CN110736662A - 一种模拟碳酸岩地质力学模型的相似条件及相似材料配比确定方法 - Google Patents

一种模拟碳酸岩地质力学模型的相似条件及相似材料配比确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模拟碳酸岩地质力学模型的相似条件及相似材料配比确定方法，本发明考虑几何相似和物理相似确定了地质力学模型相似条件，之后根据原型岩体风化程度，将其分为强风化泥灰岩、中风化泥灰岩和弱风化泥灰岩三种类型，根据每种类型的原型岩石力学参数和相似条件计算出目标模拟材料的各项力学参数；通过不同的配比制备试件模型，之后将试件模型进行单轴抗压试验和直剪试验，根据试验数据分析每种配比范围对应的泥灰岩的风化状态，完成配比方案的确定。本发明通过配比设计可以最大程度的模拟不同风化状态原岩，模拟的各项力学参数仿真度高，为不同物理状态的岩石研究提供了可行的方案。

Description

一种模拟碳酸岩地质力学模型的相似条件及相似材料配比确 定方法
技术领域
本发明属于工程建设中相似模拟材料领域，涉及一种用于模拟不同风化状态碳酸岩的地 质力学模型技术，具体涉及一种模拟碳酸岩地质力学模型的相似条件及相似材料配比确定方 法。
背景技术
目前我国大部分地区沉积岩的分布范围较广，其中位于浅层的泥灰岩由于所处的地质环 境不同，此种岩石表现出的力学性质也不尽相同，尤其在风化程度、厚度、承载力等方面差 异较大，对工程建设带来非常不利的影响，各层岩体风化程度不同使得基础承载力难以定性 定量分析，这一问题也成为地质力学模拟实验的主要研究内容，因此需要有合适的模型材料 来模拟不同风化程度的泥灰岩以便进行上述相关的研究。武汉大学韩伯鲤等研制的MIB材料、 清华大学李仲奎等研制的NIOS材料、山东大学张强勇等研制的IBSCM材料等。现有材料存 在的问题：在材料配置中，一些材料本身带有一定毒性，危害试验研究人的身体健康；在模 型材料制作中工艺复杂，对材料要求严格，使得制作成本大大增加；配比材料种类过多使得 模拟材料稳定性大大降低；对于同种岩石不同物理状态的模拟尚缺乏相关研究。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种可模拟不同风化状态碳酸岩的地质力学模型相似材料。
本发明提供的用于模拟不同风化状态碳酸岩的地质力学模型相似材料由河沙、水泥、石 膏、硅藻土、红黏土、泥灰岩粉按照一定比例混合而成。考虑到本实验原型岩体为强风化泥 灰岩、中风化泥灰岩以及弱风化泥灰岩组成的岩层，其均由粉砂等骨料及泥质碳酸盐与粘土 矿物等胶结物混合组成的一种松、脆、易碎的较新的沉积岩，因此用砂为骨料、石膏/水泥作 为胶结物、硅藻土/红黏土/灰岩粉作为调节材料组成的相似材料可最佳模拟此类沉积岩。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种模拟不同风化状态碳酸岩地质力学模型的相似条件确定方法，其特征在于，包括以 下步骤：
步骤1、几何相似，根据相似第一定理将原型的尺寸按照一定比例缩小做成试验模型尺 寸，以角标H表示原型、角标M表示模型、α表示原型与模型各物理量之间的相似比例，几 何相似需满足以下条件：
Figure BDA0002239326310000021
Figure BDA0002239326310000022
Figure BDA0002239326310000023
上式中：αL-长度相似常数，αA-面积相似常数，αV-体积相似常数，对于岩土工程与水 利工程结构的模拟，定性模型的几何尺寸其相似常数αL通常为100至200，而定量模型的αL需取20至50；
步骤2、物理相似，岩溶地区的桩基采用嵌岩桩，通过对岩石变形特性及破坏机制进行 分析，确定岩溶区桩基持力层的安全厚度，在考虑溶洞自重及强度条件下，确定相似材料的 物理相似条件，该步骤还包括以下三个子步骤：
步骤2.1、弹性范围内不考虑自重时的相似条件
不考虑岩体自重时，主要的物理相似常数为：
Figure BDA0002239326310000024
Figure BDA0002239326310000025
上式中：ασ-应力相似常数；αE-弹性模量相似常数；
根据原型与模型中应力-应变曲线应当用同一方程表示的要求，有：
Figure BDA0002239326310000026
上式中，εH、εM分别为原型和模型的应变，将EH＝αEEM，αH＝ασσM，εH＝αεεM代入 公式(4)，可将公式(4)改写为：
使公式(5)和公式(6)相等，则有相似指标：
Figure BDA0002239326310000031
由于ε是无量纲的，应变相似常数αε＝1，则有：
αE＝ασ 公式(8)
不计自重的情况下，应力相似常数可随意选取；
步骤2.2、弹性范围内考虑自重时的相似条件
考虑岩土自重时，相似常数还应包括：
上式中，αγ是容重相似常数，γH、γM分别为原型和模型的容重；
根据弹性力学原理和相似原理，原型和模型需满足平衡方程和变形协调方程，可求得相 似指标为：
Figure BDA0002239326310000033
Figure BDA0002239326310000034
同时还应满足公式(8)，其中S为常数；
步骤2.3、泥灰岩相似材料的相似条件
相似模拟试验中，需要获得溶洞顶板的极限承载力，所以主要的相似常数除了满足公式 (8)、公式(9)和公式(10)，还要满足强度的相似要求，试验中只考虑抗压强度，强度极 限与应力的量纲一致，选择模拟材料的强度指标时，可以根据下式换算：
Figure BDA0002239326310000035
公式(11)中，[σC]H、[σC]M分别为原型和模型的抗压强度，其他参数物理意义同上，同样，内聚力C与应力的量纲一致，选择模型材料的内聚力时，可根据下式换算：
Figure BDA0002239326310000036
公式(12)中，[C]H、[C]M分别为原型和模型的内聚力，其他参数物理意义同上；
内摩擦角
Figure BDA0002239326310000041
是无量纲的，相似指标需满足：内摩擦角相似常数
Figure BDA0002239326310000042
综上，岩溶桩基相似模拟实验中，泥灰岩相似材料相似指标需满足：
Figure BDA0002239326310000043
一种模拟不同风化状态碳酸岩的地质力学模型相似材料配比确定方法，其特征在于，包 括以下步骤：
步骤1、根据原型岩体风化程度，将其分为强风化泥灰岩、中风化泥灰岩和弱风化泥灰 岩三种类型，根据每种类型的原型岩石力学参数和相似条件计算出目标模拟材料的各项力学 参数；
步骤2、试验按材料质量配合比设计，选用河沙为骨料，水泥+石膏为主要胶凝材料，硅 藻土粉末/红黏土粉末/泥灰岩粉末为调节材料，选取5个变量：砂的含量占比A、水泥+石膏 含量占比B、硅藻土含量占比C、红黏土含量占比D、泥灰岩粉含量占比E；其中，试件总质量为100％，水泥与石膏两种材料质量占比保持一致，拌合水用量为总质量的1/7，共设计了n1种不同的骨料占比、n2种不同的胶凝材料占比、n3组配合比方案；
步骤3、模型制备，根据配比计算出每组试块的沙、石膏、水泥、硅藻土、红黏土粉末、 泥灰岩粉用量，倒入盆中加入水均匀搅拌，随后倒入模具内振捣夯实，静置后脱模，并继续 在标准状态下养护结束后，即完成试件模型制备；
步骤4、将步骤3中制备的试件模型自然风干后称重，之后将试件模型浸没水中1天以 上，即可进行饱和单轴抗压室内试验和直剪试验；饱和单轴抗压室内试验按照《工程岩体试 验方法标准》进行，饱和单轴抗压试验仪器采用TMT—25型全自动加载系统试验机，自动施 加荷载且记录试件的变形位移。
单轴抗压试验完成后，选取部分抗压强度及密度与目标值相近的组的配合比制作直剪试 样，进行直剪试验。根据《公路土工试验规程》JTGE40-2007规定，直剪试验使用ZJ-2型手 动等应变直剪仪，试样用内径6.18cm，高2.0cm尺寸的环刀制备，试件脱模后标准养护10 天、自然风干4天，随后将制备好的试件放入直剪仪的剪力盒中，试件上下均为透水石。装 好试样后分别进行加载，每组试验用4个试件，分别在100kPa、200kPa、300kPa、400kPa的垂直压力下，以0.8mm/min的速率进行直剪，使试件在4～5min内剪坏，读取百分表并记录在每级垂直荷载下的最大读数。
步骤5、将试验中得到试件数据进行整理，将饱和单轴抗压强度f除以试件截面积A可 得到竖向应力σ，竖向位移量ΔH除以试件高度H可得到应变ε，随后可将f-ΔH压力-位移曲线转化为σ-ε应力-应变曲线；
步骤6、根据应力-应变曲线结构可知，在应力-应变曲线的变化中，模拟材料的各变量占 比发生变化时，试件的空隙闭合应力、峰值强度应力与应变数值也在呈规律性变化：
当含砂率为50％，且胶结材料含量为35％时模拟材料的应力-应变曲线用于模拟弱风化泥 灰岩；
当含砂率为66.6％至80％，且胶结材料含量为14％至24％时模拟材料的应力-应变曲线适 用于模拟中风化泥灰岩；
当含砂率达到80％以上、胶结材料含量为11％以下时，模拟材料的应力-应变曲线适用于 模拟强风化泥灰岩。
优选地，所述步骤1中，力学参数包括模型的密度、抗压强度、弹性模量、内聚力和内 摩擦角。
优选地，步骤2中，设计骨料占比种类n1的范围为4-7，胶凝材料占比种类n2的范围为 10-15，总的配合比方案种类n3范围为40-55。
优选地，步骤3模型制备过程中，静置至少1一天后脱模，并继续在标准状态下养护至 少10天后完成试件模型制备。
本发明有益效果是
1、本发明用来模拟弱风化、中风化、强风化泥灰岩，相似系数较小，在30至40范围内， 其模拟效果最为理想。
2、以河沙、水泥与灰岩粉密度较大，硅藻土与红黏土密度较小，两者通过调整用料比例 可获得较广的密度变化范围。
3、以砂主要骨料，其自身粒径的不均匀性可在一定程度上提高泥灰岩的抗压强度与内摩 擦角；水泥与石膏作为胶结材料，其具有提高弹性模量与内聚力的优点；调节材料的掺入和 对几种主要力学参数进行微调，确保其相似程度保持较高水平。
4、本发明所用原料来源广、价格低廉且安全无毒，在制备和使用过程中对人体不会产生 不良影响。
5、本发明模型相似材料制备过程简便，环境要求宽松，力学性能稳定。
6、砂含量的占比对抗压强度、密度、内聚力及内摩角均有负相关影响，胶结材料占比对 抗压强度、内聚力及密度有显著正相关影响，调节材料中各材料对内聚力与内摩角在一定范 围的调节作用显著，对抗压强度和密度的影响较小。
附图说明
图1：为本发明实施例中饱和单轴抗压试验得到的抗压强度值、称重得到的密度值与目 标值的对比图。
图2：为本发明实施例中模拟材料弹性模量值与目标值对比图。
图3：为本发明实施例中模拟材料内聚力与内摩角与目标值对比图。
图4为本发明实施例中Z(1)组应力-应变图。
图5为本发明实施例中Z(2)组应力-应变图。
图6为本发明实施例中Z(3)组应力-应变图。
图7为本发明实施例中Z(4)组应力-应变图。
图8为本发明实施例中Z(5)组应力-应变图。
图9为本发明实施例中抗压强度数值与密度数值变化图
图10为本发明实施例中弹性模量数值对比图。
图11为本发明实施例中直剪试验结果。
图12为本发明实施例中强风化泥灰岩五项力学指标拟合趋势图。
图13为本发明实施例中中风化泥灰岩五项力学指标拟合趋势图。
图14为本发明实施例中弱风化泥灰岩五项力学指标拟合趋势图。
具体实施方式
通过试验研究对本发明进行具体描述。有必要指出的是以下实施步骤是用于对本发明进 行进一步说明，不可理解为对本发明保护范围的限制，且该领域技术人员依据上述发明内容 对本发明做出非本质改进和调整，仍然属至于本发明的保护范围。
本实施例用到的物料标准为：河沙采用中粗砂，粒径约为0.25mm至0.45mm之间，密度 为1.6g.cm-3；水泥采用P·O 32.5普通硅酸盐水泥，密度约为3.0g.cm-3；硬石膏为1200目， 抗折强度6～6.5MPa，初凝时间4～6min、终凝时间20～25min，密度约为0.9g.cm-3；硅藻土粉 末规格为800-1000目，密度为0.44g.cm-3；红黏土粉末规格为1300目，密度为0.6g.cm-3； 灰岩粉规格为50～100目，密度为2.56g.cm-3。
由于不同种类的材料各具有其特殊性质，即使同一种材料，在应力应变关系全过程的不 同阶段，所表现出来的力学性质也不尽相同，模拟实验前，必须对所模拟的对象中有关问题 进行针对地具体地分析，以便找出合适的相似材料，制作与原型相似的模型。因此，应寻找 合适的相似材料，满足原型与模型之间的相似关系，在模拟实验中能较为客观的反映原型中 的力学现象，此举具有重要意义。本发明基于相似理论，以河沙、水泥、石膏、硅藻土、红 黏土、泥灰岩粉为主要材料，进行泥灰岩相似材料的配比试验，以期为岩溶地基的相似模型 实验提供较为合适的相似材料，进而利用模型实验的研究结果解决实际工程问题。
利用相似模拟实验研究原型有关问题时，要使之相似必使模型与原型各部分的尺寸按同 样的比例缩小或放大以达到几何相似的条件。起到控制作用的物理常数因所解决问题的不同 而不同，本文所针对的岩溶地基相似模拟实验，是岩溶介质为泥灰岩且作为桩基持力层时， 研究泥灰岩持力层的破坏特征。因此，要根据其持力层的破坏特征选择相似材料中具有控制 作用的物理量。
本发明提供了一种模拟不同风化状态碳酸岩地质力学模型的相似条件确定方法，包括以 下步骤：
步骤1、几何相似，根据相似第一定理将原型(H)的尺寸，包括长度、宽度、高度等数值 按照一定比例缩小做成试验模型(M)尺寸。以角标H表示原型、角标M表示模型、α表示原型与模型各物理量之间的相似比例。几何相似需满足以下条件：
Figure BDA0002239326310000071
Figure BDA0002239326310000073
上式中：αL-长度相似常数；αA-面积相似常数；αV-体积相似常数；
对于岩土工程与水利工程结构的模拟，定性模型的几何尺寸其相似常数αL通常为100至 200，而定量模型的αL需取20至50。
步骤2、物理相似
岩溶区基桩的承载力和破坏模式与溶洞的位置和形状有关。根据现有技术可知，桩底存 在球形或椭球形溶洞时，其破坏模式有冲切破坏、冒落区塌落、扇形塑性区破坏、撕裂破坏。 在一定跨径比条件下，随着溶洞顶板厚度增大，其破坏模式从冲切破坏到冲切+撕裂破坏，再 到撕裂+塑性区发展破坏，是一个渐进过程。赵明华根据嵌岩桩桩端极限破坏模式及嵌岩桩与 溶洞的位置关系，给出了溶洞不发生破坏、冒顶破坏及冲切破坏3种情形的限定条件。
岩溶溶洞顶板的破坏模式影响因素较多，但是不管哪一种破坏模式，通过室内试验对其 研究，都需要考虑相似材料的强度特征。下文将在考虑溶洞自重及强度条件下，确定相似材 料的物理相似条件。
步骤2.1、弹性范围内不考虑自重时的相似条件
不考虑岩体自重时，主要的物理相似常数为：
Figure BDA0002239326310000081
Figure BDA0002239326310000082
上式中：ασ-应力相似常数；αE-弹性模量相似常数；
根据原型与模型中应力—应变曲线应当用同一方程表示的要求，有：
Figure BDA0002239326310000083
Figure BDA0002239326310000084
上式中，εH、εM分别为原型和模型的应变；
将EH＝αEEM，αH＝ασσM，εH＝αεεM代入公式(4)，可将公式(4)改写为：
Figure BDA0002239326310000085
使公式(5)和公式(6)相等，则有相似指标：
Figure BDA0002239326310000086
由于ε是无量纲的，应变相似常数αε＝1，则有：
αE＝ασ 公式(8)
不计自重的情况下，应力相似常数可随意选取。
步骤2.2、弹性范围内考虑自重时的相似条件
考虑岩土自重时，相似常数还应包括：
Figure BDA0002239326310000091
上式中，αγ是容重相似常数，γH、γM分别为原型和模型的容重。
根据弹性力学原理和相似原理，原型和模型需满足平衡方程和变形协调方程，可求得相 似指标为：
Figure BDA0002239326310000092
同时还应满足公式(8)，其中S为任意常数。
步骤2.3、泥灰岩相似材料的相似条件
相似模拟试验中，需要获得溶洞顶板的极限承载力，所以主要的相似常数除了公式(8)、 公式(9)和公式(10)，还要满足强度的相似要求。试验中只考虑抗压强度，强度极限与应 力的量纲一致，选择模拟材料的强度指标时，可以根据下式换算：
Figure BDA0002239326310000094
公式(11)中，[σC]H、[σC]M分别为原型和模型的抗压强度，其他参数物理意义同上，同样，内聚力C与应力的量纲一致，选择模型材料的内聚力时，可根据下式换算：
Figure BDA0002239326310000095
公式(12)中，[C]H、[C]M分别为原型和模型的内聚力，其他参数物理意义同上；
内摩擦角是无量纲的，相似指标需满足：内摩擦角相似常数
Figure BDA0002239326310000097
综上，岩溶桩基相似模拟实验中，泥灰岩相似材料相似指标需满足：
Figure BDA0002239326310000098
3、相似材料选取及力学参数确定
3.1对相似材料的基本要求
相似模拟实验中，相似材料必须满足以下要求：
(1)相似材料的主要力学性质与原型岩体相似以及与原型岩体在物质组成结构上的相近。
(2)材料的力学性能稳定且不易受外界环境影响。
(3)调整材料的配比可使成型后的材料力学性能产生相应的改变，以适应相似条件筛选需 要。
(4)材料安全无毒，来源广成本低廉，且易成型制作简便。
3.2相似材料选取
原型岩石的物理特征与变化范围决定模拟材料的选取，在物质构成、变化范围及抗压强 度曲线特征上模拟材料应保持与原型岩石相似。结合武汉大学MSB材料和清华大学NIOS材 料的优点，本试验采用的相似材料由河沙、水泥、石膏、硅藻土、红黏土、泥灰岩粉等混合 而成。其中河沙为骨料，水泥、石膏为主要胶凝材料，硅藻土/红黏土/泥灰岩粉为调节材料。 河沙采用中粗砂，粒径约为0.1mm至0.45mm之间，密度为1.6g/cm3；水泥采用P·O32.5 普通硅酸盐水泥，密度约为3.0g/cm3；硬石膏为1200目，抗折强度6至6.5MPa，初凝时间 4至6min、终凝时间20至25min，密度约为0.9g/cm3；硅藻土粒径约为0.15mm至0.3mm 之间，密度为0.44g/cm3；红黏土粉末规格为1300目，密度为0.6g/cm3；泥灰岩粉粒径为0.05 至0.3mm，密度为2.56g/cm3。
考虑到本试验原型岩体为强风化泥灰岩、中风化泥灰岩以及弱风化泥灰岩组成的岩层， 其均由粉砂等骨料及泥质碳酸盐与粘土矿物等胶结物混合组成的一种松、脆、易碎的较新的 沉积岩，因此选用砂为骨料、石膏/水泥作为胶结物、硅藻土/红黏土/泥灰岩粉作为调节材料 组成的相似材料可最佳模拟此类沉积岩。模拟的原型材料参数见表1。
3.3模拟材料力学参数确定
本相似模型试验取的几何相似为αL＝30，并考虑到试验模拟的真实性，将目标材料的密 度相似比定为αγ＝1.5。根据式公式(13)，可得αε＝1、ασ＝45、αE＝45和αC＝45， 目标材料的各项力学参数如表2所示。
表1原型岩质材料各项力学参数
Figure BDA0002239326310000111
依据相似模型的几何相似αL＝30，密度相似比为αγ＝1.5，αε＝1、ασ＝45、αE＝45 和αC＝45，目标材料的各项力学参数如表2所示。
表2目标模拟材料各项力学参数
Figure BDA0002239326310000113
一种模拟不同风化状态碳酸岩的地质力学模型相似材料配比确定方法，其特征在于，包 括以下步骤：
步骤1、根据原型岩体风化程度，将其分为强风化泥灰岩、中风化泥灰岩和弱风化泥灰 岩三种类型，根据每种类型的原型岩石力学参数和相似条件计算出目标模拟材料的各项力学 参数；
步骤2、试验按材料质量配合比设计，选用河沙为骨料、水泥+石膏为主要胶凝材料、硅 藻土粉末/红黏土粉末/泥灰岩粉末为调节材料，试验选取5个变量：砂的含量占比A、水泥+ 石膏含量占比B、硅藻土含量占比C、红黏土含量占比D、泥灰岩粉含量占比E；其中，试件总质量为100％，水泥与石膏两种材料质量占比保持一致，拌合水用量为总质量的1/7。共设计了5种不同的骨料占比、12种不同的胶凝材料占比、45组配合比方案，如表3所示。
步骤3、模型制备，在模型相似材料试验中，依据《工程岩体试验方法标准》，采用Ф50mm ×100mm尺寸模型试件，进行饱和单轴抗压试验，根据配比计算出每组试块的沙、石膏、水 泥、硅藻土、红黏土粉末、泥灰岩粉用量，倒入盆中加入水均匀搅拌，随后倒入模具内振捣 夯实，静置1天后脱模，并继续在标准状态下养护10天，即完成试件模型制备；
步骤4、将步骤3中制备的试件模型自然风干3天，随后称重，之后将试件模型浸没水 中1天以上，即可进行饱和单轴抗压室内试验和直剪试验。
表3配比设计及密度试验结果表
Figure BDA0002239326310000121
步骤5、将试验中得到试件数据进行整理，将饱和单轴抗压强度f除以试件截面积A可 得到竖向应力σ，竖向位移量ΔH除以试件高度H可得到应变ε，随后可将f-ΔH压力-位移曲线转化为σ-ε应力-应变曲线；试验结果见图4、图5、图6、图7、图8。
步骤6、根据应力-应变曲线结构可知，在应力-应变曲线的变化中，模拟材料的各变量占 比发生变化时，试件的空隙闭合应力、峰值强度应力与应变数值也在呈规律性变化：
1、当含砂率为50％且胶结材料含量为35％时模拟材料的应力-应变曲线多为“弹-塑性曲 线”，其空隙闭合应力较大、峰值强度较大、弹性模量较大，与较为坚硬且风化程度较弱整体 性良好的岩石特性相当，这一特征可以很好的模拟弱风化泥灰岩。但随着调节材料含量增加， 材料的孔隙率增大，其应变随之增大，弹性模量随之降低。
2、当含砂率为66.6％至80％且胶结材料含量为14％至24％时模拟材料的应力-应变曲线 多为“塑-弹性曲线”，其空隙闭合应力较小、应变较大、峰值强度较小、弹性模量较小，与较 松散风化程度中等的岩石特性相当，可很好的模拟中风化泥灰岩。
3、当含砂率达到80％以上、胶结材料含量为11％以下时，如Z5组模拟材料的应力-应变 曲线表现为“塑—弹—塑性曲线”特征，此曲线主要的是强度较低、应变大，呈现出极易风 化的片岩等岩石的特性，可很好的模拟强风化泥灰岩。
取各应力—应变曲线顶点峰值作为其抗压强度值，并将各组材料的抗压强度值与密度值 绘制曲线图见图9。
图9表明：随着胶凝材料占比的减少，每一组的抗压强度总体降低，胶凝材料占比对试 块的强度起决定性作用；当砂的掺入量占比在75％以上时，调节材料的作用比较微弱；随着 砂含量增加、胶结与调节材料减少，密度值呈现出规律性递减的变化，砂材料占比对试块的 密度起决定性作用，当砂掺入量越多其密度值越趋近于砂密度值；相同砂胶比，调节材料掺 入量可以小幅度的调节试块的抗压强度；相同砂胶比，调节材料中泥灰岩的掺入可以调节试 块的密度使其小幅度增加、硅藻土的参入可以其密度小幅度减小。
根据抗压强度试验结果，筛选出Z(1，4)、Z(1，5)、Z(1，6)、Z(2，1)、Z(2，3)、Z(2，4)、Z(4，7)、Z(5，1)等与目标抗压强度值相近的7组配比，根据应力—应变曲线计算出其对应的弹性模量值，并加入到目标值的判断依据中。其中各组弹性模量数值与目标值对比如图 10所示。
从图10可分析出：所选7组材料在弹性模量值的判别中相似度均较高，说明其应力—应 变的力学性能稳定且进一步验证所筛选材料的合理性。
在抗压试验结果筛选的基础上，将所选择的Z(1，4)、Z(1，5)、Z(1，6)、Z(2，1)、Z(2，3)、Z(2，4)、Z(4，7)、Z(5，1)等7组配比做直接剪切试验后，试验结果见表4。
表4直剪试验结果
Figure BDA0002239326310000141
将试验所得结果整理并作图，其中左侧纵坐标表示内聚力，右侧纵坐标表示内摩角。如 图11所示：
由图11分析可知，水泥、石膏、红黏土等胶结性材料含量占比对模拟材料内聚力影响较 为显著，而砂、泥灰岩粉等颗粒性材料含量占比对模拟材料的内摩角的影响较为显著。
依据图9其抗压强度变化曲线及密度变化曲线与目标值横线的对比，可初步得出如下结 论：强风化泥灰岩相似材料可以选择Z(4，7)、Z(5，1)组材料配比；中风化泥灰岩模拟材料 可以选择Z(1，6)、Z(2，1)、Z(2，3)、Z(2，4)组材料配比；弱风化泥灰岩模拟材料可选择 Z(1，4)、Z(1，5)组材料。
将各组模拟材料力学参数与经过相似原理推算出的目标值进行列表对比进一步分析，如 表5所示。
将表5数据整理并作图，以表5中五项力学指标为依据依次建立五组纵坐标，每组纵坐 标表示一项力学指标。将目标值的每项力学指标数值作为每组纵坐标的中心点并互相连线， 随后将筛选出的模拟材料各项力学参数导入并作图，如图12、图13、图14所示。
表5对比试验结果分析
由图12-14分析可知模拟材料的曲线越趋近于中心直线时，该模拟材料力学参数与目标 值越相似，由此可从中确定Z(1，4)为弱风化泥灰岩的模拟材料配合比，Z(2，1)为中风化泥 灰岩的模拟材料配合比，Z(5，1)为强风化泥灰岩的模拟材料配合比。
以上实施各试验组中，配比均按总质量百分比计算，按照砂含量占比(A)、胶结材料占 比(B)(其中水泥石膏各占胶结材料的50％)、硅藻土含量占比(C)、红黏土含量占比(D)、 灰岩粉含量占比(E)等来进行试验配合比设计及描述。饱和单轴抗压试验与直剪试验依据《工 程岩体试验方法标准》、《公路土工试验规程》中相关标准对试验流程及要求进行操作。以抗 压强度与密度作为关键控制指标，以弹性模量、内聚力、内摩角为次级控制指标筛选出三种 不同风化程度泥灰岩模拟材料配合比。
1、按照A 50％、B 35％、C 5％、D 7.5％、E 2.5％配比制备的模拟材料，其抗压强度为 2.5MPa、密度为1.83g*cm-3、弹性模量为83.71MPa、内聚力为34.953kPa、内摩角为38.96°， 可较好模拟弱风化泥灰岩。
2、按照A 66.6％、B 24％、C 3.3％、D 3.3％、E 3.3％配比制备的模拟材料，其抗压强度 为2MPa、密度为1.79g*cm-3、弹性模量为69.25MPa、内聚力为40.481kPa、内摩角为37.062°， 可较好模拟中风化泥灰岩。
按照A 83.3％、B 11.7％、C 2.5％、D 2.5％、E 0％配比制备的模拟材料，其抗压强度为 0.51MPa、密度为1.67g*cm-3、弹性模量为22.815MPa、内聚力为19.25kPa、内摩角为33.5°， 可较好模拟强风化泥灰岩。
由各试验组与趋势图分析可知：砂含量的占比对抗压强度、密度、内聚力及内摩角均有 负相关影响，胶结材料占比对抗压强度、内聚力及密度有显著正相关影响，调节材料中各材 料对内聚力与内摩角在一定范围的调节作用显著，对抗压强度和密度的影响较小。

Claims (5)

1.一种模拟不同风化状态碳酸岩地质力学模型的相似条件确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、几何相似，根据相似第一定理将原型的尺寸按照一定比例缩小做成试验模型尺寸，以角标H表示原型、角标M表示模型、α表示原型与模型各物理量之间的相似比例，几何相似需满足以下条件：
Figure FDA0002239326300000012
Figure FDA0002239326300000013
上式中：αL-长度相似常数，αA-面积相似常数，αV-体积相似常数，对于岩土工程与水利工程结构的模拟，定性模型的几何尺寸其相似常数αL通常为100至200，而定量模型的αL需取20至50；
步骤2、物理相似，岩溶地区的桩基采用嵌岩桩，通过对岩石变形特性及破坏机制进行分析，确定岩溶区桩基持力层的安全厚度，在考虑溶洞自重及强度条件下，确定相似材料的物理相似条件，该步骤还包括以下三个子步骤：
步骤2.1、弹性范围内不考虑自重时的相似条件
不考虑岩体自重时，主要的物理相似常数为：
Figure FDA0002239326300000014
Figure FDA0002239326300000015
上式中：ασ-应力相似常数；αE-弹性模量相似常数；
根据原型与模型中应力-应变曲线应当用同一方程表示的要求，有：
Figure FDA0002239326300000017
上式中，εH、εM分别为原型和模型的应变，将EH＝αEEM，αH＝ασσM，εH＝αεεM代入公式(4)，可将公式(4)改写为：
使公式(5)和公式(6)相等，则有相似指标：
Figure FDA0002239326300000022
由于ε是无量纲的，应变相似常数αε＝1，则有：
αE＝ασ 公式(8)
不计自重的情况下，应力相似常数可随意选取；
步骤2.2、弹性范围内考虑自重时的相似条件
考虑岩土自重时，相似常数还应包括：
Figure FDA0002239326300000023
上式中，αγ是容重相似常数，γH、γM分别为原型和模型的容重；
根据弹性力学原理和相似原理，原型和模型需满足平衡方程和变形协调方程，可求得相似指标为：
Figure FDA0002239326300000024
Figure FDA0002239326300000025
同时还应满足公式(8)，其中S为常数；
步骤2.3、泥灰岩相似材料的相似条件
相似模拟试验中，需要获得溶洞顶板的极限承载力，所以主要的相似常数除了满足公式(8)、公式(9)和公式(10)，还要满足强度的相似要求，试验中只考虑抗压强度，强度极限与应力的量纲一致，选择模拟材料的强度指标时，可以根据下式换算：
Figure FDA0002239326300000026
公式(11)中，[σC]H、[σC]M分别为原型和模型的抗压强度，其他参数物理意义同上，同样，内聚力C与应力的量纲一致，选择模型材料的内聚力时，可根据下式换算：
Figure FDA0002239326300000031
公式(12)中，[C]H、[C]M分别为原型和模型的内聚力，其他参数物理意义同上；
内摩擦角
Figure FDA0002239326300000032
是无量纲的，相似指标需满足：内摩擦角相似常数
Figure FDA0002239326300000033
综上，岩溶桩基相似模拟实验中，泥灰岩相似材料相似指标需满足：
Figure FDA0002239326300000034
2.一种模拟不同风化状态碳酸岩的地质力学模型相似材料配比确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据原型岩体风化程度，将其分为强风化泥灰岩、中风化泥灰岩和弱风化泥灰岩三种类型，根据每种类型的原型岩石力学参数和相似条件计算出目标模拟材料的各项力学参数；
步骤2、试验按材料质量配合比设计，选用河沙为骨料，水泥+石膏为主要胶凝材料，硅藻土粉末/红黏土粉末/泥灰岩粉末为调节材料，选取5个变量：砂的含量占比A、水泥+石膏含量占比B、硅藻土含量占比C、红黏土含量占比D、泥灰岩粉含量占比E；其中，试件总质量为100％，水泥与石膏两种材料质量占比保持一致，拌合水用量为总质量的1/7，共设计了n1种不同的骨料占比、n2种不同的胶凝材料占比、n3组配合比方案；
步骤3、模型制备，根据配比计算出每组试块的沙、石膏、水泥、硅藻土、红黏土粉末、泥灰岩粉用量，倒入盆中加入水均匀搅拌，随后倒入模具内振捣夯实，静置后脱模，并继续在标准状态下养护结束后，即完成试件模型制备；
步骤4、将步骤3中制备的试件模型自然风干后称重，之后将试件模型浸没水中1天以上，即可进行饱和单轴抗压室内试验和直剪试验；饱和单轴抗压室内试验按照《工程岩体试验方法标准》进行，饱和单轴抗压试验仪器采用TMT—25型全自动加载系统试验机，自动施加荷载且记录试件的变形位移；
单轴抗压试验完成后，选取部分抗压强度及密度与目标值相近的组的配合比制作直剪试样，进行直剪试验；根据《公路土工试验规程》JTGE40-2007规定，直剪试验使用ZJ-2型手动等应变直剪仪，试样用内径6.18cm，高2.0cm尺寸的环刀制备，试件脱模后标准养护10天、自然风干4天，随后将制备好的试件放入直剪仪的剪力盒中，试件上下均为透水石；装好试样后分别进行加载，每组试验用4个试件，分别在100kPa、200kPa、300kPa、400kPa的垂直压力下，以0.8mm/min的速率进行直剪，使试件在4～5min内剪坏，读取百分表并记录在每级垂直荷载下的最大读数；
步骤5、将试验中得到试件数据进行整理，将饱和单轴抗压强度f除以试件截面积A可得到竖向应力σ，竖向位移量ΔH除以试件高度H可得到应变ε，随后可将f-ΔH压力-位移曲线转化为σ-ε应力-应变曲线；
步骤6、根据应力-应变曲线结构可知，在应力-应变曲线的变化中，模拟材料的各变量占比发生变化时，试件的空隙闭合应力、峰值强度应力与应变数值也在呈规律性变化：
当含砂率为50％，且胶结材料含量为35％时模拟材料的应力-应变曲线用于模拟弱风化泥灰岩；
当含砂率为66.6％至80％，且胶结材料含量为14％至24％时模拟材料的应力-应变曲线适用于模拟中风化泥灰岩；
当含砂率达到80％以上、胶结材料含量为11％以下时，模拟材料的应力-应变曲线适用于模拟强风化泥灰岩。
3.如权利要求2所述模拟不同风化状态碳酸岩的地质力学模型相似材料配比确定方法，其特征在于：所述步骤1中，力学参数包括模型的密度、抗压强度、弹性模量、内聚力和内摩擦角。
4.如权利要求2所述模拟不同风化状态碳酸岩的地质力学模型相似材料配比确定方法，其特征在于：步骤2中，设计骨料占比种类n1的范围为4-7，胶凝材料占比种类n2的范围为10-15，总的配合比方案种类n3范围为40-55。
5.如权利要求2所述模拟不同风化状态碳酸岩的地质力学模型相似材料配比确定方法，其特征在于：步骤3模型制备过程中，静置至少1一天后脱模，并继续在标准状态下养护至少10天后完成试件模型制备。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111896357A (zh) * 2020-07-31 2020-11-06 湖北工业大学 一种利用反向自平衡法测试岩溶桩基承载力的模型试验装置及其制备方法
CN111896202A (zh) * 2020-06-29 2020-11-06 河海大学 一种用于地震动力边坡模型试验相似材料配比的确定方法
CN113720683A (zh) * 2021-08-30 2021-11-30 山东大学 一种岩土浆液胶结再生顶板特性时空分布预测方法及系统
CN114264575A (zh) * 2021-12-23 2022-04-01 东北石油大学 一种确定砂箱模拟实验相似关系的方法
CN114495677A (zh) * 2021-12-20 2022-05-13 北京空间机电研究所 一种模拟火星土壤制备方法和试验床建设方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110015907A1 (en) * 2009-07-20 2011-01-20 Crawford Brian R Petrophysical Method For Predicting Plastic Mechanical Properties In Rock Formations
CN103043986A (zh) * 2013-01-25 2013-04-17 中国科学院武汉岩土力学研究所 一种岩土相似材料及其制备方法
CN103332885A (zh) * 2013-05-22 2013-10-02 清华大学 重晶石粉胶结岩土相似材料及其制作模拟岩体的方法
CN104458309A (zh) * 2014-12-10 2015-03-25 西安科技大学 一种用于物理模拟实验中的相似材料配比确定方法
CN104732857A (zh) * 2015-04-03 2015-06-24 大连理工大学 一种风化板岩体的模拟方法
CN106542792A (zh) * 2016-11-02 2017-03-29 北京科技大学 一种用于深部高应力环境下矿山工程围岩相似模拟材料

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110015907A1 (en) * 2009-07-20 2011-01-20 Crawford Brian R Petrophysical Method For Predicting Plastic Mechanical Properties In Rock Formations
CN103043986A (zh) * 2013-01-25 2013-04-17 中国科学院武汉岩土力学研究所 一种岩土相似材料及其制备方法
CN103332885A (zh) * 2013-05-22 2013-10-02 清华大学 重晶石粉胶结岩土相似材料及其制作模拟岩体的方法
CN104458309A (zh) * 2014-12-10 2015-03-25 西安科技大学 一种用于物理模拟实验中的相似材料配比确定方法
CN104732857A (zh) * 2015-04-03 2015-06-24 大连理工大学 一种风化板岩体的模拟方法
CN106542792A (zh) * 2016-11-02 2017-03-29 北京科技大学 一种用于深部高应力环境下矿山工程围岩相似模拟材料

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111896202A (zh) * 2020-06-29 2020-11-06 河海大学 一种用于地震动力边坡模型试验相似材料配比的确定方法
CN111896357A (zh) * 2020-07-31 2020-11-06 湖北工业大学 一种利用反向自平衡法测试岩溶桩基承载力的模型试验装置及其制备方法
CN113720683A (zh) * 2021-08-30 2021-11-30 山东大学 一种岩土浆液胶结再生顶板特性时空分布预测方法及系统
CN114495677A (zh) * 2021-12-20 2022-05-13 北京空间机电研究所 一种模拟火星土壤制备方法和试验床建设方法
CN114495677B (zh) * 2021-12-20 2024-05-14 北京空间机电研究所 一种模拟火星土壤制备方法和试验床建设方法
CN114264575A (zh) * 2021-12-23 2022-04-01 东北石油大学 一种确定砂箱模拟实验相似关系的方法

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