CN103833275A - 联合探测物理模型试验的相似材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种满足电阻率和波速要求，结构简单、操作方便的地震法、电磁法、电法联合探测物理模型试验的相似材料及其制备方法。本发明所述的相似材料由以下重量份组分压实组成：土100份；水泥4-20份；石子10-25份。其中土的含水率控制在8%～16%，整个相似材料压实度控制在0.75～0.95。制备时按照所需材料电阻率、波速参数，按照波速与电阻率与含水率、压实度关系曲线，按数值找出合适的含水率与压实度；现挖地下土样若干，通过烘干、日照、加水方法，使土体含水率达到预定含水率，砾石通过筛子筛选出3～4目粒径若干；分别称取各原材料；将已称取土、水泥、石子放入搅拌机中，充分拌合；将混合材料放入模型中，分层堆料，进行人工夯实，达到预定压实度。

Description

联合探测物理模型试验的相似材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种模型试验相似材料，更具体涉及一种能够同时满足地震法、电磁法、电法联合探测物理模型试验的相似材料及其制备方法。

背景技术

我国水利水电、交通、能源等领域中存在着大量地下岩土工程。在工程施工过程中，如果预先不能探明地下地质情况，往往会出现无法预料的工程地质灾害，特别是在隧道施工过程中，由于开挖所诱发的各类地质灾害具有不可选择性、复杂性、特殊性和突发性，常常成为制约隧道修缮的最主要因素；并且根据探测结果，精确开采能源，合理设计方案，能够大量的节约投资成本。在地下探测过程中，地震法、电磁法、电法等是很重要的地球物理方法，在工程生产中有重大的意义。对地下即将施工的地质条件和可能地质灾害开展地球物理探测，将对工程的正常施工和顺利竣工发挥举足轻重的作用。成功的探测促使施工及时采取应对措施，防患于未然；反之，则往往在突发的地质灾害面前束手无策，使施工遭受重大挫折。

地球地下地质的类型及其空间分布较为复杂，为了更好地了解地质情况，进行安全而准确的施工，就需要开展一系列的物理模拟实验。相似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研究，并将研究结果用于原型的试验方法,根据相似原理对特定工程地质问题进行缩尺研究的有效手段，可以比较全面地、真实地模拟复杂地下工程结构、复杂地质构造、复杂地下岩层组合关系。

模型材料的选取是模型试验中最重要的基础性环节，在模型试验中，一个好的围岩相似材料能够起到事半功倍的效果。岩石相似材料应同时满足波速、电阻率相似的要求，要找到完全相似的模型材料十分困难，通常根据需要研究的课题性质，经过大量实验和分析，寻找满足主要参数相似的材料。

以往的相似材料大多是针对力学试验而研制的，针对地球物理探测模型试验的相似材料却为数不多。用于地球物理探测的相似材料研究现状如下：

《物探与化探》1985年第6期，介绍了用一些方法来控制和改变模型材料的波速。比较成功和常用的方法大体可分为三类：

（1）粘合方法；粘合法的优点是：有定量的近似理论公式，将两种不同波速的模型材料粘合就可得到两种波速间任意波速的新模型材料。其缺点是：粘合方法要求λ＞＞D或λ＞＞h，限制了粘合方法的应用范围；且两层间的粘合工艺要求较高。

（2）钻孔方法；钻孔方法的优点在于，可以通过孔距、孔直径、孔中填充物的种类来改变材料的波速大小；缺点：实施工程较为复杂，价格较贵，且波速只能在原材料的基础上进行小幅度的改变。

（3）混合方法。混合方法目前有：环氧树脂—石英砂混合模型材料、水泥—玻璃屑和水泥—刚玉粉混合模型材料、水—甘油—明胶混合模型材料、水—酒精—甘油混合的液体混合材料等。

目前，通过以上的三种方法，所能得要的相似材料只能用于地震法等对波速有限制的预报模型试验，并不适用于电磁法等预报方法。

《岩石力学与工程学报》2009年第2期中在进行物理模型试验为在电导率为0.5S·m^-1的均匀介质中进行模拟实验。其优点：该材料能够较好的对电阻率相似进行模拟；缺点：不适用于地震法探测物理模型试验。

《现代隧道技术》2013年第1期，西南交通大学发表的《隧道全空间瞬变电磁响应的物理模拟》一文中，介绍了一种用一定浓度的盐水来模拟相似材料。根据盐水浓度的增大其电导率随之增大，通过对浓度和温度的控制，来制作所需要的相似材料。其缺点为：由于材料为液体，不适用于大比例模型试验。

在使用地震法、电磁法、电法联合探测物理模型试验中，对相似材料的要求更为苛刻，需要同时满足电阻率和波速要求的材料来进行相似模型试验。到目前为止，没有能够同时满足电阻率要求和波速要求的相似材料。因此，我们急需一种相似材料，主要参数能够满足地震波场、电磁场与直流电场多场相似要求，以更精确的模拟实际地质情况。根据可靠的地质探测结果数据，为探测地球内部结构与构造、寻找能源、资源和环境监测提供理论、方法和技术，为灾害预报提供重要依据，变更及优化设计，制定正确的施工组织，可快速施工，缩短或不延误工期。

例如在地下隧道施工中，通过精确的地球物理探测，避免许多因地质情况突变而发生的大坍方、突泥突水等灾害。坍方、突水等灾害的发生，往往造成伤亡事故，延误工期的严重后果，尤其像大型的TBM掘进机，超前地质预报的精确度是非常有必要的，否则会造成机毁人亡，其经济损失是巨大的，因此如何选取地球物理探测模型试验的相似材料是非常重要的。

发明内容

本发明为使用地震法、电磁法、电法联合探测隧道前方灾害体的预报研究，提供的是一种能够同时满足电阻率和波速要求，结构简单、操作方便的地震法、电磁法、电法联合探测物理模型试验的相似材料及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：

一种联合探测物理模型试验的相似材料，所述相似材料由下列组分按如下质量份混合压实而成：

土      100份

水泥    4-20份

石子    10-25份，

其中土的含水率控制在8%～16%，整个相似材料压实度控制在0.75～0.95。

所述土与石子为相似材料的骨料，水泥为胶结剂，石子为3～4目，水泥以干粉直接掺入。

所述相似材料的波速为230～1260m/s,电阻率为20～340Ωm。

一种联合探测物理模型试验的相似材料的制备方法，按以下步骤进行：

（1）按照所需材料电阻率、波速参数，按照波速与电阻率与含水率、压实度关系曲线，按数值找出合适的含水率与压实度；

（2）现挖地下土样若干，通过烘干、日照或加水方法，使土体含水率达到预定含水率，砾石通过筛子筛选出3～4目粒径石子若干；

（3）分别称取各原材料放入搅拌机中，充分拌合；

（4）将混合材料放入模型中，分层堆料，进行人工夯实，达到预定压实度。

本发明所述的是一种用于地震法、电磁法、电法联合探测物理模型试验的相似材料，通过控制材料含水率与压实度，获得具有特别要求电阻率及波速的相似材料：该材料的波速为230～1260m/s,电阻率为20～340Ωm，能够同时满足地震波场、电磁场与直流电场相似，可用于电磁法、电法探测试验。电阻率、波速模拟范围广，能够适用于多种地质探测模型试验。

该相似材料具有以下优点：

（1）该材料的为230～1260m/s,电阻率为20～340Ωm，能够同时满足地震波场、电磁场与直流电场相似，可用于地震法、电磁法、电法联合探测物理模型试验，适用于多种地质模型；

（2）针对于特殊地质的相似比，可以通过调节土样含水率和模拟材料的压实度，配置出满足其要求的相似材料；

（3）材料具有很好的一致性，能够模拟物理模型试验更加接近真实地质背景围岩材料，可通过联合探测方法，精确找出背景围岩材料中的异常体（水、断层、溶洞等的相似材料）；

（4）配比较为简单，可根据试验模型比例来配置相似材料；

（5）材料来源广泛，价格低廉，无毒副作用，经济便利；

（6）材料性质稳定，制作工艺简单，能够长期利用、多次试验。

附图说明

图1材料制备流程图

图2电阻率、波速与压实度的关系曲线。

图3电阻率、波速与含水率的关系曲线。

表1不同配比材料电阻率与波速值

具体实施方式

实施例1

一种用于地震法、电磁法、电法联合探测物理模型试验的相似材料，根据相似比原理，要求电阻率达到它由以下重量份原料组成：

其中土的含水率12%，预定的压实度分别为0.75、0.80、0.85、0.90、0.95。

按图1所示流程完成以下步骤：

（1）现挖地下土样若干，通过烘干、日照、加水等方法，使土体含水率分别达到预定含水率为12%，分别控制压实度为0.75、0.80、0.85、0.90、0.95；

（2）通过筛子筛选出3～4目粒径砾石若干；

（3）按质量配比称取土、水泥、石子；

（4）将已称取土、水泥、石子放入搅拌机中，充分拌合；

（5）将混合材料放入模型中，压实到预定压实度，测量的电阻率、波速如图2所示；

实施例2

一种用于地震法、电磁法、电法联合探测物理模型试验的相似材料，根据相似比原理，要求电阻率达到它由以下重量份原料组成：

其中，预设的控制压实度为0.85，含水率分别为8%、10%、12%、14%、16%；

重复实施例1的步骤（2）、（3）、（4）、（5），获得电阻率、波速与含水率的关系曲线，如图3所示。

实施例3

一种用于地震法、电磁法、电法联合探测物理模型试验的相似材料，根据相似比原理，要求电阻率达到它由以下重量份原料组成：

分别按表1所列配比，控制相应压实度与含水率；

重复实例例1的步骤（2）、（3）、（4）、（5），获得电阻率、波速如表1所示。

表1

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Claims (4)

1.一种联合探测物理模型试验的相似材料，其特征在于：所述相似材料由下列组分按如下质量份混合压实而成：

土      100份

水泥    4-20份

石子    10-25份，

其中土的含水率控制在8%～16%，整个相似材料压实度控制在0.75～0.95。

2.如权利要求1所述的相似材料，其特征在于：所述土与石子为相似材料的骨料，水泥为胶结剂，石子为3～4目，水泥以干粉直接掺入。

3.如权利要求1所述的相似材料，其特征在于：所述相似材料的波速为230～1260m/s,电阻率为20～340Ωm。

4.如权利要求1所述的联合探测物理模型试验的相似材料的制备方法，其特征在于：按以下步骤进行：

（1）按照所需材料电阻率、波速参数，按照波速与电阻率与含水率、压实度关系曲线，按数值找出合适的含水率与压实度；

（2）现挖地下土样若干，通过烘干、日照或加水方法，使土体含水率达到预定含水率，砾石通过筛子筛选出3～4目粒径石子若干；

（3）分别称取各原材料放入搅拌机中，充分拌合；

（4）将混合材料放入模型中，分层堆料，进行人工夯实，达到预定压实度。

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