CN104732857B - 一种风化板岩体的模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于建设工程领域，涉及一种风化板岩体的模拟方法，可用于物理模型试验。采用普通玻璃或瓷片模拟片状板岩；根据现场岩体特性采用粘土、石膏、重晶石粉一种或两种以上混合物按一定比例配比粘接于玻璃片或瓷片间，模拟岩体的层理及软弱夹层；按玻璃片或瓷片的铺设方向，模拟岩层的产状；利用敲碎的方式分层处理材料，模拟天然岩体的破碎特性。本发明主要针对岩体的模拟，充分考虑了岩体的结构面、倾角、破碎程度等影响岩体强度的主要因素。利用本发明制作的板岩体，可结合土工离心机设备，进行室内物理模型试验，对以风化破碎板岩体为主要地质条件的岩质边坡、隧道围岩等重大工程进行稳定性分析研究。
Description
技术领域
本发明属于建设工程领域，涉及一种室内模型试验的材料制作方法，尤其是一种风化板岩体的模拟方法，可用于物理模型试验。
背景技术
目前国内外对于岩质边坡、隧道围岩稳定性等有关岩体的研究，主要集中在数值分析领域，由于材料制作的复杂性，物理模型实验模拟较少。数值模型试验中，参数的确定以及数学模型的选取，往往会对计算结果造成很大影响。
随着土工离心机在国内的应用，N-g条件下的物理模型试验能很好的模拟原型应力状态，而成为一种较为可靠的分析方法。离心机模拟法是利用离心力场提高模型的体积力，这样在保证原型与模型几何相似的前提下，可保持它们的力学特性相似，应力应变相同，破坏机理相同，变形相似，这对于以重力为主要荷载的岩土工程问题是十分适用的。以往的研究中，利用土工离心机进行的物理模型试验，在岩体的模型制作上并没有考虑岩体的结构面、夹层、破碎性等结构特性以及岩体的层理特性，而是简单的采用岩块模拟岩体。
国内外学者，常常根据研究需要选择相似材料模拟其研究的岩体类型，如石膏、水泥、石蜡、有机玻璃、粉煤粉等材料模拟岩石进行实验。而对岩体结构面、风化破碎程度的模拟，则少有重视。这些因素往往对对岩体强度的评价有很大的影响。因此，简单的用岩石代替岩体模拟实际破坏变形，得到的结果与实际工程情况误差较大。
发明内容
板岩是沿板理方向可以剥成薄片，具有板状结构的一种变质岩。为克服现有技术缺陷，本发明提供一种风化板岩体的模拟方法，结合土工离心模型试验，直观的显示强风化破碎板岩体的破坏变形特性。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种风化板岩体的模拟方法，具体步骤如下：
(1)采用玻璃片或瓷片模拟片状岩体：首先根据土工离心机模型比尺及现场片状岩体分层厚度，确定玻璃片或瓷片的厚度。
(2)根据现场片状岩体特性模拟岩体的层理及软弱夹层：根据现场勘查资料，确定是否有软弱夹层以及软弱夹层的大致位置，再确定所选材料模拟软弱夹层，所选材料为粘土、石膏、重晶石粉中的一种或两种以上混合，通过调整粘土、石膏、重晶粉的配比，制备得到不同强度等级的软弱夹层。将所得软弱夹层通过胶凝材料粘结于玻璃片或瓷片之间，得到模拟岩体；现场勘测的软弱夹层厚S米位于岩体底层上H米，在N-g离心加速度下，软弱夹层厚米且位于模拟岩体底层上米。
(3)按现场岩体产状布置模拟岩体：根据实际片理状板岩体的倾角、倾向和走向，对模拟岩体铺设排列方式作出相应的调整。
(4)根据实际岩体的完整等级，利用敲碎的方式分层处理模拟岩体，使模拟岩体获得天然岩体的破碎特性。
相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
(1)模型材料制作经济、方便、实用；
(2)本发明对于岩体的制作，可以考虑岩体倾角，岩体结构面、岩体风化破碎程度、层理性等因素的影响，克服了直接利用岩石相似材料试验结果的误差；
(3)该发明制作的模型结合土工离心机，可广泛应用于强风化板岩岩质边坡稳定性、隧道开挖围岩稳定性等实际工程情况的研究分析中；
(4)利用该发明的物理模型试验，可对相应的理论分析进行验证；
(5)可以满足多变的试验要求。
具体实施方式
以下结合技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
(1)首先根据土工离心机模型比尺及现场板岩分层厚度情况，确定玻璃或瓷片的厚度。考虑到板岩是一种片状变质岩，本发明利用片状的玻璃或瓷片，通过胶凝材料粘接，模拟板岩的板状构造。
在离心机中，N-g的离心加速度，会将模型尺寸放大N倍。例如，在100g离心加速度下，为了模拟0.2m厚的板岩片，可以采用厚度为0.2cm的玻璃片或瓷片。
(2)采用粘土、石膏、重晶石粉一种或两种以上成分，按一定比例配比粘接与玻璃片或瓷片间，模拟岩体的层理及软弱夹层。
根据现场勘查资料，确定是否有软弱夹层，以及软弱夹层的大致位置，再利用相关材料模拟软弱夹层。调整粘土、石膏、重晶粉混合物的配比，可得到不同强度等级的软弱夹层。利用胶凝材料，将玻璃板或瓷片与软弱夹层粘接。粘接的具体位置，根据模型比尺及现场板岩体的软弱夹层位置而定。实验表明，粘土、石膏、重晶石粉按不同配比混合，得到的混合物强度不同，通过室内实验可以实现想要的模拟材料强度。模拟得到的软弱夹层位置及厚度，依据实际工程勘察资料及土工离心机比尺而定，即实际软弱夹层厚S米位于岩体底层上H米，在N-g离心加速度下，模拟材料厚米且位于模拟岩体底层上米。
(3)按玻璃或瓷片的铺设方向，模拟岩层的产状。
考虑实际岩体的倾角、倾向、走向，玻璃板或瓷片的铺设排列方式作出相应的调整。水平产出的岩层，可以将玻璃片或瓷片进行平铺；模拟倾斜状岩层时，根据工程现场地质勘查资料，调整玻璃片或瓷片面与水平面之间的夹角，反应真实岩体倾斜角度。
(4)利用敲碎的方式分层处理材料。
为了模拟强风化的破碎板岩，对前3步处理后的完整材料，采用敲碎的方式破坏，模拟天然岩体的破碎性。
根据《工程岩体分级标准》(GB50218-94)，岩体结构面平均间距≤0.4m时，岩体完整程度属于破碎阶段。并考虑离心机模型比尺，规定在N-g离心加速度情况下，模拟材料结构面平均间距应即，100g离心加速度时，敲碎玻璃片或瓷片，使其破碎平均间距≤0.4cm。而实际岩体不同位置的破碎程度也不同，考虑模型比尺的作用，根据实际情况决定破碎层的厚度及位置。例如，实际岩体强风化层厚度5m-10m，且位于岩层底部以上20m处，那么在100g离心加速度下，模型材料破碎厚度为5cm-10cm，且位于底部以上20cm处。
考虑到岩体不同位置的破碎程度不同，且敲碎方式的影响深度有限。采用分层敲碎再粘接的方式，即将整体分成若干部分，按实际破碎情况逐个敲碎处理，最后按顺序粘接成整体。
Claims (1)
1.一种风化板岩体的模拟方法，其特征在于，步骤如下：
(1)采用玻璃片或瓷片模拟片状岩体：首先根据土工离心机模型比尺及现场片状岩体分层厚度，确定玻璃片或瓷片的厚度；
(2)根据现场片状岩体特性模拟岩体的层理及软弱夹层：根据现场勘查资料，确定是否有软弱夹层以及软弱夹层的位置，再确定所选材料模拟软弱夹层，所选材料为粘土、石膏、重晶石粉中的一种或两种以上混合，通过调整所选材料的配比，制备得到不同强度等级的软弱夹层；将所得软弱夹层通过胶凝材料粘结于玻璃片或瓷片之间，得到模拟岩体；现场勘测的软弱夹层厚S米位于岩体底层上H米，在N-g离心加速度下，软弱夹层厚米且位于模拟岩体底层上米,其中N是模型尺寸的放大倍数，g是离心加速度，N-g是N倍的离心加速度；
(3)按现场片状岩体产状布置模拟岩体：根据现场片状岩体的倾角、倾向和走向，对模拟岩体铺设排列方式作出相应的调整；
(4)根据实际岩体的完整等级，利用敲碎的方式分层处理模拟岩体，使模拟岩体获得天然岩体的破碎特性。
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