要求趋近为0。目前，岩质材料的相似材料随着石膏系相似材料模拟技术的逐渐成熟而基本解决，而土质材料特别是软土体相似材料的研究却一直存在相当的难度。土体作为自然界中一定历史条件形成的自然产物，其性质具有多样性、区域性等特点，要研制一种材料完全满足各方面的相似条件几乎是不可能的。有必要忽略其次要因素，针对主要因素开展试验研究，研制出符合要求的滑带相似材料用于滑坡物理模型试验。

目前，国内外用于模型试验的相似材料主要类型有：

1）石膏系相似材料

石膏为主体的相似材料常用来模拟混凝土、岩石等脆性材料的物理力学性能。其对石膏用量较为敏感，对环境湿度有较高要求，性质和混凝土比较接近，均属于脆性材料。

2）松香系相似材料

对于模型试验相似材料绝缘度有要求时，松香系相似材料可以作为合适的选择之一。松香系相似材料抗压、抗拉强度主要受松香溶液浓度的控制，变化限于松香浓度范围内，对低强度参数的相似模拟有一定的局限性。

3）明矾系相似材料

明矾系相似材料针对岩溶地质环境模型试验研究，可以模拟溶洞溶蚀过程。明矾在加热后可以熔化，对砂具有较好的粘结能力，试验过程中可以通过加热的方式让溶洞扩大，模拟溶洞溶蚀的过程，是一种有研究价值的岩溶区岩性模拟材料，其易水解。

4）变温相似材料

变温相似材料的研制是将高分子材料与传统的模型材料结合起来，在模型材料中加入适量的高分子材料及胶结材料，并配置温度变化系统，在试验过程中通过升温的办法使材料的力学参数逐步降低。变温相似材料的强度和力学参数可随温度的改变而改变，只在一定的温度范围内保持较好的相似性。

5）石蜡系相似材料

石蜡和重晶石粉、砂、粘土等材料混合，形成了石蜡系相似材料，可模拟低渗透性的硬土体、低强度的岩体，如层积岩；其对温度敏感，也可作为变温材料使用；其弹模较低，模拟岩体时压剪比或压拉比效果不好，塑性较大，且石蜡价格较高。

发明内容

本发明的目的是针对滑坡物理模型试验需要而展开，克服上述各类模型相似材料的局限性问题，提供一种新型满足滑坡物理模型中滑带力学特性要求的相似材料及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种滑坡物理模型的滑带相似材料，采用粒径为1-2mm的小玻璃微珠、粒径为3-4mm的大玻璃微珠混合制得；得到的相似材料的粘聚力均为0，内摩擦角为8-27度。

为了满足不同的滑坡物理模型试验要求，当滑带相似材料要求的内摩擦角大于27度时，采用粒径为3-4mm的大玻璃微珠及粒度为2mm以下的河沙颗粒混合制得相似材料；得到的该相似材料的粘聚力均为0，内摩擦角为14～35°。

所述相似材料中由大、小玻璃微珠配比的内摩擦角变化范围为8～27°；由大玻璃微珠和河砂配比的内摩擦角变化范围为14～35°。

所述的滑坡物理模型的滑带相似材料的制备方法，具体步骤为：

1）根据实际滑坡中滑带的力学参数及模型试验相似比，运用相似判据得出其物理模型中滑带相似材料的力学参数；

2）按照步骤1）确定的滑带相似材料的力学参数，根据大小玻璃微珠配比—内摩擦角曲线或大玻璃微珠及河砂配比—内摩擦角曲线，利用内插法快速定位玻璃珠配比范围，并试验得出滑带土相似材料中各原料的具体配比组成；

3）根据步骤2）所得的配比称取大、小玻璃微珠及河砂放入搅拌容器中，充分搅拌均匀，即得滑坡物理模型的滑带相似材料。

滑带相似材料的主要考虑粘聚力c和内摩擦角

的相似。根据滑坡模型试验原型与模型相应的相似指标，推导出滑坡模型试验的相似判据。根据滑坡模型试验设计实际情况，采用几何相似比n，设各参数的相似比分别为原型参数与模型参数之比，符号分别表示为C_c、C_φ，滑坡物理模型试验滑带相似判据如下：

C_c=n。

该相似材料由于采用了以上技术方案，通过不同大小规格玻璃微珠及河砂为原材料，其中大玻璃微珠的尺寸为：3mm＜d＜4mm，小玻璃微珠的尺寸为：1mm＜d＜2mm，河砂的粒径：d＜2mm。由于是在模型试验中滑带很薄，不宜采用粒径过大的璃微珠及河砂；本发明根据实际采用不同粒径的材料试验比较后筛选确定采用大、小玻璃微珠混合制成，并根据情况混合河沙。玻璃微珠的表明光滑，不会产生粘聚力，从而只需考虑内摩擦角的影响，其模拟的内摩擦角数值范围覆盖所用滑带土的内摩擦角，解决了其他材料不能解决的问题，满足了最大程度上的相似要求。

根据不同规格大、小玻璃微珠及河砂不同的配比组合，可以得到不同滑带相似材料。根据三轴压缩试验和直剪试验的试验结果，做出了玻璃微珠配比-内摩擦角曲线，数值范围可覆盖目前所用滑带土的内摩擦角；其中由大小玻璃微珠配比的大小玻璃微珠配比—内摩擦角曲线如图1，其可以覆盖的内摩擦角变化范围为8～27°；由大玻璃微珠和河砂配比的大玻璃微珠及河砂配比-内摩擦角曲线如下图2，其可以覆盖的内摩擦角变化范围为14～35°。所用滑带相似材料的确定利用内插法得出玻璃微珠的配比即可。

本发明与现有其他类型模型试验的相似材料相比具有如下优点：

1）本发明提供的滑带模拟材料，其物理、力学性质稳定，能够保证具有良好的相似性。

2）本发明提供的滑带相似材料，其水力特性、变形及强度特性，在大气温度、湿度变化条件下保持稳定。

3）本发明方法配制的滑带相似材料，可通过已测定的大小玻璃微珠配比-内摩擦角曲线或大玻璃微珠及河砂配比-内摩擦角曲线，利用内插法快速定位玻璃珠配比范围，并进行试验。能够有效地减少任务量，提高试验效率。

4）本发明方法配制的滑带相似材料，粘聚力均为0，能够较为严格的满足滑坡物理模型试验要求。

5）本发明方法配制的滑带相似材料，内摩擦角数值为8～37°，其中由大小玻璃微珠配比的内摩擦角变化范围为8～27°；由大玻璃微珠和河砂配比的内摩擦角变化范围为14～35°。参数变化范围大，可以根据相似材料参数要求选取不同的配比组合，满足较大相似比尺范围的相似要求。

6）本发明方法配制的滑带相似材料，其采用的玻璃微珠及河砂，制备过程简单，只需简单混合，能耗低、效率高、成本低。

7）本发明所用原材料来源广泛，且无毒副作用，所得材料在制备和使用中都不会对人体造成伤害。

附图说明

图1为发明内容中所述的大小玻璃微珠配比—内摩擦角曲线；

图2为发明内容中所述的大玻璃微珠及河砂配比—内摩擦角曲线。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进行具体描述。有必要指出，以下实施例仅是本发明为进一步说明选用实施例，并非对本发明保护范围的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是脱离本发明技术方案内容依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

实施例1：

本实施例以三峡库区花莲树滑坡物理模型的滑带相似材料配比为例进行阐述。

根据花莲树滑坡地质资料，得到其滑带土物理力学参数，并结合模型试验设计实际情况，确定模型试验的几何相似比n为185。得到花莲树滑坡滑带原型材料与相似材料物理力学参数如表1。

表1

按照花莲树滑坡所要求滑带相似材料的力学参数，由于内摩擦角要求的范围为10.0～15.5，可知选择大、小玻璃微珠进行配比即可。根据玻璃珠配比-内摩擦角关系曲线，利用内插法快速定位玻璃珠配比范围，并进行试验，其试验结果见表2，表2为花莲树滑坡滑带相似材料配比研究。

表2

根据试验要求，选取满足要求的相似材料组合及配比，以上三组都在相似值范围内，任选其中一组即可，但在实际试验时，滑坡地质力学模型试验是为判断其不利条件下的稳定性，故可优选其内摩擦角较小时的不利情况D-1。按所述比例称取大、小玻璃微珠放入搅拌盆中，充分搅拌均匀，得到滑坡物理模型的滑带相似材料。然后将搅拌好的相似材料倒入滑坡物理模型中的滑坡滑床上，均匀的摊铺开即可。

实施例2：

本实施例以三峡库区生基包滑坡物理模型的滑带相似材料配比为例进行阐述。

根据生基包滑坡地质资料，得到其滑带土物理力学参数，并结合模型试验设计实际情况，确定模型试验的几何相似比为150；得到生基包滑坡滑带原型材料与相似材料物理力学参数见表3。

表3

按照生基包滑坡所要求滑带相似材料的力学参数，由于内摩擦角要求的范围为10.0～12.5，可知选择大、小玻璃微珠进行配比即可。根据玻璃珠配比-内摩擦角关系曲线，利用内插法快速定位玻璃珠配比范围，并进行试验，其试验结果见表4，表4为生基包滑坡滑带滑带相似材料配比研究。

表4

根据试验要求，选取满足要求的相似材料组合及配比，以上三组均可，本处选择D-1按质量份比称取大、小玻璃微珠放入搅拌盆中，充分搅拌均匀，得到滑坡物理模型的滑带相似材料。然后将搅拌好的相似材料倒入滑坡物理模型中的滑坡滑床上，均匀的摊铺开即可。

实施例3：

本实施例以三峡库区白家包滑坡物理模型的滑带相似材料配比为例进行阐述。

根据白家包滑坡地质资料，得到其滑带土物理力学参数，并结合模型试验设计实际情况，确定模型试验的几何相似比为100。得到滑带原型材料与相似材料物理力学参数如下，其中表5为白家包滑坡浅层滑带原型材料与相似材料物理力学参数目标值，表6为白家包滑坡深层滑带原型材料与相似材料物理力学参数目标值。

表5

表6

按照白家包滑坡所要求滑带相似材料的力学参数，根据玻璃珠配比-内摩擦角关系曲线，利用内插法快速定位玻璃珠配比范围，并进行试验，其试验结果见表7及表8，其中表7为白家包滑坡浅层滑带相似材料配比，表8为白家包滑坡深层滑带相似材料配比。

试验编号	小珠/(小珠+大珠)%	粘聚力C(kPa)	内摩擦角φ（°）
				QD-1	60%	0	14.9
QD-2	70%	0	15
				QD-3	80%	0	16.8

表7

试验编号	小珠/(小珠+大珠)%	粘聚力C(kPa)	内摩擦角φ（°）
				SD-1	82.5%	0	17.9
SD-2	84.1%	0	18.5
				SD-3	86.3%	0	19.1

表8

根据试验要求，上述试验配比均符合要求，本处选择QD-1、SD-1，按质量份比称取大、小玻璃微珠放入搅拌盆中，充分搅拌均匀，得到滑坡物理模型的滑带相似材料。然后将搅拌好的相似材料倒入滑坡物理模型中的滑坡滑床上，均匀的摊铺开即可。

实施例4：

本实施例以三峡库区谭家湾滑坡物理模型的滑带相似材料配比为例进行阐述。

根据谭家湾滑坡地质资料，得到其滑带土物理力学参数，并结合模型试验设计实际情况，确定模型试验的几何相似比为150；得到谭家湾滑坡滑带原型材料与相似材料物理力学参数见表9。

表9

按照谭家湾滑坡所要求滑带相似材料的力学参数，由于内摩擦角要求的范围为25.2～36.2，可知选择大玻璃珠与河砂进行配比即可。根据大玻璃珠与河砂配比-内摩擦角关系曲线，利用内插法快速定位大玻璃珠与河砂配比范围，并进行试验，其试验结果见表10，表10为谭家湾滑坡滑带滑带相似材料配比研究。

试验编号	大珠/(大珠+砂)%	粘聚力C(kPa)	内摩擦角φ（°）
				D-1	50	0	35
D-2	53	0	32.5
				D-3	60	0	28.2

表10

按照D-3的配比，称取大玻璃珠与河砂放入搅拌盆中，充分搅拌均匀，得到滑坡物理模型的滑带相似材料。然后将搅拌好的相似材料倒入滑坡物理模型中的滑坡滑床上，均匀的摊铺开即可。

实施例5：

本实施例以三峡库区朱家店滑坡物理模型的滑带相似材料配比为例进行阐述。

根据朱家店滑坡地质资料，得到其滑带土物理力学参数，并结合模型试验设计实际情况，确定模型试验的几何相似比为125；得到朱家店滑坡滑带原型材料与相似材料物理力学参数见表11。

表11

按照朱家店滑坡所要求滑带相似材料的力学参数，由于内摩擦角要求的范围为18.2～26.2，可知选择大玻璃珠与河砂进行配比即可。根据大玻璃珠与河砂配比-内摩擦角关系曲线，利用内插法快速定位大玻璃珠与河砂配比范围，并进行试验，其试验结果见表12，表12为朱家店滑坡滑带滑带相似材料配比研究。

试验编号	大珠/(大珠+砂%)	粘聚力C(kPa)	内摩擦角φ（°）
				D-1	65	0	25.1
D-2	70	0	22.0
				D-3	73	0	19.8

表12

按照D-3的配比，称取大玻璃珠与河砂放入搅拌盆中，充分搅拌均匀，得到滑坡物理模型的滑带相似材料。

Claims

1.一种滑坡物理模型的滑带相似材料，其特征在于：采用粒径为1-2mm的小玻璃微珠、粒径为3-4mm的大玻璃微珠混合制得；得到的相似材料的粘聚力为0，内摩擦角为8-27度。

2.一种滑坡物理模型的滑带相似材料，其特征在于：采用粒径为3-4mm的大玻璃微珠及粒度为2mm以下的河沙颗粒混合制得；得到的相似材料的粘聚力为0，内摩擦角14～35°。

3.根据权利要求1或2所述的滑坡物理模型的滑带相似材料的制备方法，其特征在于，具体步骤为：

1）根据实际滑坡中滑带土物理力学参数及模型试验设计几何相似比，运用相似判据得出其物理模型中滑带相似材料的力学参数值；

2）按照步骤1）确定的滑带相似材料的力学参数值，根据大小玻璃微珠配比—内摩擦角曲线或大玻璃微珠及河砂配比-内摩擦角曲线，利用内插法快速定位玻璃珠配比范围，并试验得出滑带土相似材料中各原料的具体配比组成；

3）根据步骤2）所得的配比称取大玻璃微珠、小玻璃微珠或河砂放入搅拌容器中，充分搅拌均匀，即得滑坡物理模型的滑带相似材料。

4.根据权利要求3所述滑坡物理模型的滑带相似材料的制备方法，其特征在于：步骤1）中所述力学参数为粘聚力c和内摩擦角

5.根据权利要求4所述滑坡物理模型的滑带相似材料的制备方法，其特征在于：步骤1）中的所述相似判据为

C_c=n，其中n为几何相似比，C_c为粘聚力的相似比，C_φ为内摩擦角的相似比。