CN110850061A - 一种模拟层状节理岩体相似材料的试验模型的制作方法 - Google Patents

一种模拟层状节理岩体相似材料的试验模型的制作方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110850061A
CN110850061A CN201911175782.1A CN201911175782A CN110850061A CN 110850061 A CN110850061 A CN 110850061A CN 201911175782 A CN201911175782 A CN 201911175782A CN 110850061 A CN110850061 A CN 110850061A
Authority
CN
China
Prior art keywords
spherical particles
materials
simulating
model
rock mass
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201911175782.1A
Other languages
English (en)
Inventor
廖小平
王浩
吴红刚
徐风光
蔡旭东
丁增杰
庞伟军
牌立芳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuzhou University
Northwest Research Institute Co Ltd of CREC
Original Assignee
Fuzhou University
Northwest Research Institute Co Ltd of CREC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuzhou University, Northwest Research Institute Co Ltd of CREC filed Critical Fuzhou University
Priority to CN201911175782.1A priority Critical patent/CN110850061A/zh
Publication of CN110850061A publication Critical patent/CN110850061A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/24—Earth materials
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B23/00—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes
    • G09B23/40—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for geology

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Educational Technology (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Educational Administration (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Paleontology (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Curing Cements, Concrete, And Artificial Stone (AREA)

Abstract

本发明公开了一种模拟层状节理岩体相似材料的试验模型的制作方法，涉及岩土工程领域，以解决现有模型结构上存在的需要事先预设层面和节理等不连续面的位置，模拟受到局限的问题。该方法具体步骤如下：根据需要模拟的材料力学参数和模型试验比例确定模拟试验相似材料的力学参数，并且由相似材料力学参数确定颗粒材料粒径大小和胶结材料配合比；按照特定排列方式逐层铺设钢珠和浇筑混合料：根据模型模拟岩层、层面、软层、断层和节理等要求，采用颗粒材料和胶结材料同时浇灌或者先筑颗粒材料后灌胶结材料的方法，直接浇筑模型试验相似材料。本发明可直接在浇筑过程设置层理和节理等不连续面的位置，不需提前进行加工预设工作。

Description

一种模拟层状节理岩体相似材料的试验模型的制作方法
技术领域
本发明涉及岩土工程领域，特别涉及一种模拟层状节理岩体相似材料的试验模型的制作方法。
背景技术
层状节理岩体是边坡工程中最常见的一类非均质、非连续复杂介质，这类介质中往往存在着大量的不连续面，如层面、节理、断层和裂隙等，给建设在层状节理岩体中的边坡工程稳定性带来了安全隐患。因此,研究层状节理岩体的力学特性及边坡变形破坏特征一直以来都是边坡工程与岩土力学领域最关心的问题。相似材料试验研究是最常用的、也最直观有效的方法之一，其中层状节理岩体相似材料的选择与制作工艺一直以来都是相似材料模型研究的难点与热点。
在岩土结构模型试验中，为了保障模型与原型的相似性，根据相似准则，要求所使用的相似材料必须具备高容重、低强度、低弹模和可变的内摩擦角等特点，特别是要体现岩土体材料的非均匀性和非连续性。如层状节理岩体的层面和节理造成的非均质和不连续性，其层面有平直和起伏之分，其节理大多垂直于层面或者大角度相交，倾角一般大于60°。
现有模拟层状节理岩体相似材料一般是由散粒体组成，经胶结剂胶结并模压成为砌块，然后码砌成层，并在层间采用充填或隔离等方法模拟层面。或者直接浇筑成形，采用切割分离的方法在预设部位模拟层面和节理。这些方法都要事先预设层面和节理等不连续面的位置，并且受到模拟数量和模拟效果的限制，具有很大程度主观人为性和技术局限性。
发明内容
本发明的目的是提供一种模拟层状节理岩体相似材料的试验模型的制作方法，以解决现有模型结构上存在的需要事先预设层面和节理等不连续面的位置，模拟受到局限的问题。
本发明所采取的技术方案是:一种模拟层状节理岩体相似材料的试验模型的制作方法，其由胶结材料将球形颗粒粘接而成，相邻球形颗粒间在水平方向上的接触点为点接触，接触点为柔性接触，通过接触点的不同排列组合而模拟实现节理面；具体步骤如下：
第一步，根据需要模拟的材料力学参数和模型试验比例确定模拟试验相似材料的力学参数，并且由相似材料力学参数确定颗粒材料粒径大小和胶结材料配合比；
第二步，根据胶结材料配合比将各组分干拌均匀，然后按设定配合比加入水和液态添加剂搅拌均匀备用；
第三步，按照特定排列方式逐层铺设钢珠和浇筑混合料：根据模型模拟岩层、层面、软层、断层和节理等要求，结合模型设计形状和层状节理岩体结构，采用颗粒材料和胶结材料同时浇灌或者先筑颗粒材料后灌胶结材料的方法，直接浇筑模型试验相似材料。
进一步的，球形颗粒为钢珠或陶粒。
进一步的，胶结材料包括基质和添加剂的混合料，基质材料为重金石粉，添加剂为石膏、水、缓凝剂、白乳胶或发泡剂中的一种或几种。这些柔性、弹性胶结材料给球形颗粒添加一层外模，可以大幅降低变形模量。
如何提供一种使用相似材料模拟实际工程中层状节理岩体的基本特性且具有制作工艺简单、生产效率较高、模拟效果较好的节理岩体相似材料制作方法，是本领域技术人员急需解决的问题。
基于颗粒流模型制作的相似材料对于物理模型模拟岩土体材料具有广泛的适用性。就层状节理岩体而言，其相似材料尚需较好地解决层面和节理的模拟问题。
本发明采用一种使用相似材料模拟实际工程中层状节理岩体的基本特性，提出通过颗粒的各种排列组合来模拟不同层面和节理的形态与性状，具有制作工艺简单、生产效率较高、模拟效果较好的特点，较好地解决了层状节理岩体地质力学模型相似材料的模拟技术难题，将使层状节理岩体内部结构和离散岩块间的相互作用能被更为真实地模拟再现。
本发明可直接在浇筑过程设置层理和节理等不连续面的位置，不需提前进行如砌块成层、切割分离等加工预设工作。
附图说明
图1是本发明基本组成示意图；
图2是本发明颗粒接触示意图；
图3是本发明模拟层面起伏示意图；
图4是本发明模拟层面平直示意图；
图5是本发明模拟软弱夹层的示意图；
图6是本发明模拟不同的节理面组合的正视图；
图7是本发明模拟不同的节理面俯视图。
其中:1-球形颗粒、2-胶结材料、3-点接触、4-起伏层面、5-平直层面、6-软弱夹层、7-节理面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。 一种模拟层状节理岩体相似材料的试验模型的制作方法，其由胶结材料2将球形颗粒1粘接而成，相邻球形颗粒间在水平方向上的接触点3为点接触，球形颗粒表面附有一层胶结材料，在颗粒表层胶结材料小范围内为柔性接触，亦可视为球形颗粒之表层在胶结材料范围内是重叠的。接触点为柔性接触，通过接触点的不同排列组合而模拟实现节理面；具体步骤如下：
第一步，根据需要模拟的材料（即现场原型材料）力学参数和模型试验比例确定模拟试验相似材料的力学参数，并且由相似材料力学参数确定颗粒材料粒径大小和胶结材料配合比；
第二步，根据胶结材料配合比（除水和液态添加剂外）将各组分干拌均匀，然后按设定配合比加入水和液态添加剂搅拌均匀备用；控制时长匀速拌合固体材料，控制时长匀速拌合液体材料，混合拌合好的固、液材料拌合至混合料均匀，
第三步，按照特定排列方式逐层铺设钢珠和浇筑混合料：根据模型模拟岩层、层面、软层、断层和节理等要求，结合模型设计形状和层状节理岩体结构，采用颗粒材料和胶结材料同时浇灌或者先筑颗粒材料后灌胶结材料的方法，直接浇筑模型试验相似材料.并根据试验方案要求时间养护进入相关试验步骤。
实施例1
如图1所示的一种模拟层状节理岩体相似材料的试验模型的基本组成为球形颗粒和胶结材料。球形颗粒可选用较大容重的物质，如钢珠，可视为刚性体；球形颗粒还可以为陶粒；胶结材料可选用柔性、弹性物质，包括基质和添加剂，基质材料可以为重金石粉，添加剂一般有石膏、水、缓凝剂、白乳胶、发泡剂等。
石膏粉：具水敏性，浸水软化崩解、失水干缩开裂；水：膏水配合比控制材料强度及凝固时间；缓凝剂:调节石膏材料凝固及成形时间；白乳胶:调节胶结厚度及变形模量；发泡剂:调节渗透系数。从而可以采用不同的配合比制作不同密度、不同强度、不同模量和不同渗透性的胶结材料。
胶结材料制作过程如下：
初步方案为三因素：钢珠粒径，石膏比重（石膏粉与滑石粉、重晶石粉之和的比例），滑金比（滑石粉与重金石粉的比例）。其他因素保持不变。
恒定因素：总粉水比100：30，缓凝粉质量取0.2%的石膏粉，胶水比1：8（白溶胶与水质量之比），发泡剂重取2%水重，脱模时间24h制备后，养护24h。
《相似材料试验》
胶结材料试验参见表1，根据相似准则，要求所使用的相似材料必须具备高容重、低强度、低弹模和可变的内摩擦角等特点。钢珠与胶结材料组合成的相似材料，可通过钢珠直径调控其在材料中所占比例和材料容重，且保留胶结材料强度特性，具有足够低的、能够调控的强度。
Figure 6420DEST_PATH_IMAGE001
《胶结材料试验》
胶结材料试验参见表2，根据相似准则，要求所使用的相似材料必须具备高容重、低强度、低弹模和可变的内摩擦角等特点。说明胶结材料有足够低的、能够调控的强度。
Figure 221763DEST_PATH_IMAGE002
采用粘土等弱胶结性的胶结剂可以有效降低相似材料的抗拉、抗压和抗剪强度；采用以石膏为主的胶结剂可以增强相似材料的水敏特性。
球形颗粒之间的胶结模拟节理岩体中的非均质性和非连续性，胶结面模拟节理面。
如图2所示的一种用于制作层状节理岩体相似材料的颗粒间相互接触为点接触，在颗粒表层胶结材料小范围内为柔性接触，允许有一定重叠，模拟节理不连续面，控制岩体抗拉强度和变形模量。
如图3所示的一种用于制作节层状节理岩体相似材料的层面起伏，颗粒横向排列模拟岩层，上下排交错接触模拟层面起伏。
如图4所示的一种用于制作层状节理岩体相似材料的层面平直，颗粒横向排列模拟岩层，上下排对称接触模拟层面平直。
如图5所示的一种用于制作层状节理岩体相似材料的软弱夹层或层间错动带，颗粒横向排列模拟岩层，上下排之间充填材料（一定厚度的低强度材料，例如软粘土、石膏等）模拟软弱夹层或层间错动带。
球形颗粒的横向分层排列方向可以模拟层面方向，层间胶结材料及颗粒接触状态可以模拟层面的力学特性，层面倾角通过层状球形颗粒集整体倾斜相应角度实现。
如图6所示的一种用于制作层状节理岩体相似材料的节理面，球形颗粒的竖向成列组合方向可以模拟节理方向，球形颗粒的竖向成列组合方向可以模拟节理方向，列间胶结材料及颗粒接触状态，球形颗粒集之间宏观断开、充填和隔离可以模拟断层的力学特性。
节理面倾角可以通过层间颗粒错位组合变化进行调整，实现垂直层面或与层面大角度相交的陡倾节理面（60-90°）。

Claims (6)

1.一种模拟层状节理岩体相似材料的试验模型的制作方法，其特征在于：其由胶结材料将球形颗粒粘接而成，相邻球形颗粒间在水平方向上的接触点为点接触，接触点为柔性接触，通过接触点的不同排列组合而模拟实现节理面；具体步骤如下：
第一步，根据需要模拟的材料力学参数和模型试验比例确定模拟试验相似材料的力学参数，并且由相似材料力学参数确定颗粒材料粒径大小和胶结材料配合比；
第二步，根据胶结材料配合比将各组分干拌均匀，然后按设定配合比加入水和液态添加剂搅拌均匀备用；
第三步，按照特定排列方式逐层铺设钢珠和浇筑混合料：根据模型模拟岩层、层面、软层、断层和节理等要求，结合模型设计形状和层状节理岩体结构，采用颗粒材料和胶结材料同时浇灌或者先筑颗粒材料后灌胶结材料的方法，直接浇筑模型试验相似材料。
2.根据权利要求1所述的一种模拟层状节理岩体相似材料的试验模型的制作方法，其特征在于：球形颗粒为钢珠或陶粒。
3.根据权利要求1或2所述的一种模拟层状节理岩体相似材料的试验模型的制作方法，其特征在于：胶结材料包括基质和添加剂的混合料，基质材料为重金石粉，添加剂为石膏、水、缓凝剂、白乳胶或发泡剂中的一种或几种。
4.根据权利要求3所述的一种模拟层状节理岩体相似材料的试验模型的制作方法，其特征在于：球形颗粒（1）为多层设置，相邻球形颗粒（1）间在水平方向上为点接触，上下层球形颗粒（1）交错布置，形成起伏层面（4）。
5.根据权利要求3所述的一种模拟层状节理岩体相似材料的试验模型的制作方法，其特征在于：球形颗粒（1）为多层设置，相邻球形颗粒（1）间在水平方向上为点接触，上下层球形颗粒（1）正对布置，形成平直层面（5）。
6.根据权利要求3所述的一种模拟层状节理岩体相似材料的试验模型的制作方法，其特征在于：球形颗粒（1）为多层设置，相邻球形颗粒（1）间在水平方向上为点接触，上下层球形颗粒（1）正对布置，上下层之间隔离或充填低强度材料形成层间错动带（6）。
CN201911175782.1A 2019-11-26 2019-11-26 一种模拟层状节理岩体相似材料的试验模型的制作方法 Pending CN110850061A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911175782.1A CN110850061A (zh) 2019-11-26 2019-11-26 一种模拟层状节理岩体相似材料的试验模型的制作方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911175782.1A CN110850061A (zh) 2019-11-26 2019-11-26 一种模拟层状节理岩体相似材料的试验模型的制作方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110850061A true CN110850061A (zh) 2020-02-28

Family

ID=69604745

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911175782.1A Pending CN110850061A (zh) 2019-11-26 2019-11-26 一种模拟层状节理岩体相似材料的试验模型的制作方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110850061A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113390541A (zh) * 2021-06-04 2021-09-14 西安科技大学 一种相似模拟实验模型及其铺设方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103278613A (zh) * 2013-04-27 2013-09-04 清华大学 一种用于在模型试验中产生模拟水平应力的装置及其方法
RU2533340C2 (ru) * 2013-03-01 2014-11-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ухтинский государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "УГТУ") Установка для испытания образцов материалов на растяжение, сжатие и кручение при постоянной и переменной нагрузках
CN105093352A (zh) * 2015-08-11 2015-11-25 武汉迈格睿地质环境科技有限公司 一种野外现场测量统计岩体体裂隙率的方法
CN105424430A (zh) * 2015-11-05 2016-03-23 河海大学 一种胶结状土石混合体试样制作方法
CN105628463A (zh) * 2015-03-09 2016-06-01 绍兴文理学院 裂隙岩体模型试样的制样模具

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2533340C2 (ru) * 2013-03-01 2014-11-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ухтинский государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "УГТУ") Установка для испытания образцов материалов на растяжение, сжатие и кручение при постоянной и переменной нагрузках
CN103278613A (zh) * 2013-04-27 2013-09-04 清华大学 一种用于在模型试验中产生模拟水平应力的装置及其方法
CN105628463A (zh) * 2015-03-09 2016-06-01 绍兴文理学院 裂隙岩体模型试样的制样模具
CN105093352A (zh) * 2015-08-11 2015-11-25 武汉迈格睿地质环境科技有限公司 一种野外现场测量统计岩体体裂隙率的方法
CN105424430A (zh) * 2015-11-05 2016-03-23 河海大学 一种胶结状土石混合体试样制作方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
周喻 等: "岩石节理直剪试验颗粒流宏细观分析", 《岩石力学与工程学报》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113390541A (zh) * 2021-06-04 2021-09-14 西安科技大学 一种相似模拟实验模型及其铺设方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zareiyan et al. Effects of interlocking on interlayer adhesion and strength of structures in 3D printing of concrete
US11718560B2 (en) Composite structural material and aggregate therefor
Zareiyan et al. Interlayer adhesion and strength of structures in Contour Crafting-Effects of aggregate size, extrusion rate, and layer thickness
CN106092695B (zh) 一种类岩石材料结构面制取并用于剪切测试的装置及方法
O’Malley et al. Investigation into viability of using two-stage (pre-placed aggregate) concrete in Irish setting
CN110057639B (zh) 一种模拟含多层层间错动带岩体的制样模具及其制样方法
US3941607A (en) Method for production of a surface layer for traffic areas and the like
CN104496387A (zh) 一种基于软岩遇水软化特性的相似材料及其制备方法
CN110130278A (zh) 一种胶结堆石坝及其施工方法
Al-Ridha et al. Assessment of the effect of replacing normal aggregate by porcelinite on the behaviour of layered steel fibrous self-compacting reinforced concrete slabs under uniform load
CN110850061A (zh) 一种模拟层状节理岩体相似材料的试验模型的制作方法
CN110642583B (zh) 珊瑚砂屑灰岩和珊瑚砾屑灰岩相似材料及其制备方法与应用
CN109883789B (zh) 一种随机微裂隙岩体物理模型的制作方法
CN104499498A (zh) 一种大体积混凝土建筑的施工方法
Obi Evaluation of the effects of coarse aggregate sizes on concrete quality
CN211718278U (zh) 一种模拟层状节理岩体相似材料的试验模型
CN110748036A (zh) 运用3d打印技术建造的高韧性仿生砌体墙及其建造方法
US6797370B1 (en) Thin-walled component made from hydraulically hardened cement paste material and method for the production thereof
CN109485316A (zh) 浇筑型胶结颗粒料及其制备方法
CN112113813B (zh) 一种类石灰岩相似材料及其制备方法和应用
AU633397B2 (en) Compound for covering a substrate
CN107406323A (zh) 用于混凝土改性的sbs胶乳
CN111825382A (zh) 一种砂砾岩仿石材砖及其制备方法
Zhu et al. A study on the printability of manufactured sand concrete
Okonkwo et al. Influence of Cement Content and Compaction Pressure on the Mechanical Properties of Sandcrete Blocks

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200228