CN110376076A - 一种边坡模型软弱结构面降强材料及模拟方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于边坡地质力学模型材料配制技术领域，公开了一种边坡模型软弱结构面降强材料及模拟方法和应用，将加入重晶石粉的质量单位定为100，其它成分含量与重晶石粉的质量比定为加入比例；通过比例调节，同时在敷填软料上加聚四氟乙烯薄膜、聚乙烯薄膜或蜡纸等不同的薄膜，开展常温下的抗剪断强度试验，实现模型降强材料的抗剪断强度τ从0.001MPa～1MPa，相似比为1:200情况下，原型结构面的抗剪断强度为0.1MPa～200MPa的相似模拟。本发明通过对结构面材料温度的调节使石蜡材料逐步溶解，增加结构面软弱模型材料的湿度，改变材料的凝聚力和摩擦形式，使得材料的抗剪断强度τ逐步降低，达到结构面材料弱化的效应。

Description

一种边坡模型软弱结构面降强材料及模拟方法和应用
技术领域
本发明属于边坡地质力学模型材料配制技术领域，尤其涉及一种边坡模型软弱结构面降强材料及模拟方法和应用。
背景技术
目前，最接近的现有技术：目前，在边坡地质力学模型试验中，主要通过离心机、钢架的抬升、千斤顶加载等方式实现边坡容重的增加或改变边坡岩体的下滑力和阻滑力，模拟边坡出现超载的情况，揭示工程荷载作用引起工程边坡破坏的机制和发展过程，获得边坡在超载失稳机制下的稳定安全系数，评价边坡的稳定性。然而，在实际工程中，边坡的破坏失稳除了受到边坡岩体容重增加、下滑力增加等超载的因素外，边坡还受到降雨、泄洪雾化、水库水位升降等因素的影响，在此情况下，边坡岩体中软弱结构面力学参数的降低也是导致边坡失稳的重要因素。因此，在边坡稳定模型试验中应同时考虑超载的影响和软弱结构面参数降低的影响。
综上所述，现有技术存在的技术问题是：
(1)用离心机作加荷工具的方法只适合于小尺寸的模型，对于地质结构较复杂的大型模型来说则受到模型加工精度、粘贴应变片及安装位移计数量的限制而未能广泛应用。
(2)上述方法仅模拟了边坡出现超载的情况，未能模拟软弱结构面力学参数的降低的影响。
(3)上述方法均是单因素法，未能完全真实的反映工程实际，特别是对于水库工程的边坡，在泄洪雾化、水库水位升降等因素的影响下，边坡中软弱结构面力学参数会出弱化现象，在进行边坡稳定性评价时，应该考虑这一因素。
解决上述技术问题的难度：
(1)传统的模型材料的共同特征是模型材料一旦配制好后，材料力学参数就固定不变，因而不能模拟岩石及软弱结构面力学性能降低的现象，如要实现强度储备法试验，则只能用一个材料参数对应一个模型，这需做多个模型才能获得强度储备系数，而导致试验的工作量大、投资高和周期长，并且不同模型不能保持同等精度，难以满足试验研究的要求。
(2)能在一个物理模型中模拟岩体中软弱结构可能出现的强度弱化行为，其关键技术是需要研制出能降低材料力学参数的模型材料，且过程可控。
(3)已有的能实现降强的“变温相似材料”一般应用于大坝坝肩、坝基的岩体软弱结构的降强，其主要用于评价大坝工程的稳定性，但未在边坡模型实验中进行应用，而边坡稳定综合法试验和大坝稳定综合法试验的加载方式是不同的：边坡综合法模型试验先开展升温降强试验，然后需要通过抬升钢架来实现超载法试验，直至模型破坏失稳；而大坝稳定模型试验中，需要先进行预压 (千斤顶加载在坝体上游面模拟水荷载)，再加荷载至正常水荷载(千斤顶加载在坝体上游面模拟水荷载)，然后进行升温降强试验，最后再进行水荷载的超载，即不断增加大坝上游面千斤顶的油压进行超载，直至模型破坏失稳。
(4)相比于大坝模型，边坡模型的综合法试验，在降强阶段试验后，需要通过抬升钢架来实现超载法试验，如何保证超载阶段，软弱结构面的降强材料仍然保持其相似性，而不受钢架抬升的影响。
解决上述技术问题的意义：本发明结合边坡模型结构面的特定情况，在原有大坝模型能实现降强的“变温相似材料”及升温降强方法的基础上进行改进， (1)去掉大坝模型“变温相似材料”中的颗粒状高分子材料，从而减少后期边坡模型钢架抬升对结构面摩擦系数的影响；(2)增加石蜡和机油的含量，增大新研制材料的粘性，便于保证后期边坡模型钢架抬升过程仍然保持材料相似性； (3)在结构面预先布置升温及温度监控系统时，在埋设布置升温用电阻丝过程中，需要用小铁钉将电阻丝进行固定，保证后期边坡模型钢架抬升过程中，电阻丝不错位，不产生短路等现象。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种边坡模型软弱结构面降强材料及模拟方法和应用。
本发明是这样实现的，一种边坡模型软弱结构面降强材料，所述边坡模型软弱结构面降强材料按质量份计由重晶石粉100份、半精炼石蜡4-6份和32号液压机油8-12份组成。
进一步，所述重晶石粉的粒径≤200目；石蜡为半精炼石蜡：熔点54-60℃。
本发明的另一目的在于提供一种所述边坡模型软弱结构面降强材料的制备方法，所述边坡模型软弱结构面降强材料的制备方法包括：
首先将重晶石粉和石蜡混合均匀；
然后于温度90℃烘3个小时，取出冷却至室温，将32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和石蜡中混合均匀；
最后将混合好的材料用粒径≤1mm的筛子进行筛分，筛分好的混合料即可作为备料使用。
本发明的另一目的在于提供一种所述边坡模型软弱结构面降强材料的模拟方法，所述边坡模型软弱结构面降强材料的模拟方法包括以下步骤：
第一步，选取含泥量小于2％的重晶石粉作为加重料，加入重晶石粉的质量单位定为100，重晶石粉100份、半精炼石蜡4-6份和32号液压机油8-12份的质量比定为加入比例；
第二步通过石蜡、机油二者参合比例调节，同时在敷填软料上加聚四氟乙烯薄膜、聚乙烯薄膜或蜡纸不同的薄膜；相似比为1:200情况下，原型结构面的抗剪断强度为0.1MPa～200MPa的相似模拟；
第三步，开展选定配比模型降强材料的升温降强剪切试验，获得材料抗剪断强度与温度的关系曲线；
第四步，模型制作，制作断层结构面的时候采用敷填法；
第五步，在整个边坡模型的降强阶段试验中，通过升温的办法使得石蜡溶解，抗剪强度降低，通过曲线，将多少强度，对应的升高的温度是知道的，实现准确的降强。
进一步，所述第四步具体包括：①在软弱结构面下盘岩体顶面开挖沟槽，布置升温用电阻丝，模型中所采用的电阻丝是电压220V，功率在300W～800W 之间的电炉丝；②采用敷填法将配置好的模型降强材料敷填在电阻丝上面，根据原型断层的厚度，敷填的厚度是2mm-10mm，加上通过材料试验选好的聚四氟乙烯薄膜、聚乙烯薄膜或蜡纸等不同的薄膜，在砌筑结构面的上盘；同时在模型中安装升温系统和温度测试系统。
所述边坡模型软弱结构面降强材料的模拟方法进一步包括：结构面抗剪断强度摩擦因素f'的模拟采用具有不同粗糙面、防潮性能较好的薄膜材料模拟；粘聚力C‘则通过敷设软料的厚度调节，具体操作步骤如下：
岩体结构面f'的模拟采用具有不同粗糙面、防潮性能较好的薄膜材料来模拟；采用变角板剪切法，变角板剪切法通过极限平衡分析法的原理，通过试验获得法向压应力与下滑力之间的关系曲线，求得对应薄膜材料的摩擦角，获得f' 值，将模型块体固定在夹板上，模拟结构面下盘岩体，在模型块体上敷设所需测试的薄膜材料；然后取相同的模型块体放置在薄膜材料上模拟结构面上盘岩体，通过下部油压千斤顶逐步抬升夹板水平夹角，直至上下盘块体发生剪切滑动为止，获得此时的旋转角度获得f'值。
进一步岩体结构面的C‘的模拟采用敷设模拟材料实现，以重晶石粉、机油、石蜡为主要成分的混合料，用以模拟岩体结构面的力学参数，并通过其敷设厚度的调整达到岩体结构面C‘的相似模拟；具体操作步骤：在模型砌筑时，用模型块体先制作好岩体结构面下盘岩体，根据软料材料试验的成果，将软料敷设在结构面岩体下盘之上，再将薄膜按照要求铺垫在软料之上，并配合上盘岩体的砌筑，完成岩体结构面的砌筑与模拟；
岩体结构面C‘的测试通过直剪法进行，通过直剪法以及相应的量测设备，可对结构面模型材料的强度和变形特征，获得结构面模型材料破坏规律。
进一步，所述第五步具体包括(以具体工程为例说明如下)：对结构面LS337和C3-1进行结构面力学参数的弱化，安装电阻丝和温度巡检仪等配套设施；结构面的制模与加工采用不同薄膜材料的软弱结构面相似材料进行模拟，在砌筑至附近块体时，结合相应的地质剖面图确定软弱结构面的产状，再按照结构面的产状走向及倾斜角度进行砌筑，同时根据结构面上不同区域的力学参数进行结构面、变温相似材料、电阻丝、温度巡检仪的敷填与安装；
(1)在模型岩体结构面进行砌筑时，缓倾角结构面LS337的不同力学参数，在1区(J110～f114外围)，τ(f’，c’)为τ(0.4，0.1)、在2区(J110～f114范围内τ(f’，c’)为τ(0.38，0.05)，需要对电阻丝的布置、引出线的走向、调压器的分类控制进行改进和提升；对于不同的力学参数区域需要进行分组电阻丝的走线布置；当结构面材料抗剪断强度弱化20％时，缓倾角结构面LS337在1 区的温度值为32°，拟定进行模型试验时当天稳定为5°，则根据热传导公式：
Q＝cmΔt；
式中：Q表示热量，单位J，单位为焦耳；c表示比热容，单位J/kg·℃； m表示质量，单位千克；t表示温度变化值，单位℃；
(2)重晶石粉比热容c为480.33J/kg·℃、质量m为0.8kg、Δt变化值为20°，则根据公式Q＝cmΔt可知，在结构面力学参数弱化20％时所需要的热量Q＝7685.28焦耳；
(3)在缓倾角结构面LS337的1区内共需要串联近6根电阻丝，长度近 60m；电阻率为0.017Ω·mm2/m，截面面积取0.01mm2，则1区范围内的电阻为102Ω；试验中，升温为20°，按照每个温度步升2°，间隔时间为 20分钟计算，所需时间t为200分钟，则计算在不考虑热量损耗情况下的所需电压U为62.6V；
(4)在边坡地质力学模型大面积升温弱化结构面力学参数的试验过程中，缓倾角结构面LS337的1区采用Umax＝63V，t为200min，ΔT＝2°时能有效的满足结构面弱化的需要；
缓倾角结构面LS337的2区的Umax＝22V，t为200min，Δt＝20min，ΔT＝2°时能有效的满足结构面弱化的需要；
缓倾角结构面C3-1的Umax＝60V，t为200min，Δt＝20min，ΔT＝2°时能有效的满足结构面弱化的需要。
本发明的另一目的在于提供一种4所述的边坡模型软弱结构面降强材料的模拟方法使用的降强材料检测系统，所述降强材料检测系统包括：升温系统和温度监控系统；
升温系统由调压器、电阻丝和引出线组成，调压器用于改变电阻丝两端的电压，通过电阻发热量的调节来改变结构面温度；电阻丝则埋设在结构面下盘岩体之上，作为改变结构面弱化材料温度的直接组成；
温度监控系统为模型外部的温度巡回检测仪，埋设在结构面材料中的热电偶以及两者的连接线，通过温度巡回检测仪监控各埋设部位的温度值。
本发明的另一目的在于提供一种应用项所述边坡模型软弱结构面降强材料的模拟方法在岩质边坡地质力学模型测试系统。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明结合边坡模型结构面的特定情况(前期升温降强、后期抬升超载)，在原有大坝模型能实现降强的“变温相似材料”及升温降强方法的基础上进行改进，通过去掉大坝模型“变温相似材料”中的颗粒状高分子材料，增加石蜡和机油的含量，增大新研制材料的粘性，并在结构面预先布置升温及温度监控系统时，用小铁钉将电阻丝进行固定，保证后期边坡模型钢架抬升过程仍然保持材料相似性，以及保证电阻丝不错位，不产生短路等现象。通过对结构面材料温度的调节使石蜡逐步溶解，增加结构面软弱模型材料的湿度，改变材料的凝聚力和摩擦形式，使得材料的抗剪断强度τ逐步降低，达到结构面材料弱化的效应，同时在材料试验中获得结构面降强材料强度参数τ(f′，c′)～温度T之间的关系曲线，为综合法试验中结构面的升温降强提供了依据。本发明的组份和专利(发明专利——用于模拟软弱岩体的地质力学模型相似材料及其制备方法)的区别在于，半精炼石蜡和32号液压机油的组份不同，另外就是该降强材料不需要用压模机进行压块，是用敷填法进行制作。还有就是对重晶石粉的含泥量也需要进行控制，用来制作该模型降强材料的重晶石粉的含泥量不能超过2％，如果超过该含量，则制备的模型降强材料湿度不够，无法进行敷填制作软弱结构面，或者即便勉强能制作软弱结构面，其表面也不光滑，且其导热性差，不利于升温降强。
本发明所设计的岩质边坡软弱结构面模型降强材料在白鹤滩高拱坝的左岸高边坡中进行了应用，如图2所示。
附图说明
图1是本发明实施例提供的边坡模型软弱结构面降强材料的模拟方法流程图。
图2是本发明实施例提供的在白鹤滩高拱坝的左岸高边坡中进行应用效果示意图。
图3是本发明实施提供的石蜡—变形模量关系曲线图。
图4是本发明实施提供的机油—变形模量关系曲线图。
图5是本发明实施提供的典型结构面模型材料σ～τ关系曲线图。
图6是本发明实施提供的降强弱化试验示意图。
图7是本发明实施提供的典型结构面降强材料τ～T关系曲线图。
图8是本发明实施提供的结构面材料弱化的升温及温度监控系统示意图。
图9是本发明实施提供的边坡模型砌筑完成后的全貌见图。
图10是本发明实施提供的LS337结构面1区(J110～f114外围外)τ～T关系曲线示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种边坡模型软弱结构面降强材料及模拟方法和应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明实施例提供的边坡模型软弱结构面降强材料按质量份计由重晶石粉 100份、半精炼石蜡4-6份和32号液压机油8-12份组成。
本发明实施例提供的边坡模型软弱结构面降强材料其材料组成为重晶石粉 (粒径≤200目)+石蜡(半精炼石蜡：熔点54-60℃)+机油(32号液压机油) +聚四氟乙烯薄膜、聚乙烯薄膜或蜡纸的方式，具体制备过程首先是要将重晶石粉和石蜡混合均匀；然后于温度90℃烘3个小时，取出冷却至室温，将32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和石蜡中混合均匀，然后将混合好的材料用粒径≤1mm的筛子进行筛分，筛分好的混合料即可作为备料使用。
如图1所示，本发明实施例提供的边坡模型软弱结构面降强材料的模拟方法包括以下步骤：
S101：选取含泥量小于2％的重晶石粉(粒径≤200目)作为加重料，将加入重晶石粉的质量单位定为100，其它成分含量(石蜡(半精炼石蜡：熔点 54-60℃)+机油(32号液压机油))与重晶石粉的质量比定为加入比例；
S102：通过石蜡、机油二者参合比例调节，同时在敷填软料上加聚四氟乙烯薄膜、聚乙烯薄膜或蜡纸等不同的薄膜，开展常温下的抗剪断强度试验，使配制的材料满足与原型结构面的抗剪断强度相似，实现模型降强材料的抗剪断强度τ从0.001MPa～1MPa，相似比为1:200情况下，原型结构面的抗剪断强度为 0.1MPa～200MPa的相似模拟；
S103：开展选定配比模型降强材料的升温降强剪切试验，如本文档中的图6 所示，同时获得图7所示的该材料抗剪断强度与温度的关系曲线；
S104：模型制作，制作断层结构面的时候采用敷填法，①在软弱结构面下盘岩体顶面开挖沟槽，布置升温用电阻丝(模型中所采用的电阻丝是电压220V，功率在300W～800W之间的电炉丝)；②采用敷填法将配置好的模型降强材料敷填在电阻丝上面，根据原型断层的厚度，敷填的厚度一般是2mm-10mm，然后加上通过材料试验选好的聚四氟乙烯薄膜、聚乙烯薄膜或蜡纸等不同的薄膜，在砌筑结构面的上盘。同时在模型中安装升温系统和温度测试系统；
S105：在整个边坡模型的降强阶段试验中，通过升温的办法使得石蜡溶解，抗剪强度降低，整个升温降强的过程通过图7所示的曲线进行控制，也即，通过曲线，需要降多少强度，对应的升高的温度是知道的，实现准确的降强。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
1边坡地质力学模型结构面降强材料的研制
边坡地质力学模型结构面降强材料的研制要满足模型在整个试验过程中与原型的几何相似、物理相似等基本要求，模型材料的选用就成为了模型试验的基础，也是模型试验是否成功的关键。因此，对模型材料的选用，则应遵循以下原则：
(1)容重相似原则：地质力学模型试验中，岩体自重的模拟通过模型材料的自重来模拟，要求模型和原型材料的容重比值接近1，即Cγ＝1模拟岩体自重；
(2)应力—应变相似原则：地质力学模型试验是一种破坏试验，因此，要求模型岩体材料与原型岩体的应力—应变关系曲线不仅在弹性阶段要相似，在超出弹性阶段后直至破坏为止均要相似，即实现全过程相似。
(3)结构面相似原则：结构面相似应注重模型材料的抗剪断强度τ(f′，c′)的相似模拟，此外还应考虑断层、破碎带、卸荷裂隙等岩体结构面对产状、连通率等性状的相似模拟。
(4)经济、健康和可靠原则：地质力学模型材料还应满足材料成本低廉、性能稳定、无毒害和容易加工的要求。
综合以上4方面的选用原则表明，在地质力学模型试验中，模型材料的选择是非常重要的一个环节，同时选用材料的配比、制作工艺等对原型重要特征的模拟有着很大的影响，决定着模拟的真实性与准确性，是模型试验成功的关键。
1.1常温状态下模型软弱结构面材料的研制
边坡岩体中的断层、卸荷裂隙、层间层内错动带等是影响边坡整体稳定的主要控制性因素，其模型材料主要依据结构面的抗剪断强度的相似关系进行选配。通过大量的材料试验研究，以重晶石粉、机油、石蜡及薄膜材料为主，按所要求的力学指标配制出相应的结构面相似材料，来实现对结构面抗剪断强度的相似模拟，而石蜡由于其适中的强度特征和良好的可塑性，在高温烘焙的状态下，可与其余模型材料充分融合，如图4所示；机油具有润滑和稀释的优良物理特征，可以在低强度岩体材料的研制过程起到关键的作用，如图5所示。其中结构面抗剪断强度摩擦因素f'的模拟采用具有不同粗糙面、防潮性能较好的薄膜材料来模拟；而C‘则通过敷设软料的厚度来调节，具体操作步骤如下：
岩体结构面f'的模拟采用具有不同粗糙面、防潮性能较好的薄膜材料来模拟。为了研究不同结构面f'值的相似模拟，进行了多种薄膜材料，多种组合方式的力学试验研究，得到了不同薄膜材料及多种组合方式下的f'值。材料试验采用变角板剪切法，变角板剪切法就是通过极限平衡分析法的原理，通过试验获得法向压应力与下滑力之间的关系曲线，求得对应薄膜材料的摩擦角，获得f' 值。具体操作步骤是：将模型块体固定在夹板上，模拟结构面下盘岩体，在模型块体上敷设所需测试的薄膜材料，然后取相同的模型块体放置在薄膜材料上模拟结构面上盘岩体，通过下部油压千斤顶逐步抬升夹板水平夹角，直至上下盘块体发生剪切滑动为止，获得此时的旋转角度从而获得f'值。具体摩擦系数f'的薄膜选用如表1所示。
而岩体结构面的C‘的模拟采用敷设模拟材料来实现，仍以重晶石粉、机油、石蜡等做为主要成分的混合料，用以模拟岩体结构面的力学参数，并通过其敷设厚度的调整达到岩体结构面C‘的相似模拟。具体操作步骤如下：在模型砌筑时，用模型块体先制作好岩体结构面下盘岩体，根据软料材料试验的成果，将软料敷设在结构面岩体下盘之上，再将薄膜按照要求铺垫在软料之上，并配合上盘岩体的砌筑，完成岩体结构面的砌筑与模拟。
表1薄膜材料选用表
在材料试验中，岩体结构面C‘的测试主要通过直剪法进行，通过直剪法以及相应的量测设备，可研究结构面模型材料的强度和变形特征，进而研究结构面模型材料破坏规律。试验中，f'通过薄膜材料来控制，而C‘则通过软料敷设厚度来调整。某结构面模型材料抗剪断强度τ(f′、c′)与正应力的典型关系曲线如图6所示，其y轴截距即为C'值。
1.2模型降强材料原理
本发明边坡结构面降强材料的基本原理是按比例配制以重晶石粉、机油、石蜡为主的模型材料，并结合薄膜材料模拟软弱结构面，同时在结构面布置升温及温度监控系统，通过对结构面材料温度的调节使石蜡材料逐步溶解，增加结构面软料的湿度，改变软料的凝聚力和摩擦形式，使得材料的抗剪断强度τ(f′、c′)逐步降低。
结构面降强材料在模型应用过程中，首先要在常温状态下配制达到满足与原型相似关系的抗剪断强度τ，然后进行材料降强的剪切试验，测得抗剪断强度τ～温度T的关系曲线，以作为判定降强系数的依据。材料降强试验示意图见图6所示。
在白鹤滩水电站工程中，左岸层间层内错动带LS337和C3-1结构面内主要由凝灰岩组成，呈风化、破碎状；同时左岸岩体中地下水埋深较浅，水力坡度较缓，在水库运行期极易导致层间层内错动带LS337和C3-1结构面力学参数的弱化，不利于高边坡的整体稳定。因此，在模型试验中拟将采用结构面弱化试验技术对层间层内错动带C3-1和LS337进行弱化模拟。对于边坡岩体结构面的弱化主要通过在混合料中加入可溶性高分子材料来实现，在试验过程中，通过升高结构面混合料的温度使之熔化，改变了结构面的f'和C‘值，达到了降低结构面力学参数τ的目的。
在试验准备阶段，进行如图6的材料弱化试验，测得抗剪断强度与温度之间的对应数据点，并对离散点进行拟合，得到抗剪断强度与温度之间的关系式确定强度折减的百分比，通过以上的函数关系式得到各自需要升高的温度，试验中通过升温系统和温度控制系统来实现结构面力学参数的强度折减和准确控制。典型结构面降强材料τ～T关系曲线如图9所示。
2降强材料系统组成及工作原理
根据结构面材料弱化原理，在需要弱化的结构面下盘布置升温系统和温度监控系统。升温系统由调压器、电阻丝和引出线组成，调压器用于改变电阻丝两端的电压，通过电阻发热量的调节来改变结构面温度；电阻丝则埋设在结构面下盘岩体之上，作为改变结构面弱化材料温度的直接组成。温度监控系统为模型外部的温度巡回检测仪，埋设在结构面材料中的热电偶以及两者的连接线，在试验过程中通过温度巡回检测仪来监控各埋设部位的温度值。结构面材料弱化的升温系统及温度监控系统示意图如图8所示。
在试验过程中，通过调压器调节电阻丝两端的电压来改变电阻丝的发热量，并将之传递给石蜡材料，使之熔解。结构面材料的凝聚力和薄膜接触面的粗糙程度发生改变，从而在试验过程中实现了结构面抗剪断强度降低的力学行为。该过程符合强度折减法的试验原理，在强度折减过程中的升温系统和温度控制系统均可实现实时调整与监控。
3降强材料在白鹤滩边坡模型中的应用
在本次边坡模型试验中，需要对结构面LS337和C3-1进行结构面力学参数的弱化，因此在结构面制模时还需要安装电阻丝和温度巡检仪等配套设施。其结构面的制模与加工采用不同薄膜材料的软弱结构面相似材料进行模拟，在砌筑至附近块体时，结合相应的地质剖面图确定软弱结构面的产状，再按照结构面的产状走向及倾斜角度进行砌筑，同时根据结构面上不同区域的力学参数进行结构面、变温相似材料、电阻丝、温度巡检仪的敷填与安装。边坡模型砌筑完成后的全貌见图9。
在模型岩体结构面进行砌筑时，针对缓倾角结构面LS337的不同力学参数，在1区(J110～f114外围)),τ(f′，c′)为τ(0.4，0.1)、在2区(J110～f114范围内τ(f′，c′)为τ(0.38，0.05)，需要对电阻丝的布置、引出线的走向、调压器的分类控制进行改进和提升。首先，对于不同的力学参数区域需要进行分组电阻丝的走线布置，在1区由于所需加热面积较大，电阻丝单根长度(10m)不足以满足其布置走线需要，因此需要进行串联搭接的形式进行布置。下面进行结构面弱化材料热导效应分析，当结构面材料抗剪断强度弱化20％时，缓倾角结构面LS337在1区的温度值为32°，拟定进行模型试验时当天稳定为5°，则根据热传导公式：
Q＝cmΔt；
式中：Q表示热量，单位J(焦耳)；c表示比热容，单位J/kg·℃(焦每千克摄氏度)；m表示质量，单位kg(千克)；t表示温度变化值，单位℃ (摄氏度)。
在本次计算中拟定重晶石粉比热容c为480.33J/kg·℃、质量m为 0.8kg、Δt变化值为20°，则根据公式Q＝cmΔt可知，在结构面力学参数弱化20％时所需要的热量Q＝7685.28焦耳(不考虑热量损耗)。
同时，由电阻丝发热量计算公式和可知，电阻丝发热量与电压、电阻、电阻丝截面积、电阻丝长度和加热时间有关。
在缓倾角结构面LS337的1区内共需要串联近6根电阻丝，长度近60m。电阻率为0.017Ω·mm2/m，截面面积取0.01mm2，则1区范围内的电阻为102Ω。试验中，拟定升温为20°，按照每个温度步升2°，间隔时间为 20min计算，所需时间t为200min，则计算在不考虑热量损耗情况下的所需电压U为62.6V。
由上述热导效应分析可知，在边坡地质力学模型试验中，针对缓倾角结构面1区的大面积加热弱化需求，电阻丝需要进行搭接布置走线才能覆盖整个模拟区域，这样就对调压器的电压需求、温度调节的步长幅度、升温时间提出了具体要求，由分析结果可知，在边坡地质力学模型大面积升温弱化结构面力学参数的试验过程中，缓倾角结构面LS337的1区采用 Umax＝63V，t为200min，ΔT＝2°时能有效的满足结构面弱化的需要。
同理，缓倾角结构面LS337的2区的 Umax＝22V，t为200min，Δt＝20min，ΔT＝2°时能有效的满足结构面弱化的需要。
缓倾角结构面C3-1的Umax＝60V，t为200min，Δt＝20min，ΔT＝2°时能有效的满足结构面弱化的需要。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种边坡模型软弱结构面降强材料，其特征在于，所述边坡模型软弱结构面降强材料按质量份计由重晶石粉100份、半精炼石蜡4-6份和32号液压机油8-12份组成。
2.如权利要求1所述的边坡模型软弱结构面降强材料，其特征在于，所述重晶石粉的粒径≤200目；石蜡为半精炼石蜡：熔点54-60℃。
3.一种如权利要求1所述边坡模型软弱结构面降强材料的制备方法，其特征在于，所述边坡模型软弱结构面降强材料的制备方法包括：
首先将重晶石粉和石蜡混合均匀；
然后于温度90℃烘3个小时，取出冷却至室温，将32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和石蜡中混合均匀；
最后将混合好的材料用粒径≤1mm的筛子进行筛分，筛分好的混合料即可作为备料使用。
4.一种如权利要求1所述边坡模型软弱结构面降强材料的模拟方法，其特征在于，所述边坡模型软弱结构面降强材料的模拟方法包括以下步骤：
第一步，选取含泥量小于2％的重晶石粉作为加重料，加入重晶石粉的质量单位定为100，重晶石粉100份、半精炼石蜡4-6份和32号液压机油8-12份的质量比定为加入比例；
第二步通过石蜡、机油二者参合比例调节，同时在敷填软料上加聚四氟乙烯薄膜、聚乙烯薄膜或蜡纸不同的薄膜；相似比为1:200情况下，原型结构面的抗剪断强度为0.1MPa～200MPa的相似模拟；
第三步，开展选定配比模型降强材料的升温降强剪切试验，获得材料抗剪断强度与温度的关系曲线；
第四步，模型制作，制作断层结构面的时候采用敷填法；
第五步，在整个边坡模型的降强阶段试验中，通过升温的办法使得石蜡溶解，抗剪强度降低，通过曲线，降多少强度，对应的升高的温度是知道的，实现准确的降强。
5.如权利要求4所述的边坡模型软弱结构面降强材料的模拟方法，其特征在于，所述第四步具体包括：①在软弱结构面下盘岩体顶面开挖沟槽，布置升温用电阻丝，模型中所采用的电阻丝是电压220V，功率在300W～800W之间的电炉丝；②采用敷填法将配置好的模型降强材料敷填在电阻丝上面，根据原型断层的厚度，敷填的厚度是2mm-10mm，加上通过材料试验选好的聚四氟乙烯薄膜、聚乙烯薄膜或蜡纸等不同的薄膜，再砌筑结构面的上盘；同时在模型中安装升温系统和温度测试系统。
6.如权利要求4所述的边坡模型软弱结构面降强材料的模拟方法，其特征在于，所述边坡模型软弱结构面降强材料的模拟方法进一步包括：结构面抗剪断强度摩擦因素f'的模拟采用具有不同粗糙面、防潮性能较好的薄膜材料模拟；粘聚力C‘则通过敷设软料的厚度调节，具体操作步骤如下：
岩体结构面f'的模拟采用具有不同粗糙面、防潮性能较好的薄膜材料来模拟；采用变角板剪切法，变角板剪切法通过极限平衡分析法的原理，通过试验获得法向压应力与下滑力之间的关系曲线，求得对应薄膜材料的摩擦角，获得f'值，将模型块体固定在夹板上，模拟结构面下盘岩体，在模型块体上敷设所需测试的薄膜材料；然后取相同的模型块体放置在薄膜材料上模拟结构面上盘岩体，通过下部油压千斤顶逐步抬升夹板水平夹角，直至上下盘块体发生剪切滑动为止，获得此时的旋转角度获得f'值。
7.如权利要求6所述的边坡模型软弱结构面降强材料的模拟方法，其特征在于，所述进一步岩体结构面的C‘的模拟采用敷设模拟材料实现，以重晶石粉、机油、石蜡为主要成分的混合料，用以模拟岩体结构面的力学参数，并通过其敷设厚度的调整达到岩体结构面C‘的相似模拟；具体操作步骤：在模型砌筑时，用模型块体先制作好岩体结构面下盘岩体，根据软料材料试验的成果，将软料敷设在结构面岩体下盘之上，再将薄膜按照要求铺垫在软料之上，并配合上盘岩体的砌筑，完成岩体结构面的砌筑与模拟；
岩体结构面C‘的测试通过直剪法进行，通过直剪法以及相应的量测设备，可对结构面模型材料的强度和变形特征，获得结构面模型材料破坏规律。
8.如权利要求4所述的边坡模型软弱结构面降强材料的模拟方法，其特征在于，所述第五步具体包括：对结构面LS337和C3-1进行结构面力学参数的弱化，安装电阻丝和温度巡检仪等配套设施；结构面的制模与加工采用不同薄膜材料的软弱结构面相似材料进行模拟，在砌筑至附近块体时，结合相应的地质剖面图确定软弱结构面的产状，再按照结构面的产状走向及倾斜角度进行砌筑，同时根据结构面上不同区域的力学参数进行结构面、变温相似材料、电阻丝、温度巡检仪的敷填与安装；
(1)在模型岩体结构面进行砌筑时，缓倾角结构面LS337的不同力学参数，在1区(J110～f114外围),τ(f’，c’)为τ(0.4，0.1)、在2区(J110～f114范围内τ(f’，c’)为τ(0.38，0.05)，需要对电阻丝的布置、引出线的走向、调压器的分类控制进行改进和提升；对于不同的力学参数区域需要进行分组电阻丝的走线布置；当结构面材料抗剪断强度弱化20％时，缓倾角结构面LS337在1区的温度值为32°，拟定进行模型试验时当天稳定为5°，则根据热传导公式：
Q＝cmΔt；
式中：Q表示热量，单位J，单位为焦耳；c表示比热容，单位J/kg·℃；m表示质量，单位千克；t表示温度变化值，单位℃；
(2)重晶石粉比热容c为480.33J/kg·℃、质量m为0.8kg、Δt变化值为20°，则根据公式Q＝cmΔt可知，在结构面力学参数弱化20％时所需要的热量Q＝7685.28焦耳；
(3)在缓倾角结构面LS337的1区内共需要串联近6根电阻丝，长度近60m；电阻率为0.017Ω·mm2/m，截面面积取0.01mm2，则1区范围内的电阻为102Ω；试验中，升温为20°，按照每个温度步升2°，间隔时间为20分钟计算，所需时间t为200分钟，则计算在不考虑热量损耗情况下的所需电压U为62.6V；
(4)在边坡地质力学模型大面积升温弱化结构面力学参数的试验过程中，缓倾角结构面LS337的1区采用Umax＝63V，t为200min，ΔT＝2°时能有效的满足结构面弱化的需要；
缓倾角结构面LS337的2区的Umax＝22V，t为200min，Δt＝20min，ΔT＝2°时能有效的满足结构面弱化的需要；
缓倾角结构面C3-1的Umax＝60V，t为200min，Δt＝20min，ΔT＝2°时能有效的满足结构面弱化的需要。
9.一种如权利要求4所述的边坡模型软弱结构面降强材料的模拟方法使用的降强材料检测系统，其特征在于，所述降强材料检测系统包括：升温系统和温度监控系统；
升温系统由调压器、电阻丝和引出线组成，调压器用于改变电阻丝两端的电压，通过电阻发热量的调节来改变结构面温度；电阻丝则埋设在结构面下盘岩体之上，作为改变结构面弱化材料温度的直接组成；
温度监控系统为模型外部的温度巡回检测仪，埋设在结构面材料中的热电偶以及两者的连接线，通过温度巡回检测仪监控各埋设部位的温度值。
10.一种应用权利要求4～8任意一项所述边坡模型软弱结构面降强材料的模拟方法在岩质边坡地质力学模型测试系统。
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