CN115893938A - 具有渗流-化学-振动耦合特性灰岩相似材料及配制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于工程地质模型试验技术领域，公开了一种具有渗流‑化学‑振动耦合特性灰岩相似材料及配制方法，按照组分，所述相似材料包括：骨料：方解石砂、黏土粉和白云石粉；胶结剂：水泥和石膏；添加剂：硼砂、减水剂、纳米氧化铝、水。本发明提出渗流‑化学‑振动耦合相似理论，考虑灰岩成分信息确定了相似材料骨料种类，按照灰岩矿物颗粒级配确定骨料颗粒级配，且考虑灰岩赋存地应力和沉积水环境，确定了试样成型压力和渗透系数相似比，最大程度地还原了灰岩的形成环境，并考虑了振动频率、振动循环次数相似比。本发明创新了渗流‑化学‑振动耦合特性灰岩相似材料和配制方法，为灰岩工程物理模型实验和灾害分析提供坚实的物质和理论基础。
Description
技术领域
本发明属于工程地质模型试验技术领域，特别涉及一种具有渗流-化学-振动耦合特性灰岩相似材料及配制方法。
背景技术
随着地壳浅部可利用资源日渐枯竭，资源开采逐渐走向深部地层；此外，以川藏铁路、锦屏水电站为代表的重大交通、水利基础建设工程中深长隧道(洞)也层出不穷。深部岩石处在高渗透水压力以及复杂的水化学环境之中，高渗透压和地下水化学腐蚀作为影响地下工程长期稳定性的两大重要因素，其对岩体的强度、变形和破坏特征产生不可忽视的弱化影响。然而，长期经受高渗透水压的渗流作用和水化学腐蚀损伤的工程围岩还将承受机械冲击破岩、爆破开挖以及地震等振动荷载，这将发生极其复杂的渗流-化学-振动耦合作用，对地下工程安全和稳定造成很大的威胁。
灰岩是地壳中分布最广的矿产之一，产地遍布全国。灰岩是以方解石为主要成分的碳酸盐岩，按成因分类属于沉积岩。研究灰岩在渗流-化学-振动耦合作用下的渗透系数演化规律，水化学劣化特性下的强度损失、弹性模量折减和振动荷载下动力响应的普遍意义日益凸显。由于岩石和岩体的复杂性，使岩土工程的研究变得相当困难。理论研究、数值模拟存在过量简化的缺点。特别是近年来，地下工程项目的深度不断加大，实际遇到的工况越来越复杂，原位监测进展缓慢，开展地质力学模型试验的必要性不言而喻，无论在理论指导还是实际工程上都有重大的意义。若要进行地质力学模型试验，必须要有与之相应充分体现地质条件的相似模拟材料。特别是面对渗流-化学-振动耦合这种复杂的深部地下工程问题时，目前已见报道的灰岩相似材料不能满足复杂地质条件下的试验要求，灰岩相似材料多只考虑静力，没有考虑成分和颗粒级配特征，部分也只是模拟出其中一种或两种耦合的条件，化学腐蚀作用和振动作用还未有考虑，和实际工况难以匹配；同时目前相关配制理论还不能满足渗流-化学-振动耦合特性的需求，还需进一步完善。鉴于以上种种原因，研制出一种具有渗流-化学-振动耦合特性的灰岩相似材料，对于地质力学模型试验的顺利开展以及复杂地下洞室工程的施工、维护、运行都具有重大的意义。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有渗流-化学-振动耦合特性的灰岩相似材料及配制方法。
为了解决上述问题，本发明提供了一种具有渗流-化学-振动耦合特性的灰岩相似材料，按照组成成份，所述相似材料包括：
骨料：方解石砂、黏土粉和白云石粉；
胶结剂：水泥和石膏；
添加剂：硼砂、减水剂、纳米氧化铝、水；
其中，所述组成成份以重量计为：方解石砂71-98份，黏土粉1.5-24份，白云石粉0.5-5份，假设骨料共有100份，固定；则水泥9-150份，石膏11-125份，硼砂0.11-0.83份，减水剂0.08-0.90份，纳米氧化铝0.4-8.4份，水4.8-48.3份；
其中，所述方解石砂粒径为0.01-0.35mm，黏土粉粒径为0.01-0.17mm，两种矿物粒径均分别按照原岩矿物颗粒级配分布，每种矿物颗粒按照对应级配曲线选择对应颗粒粒径；
其中，所述白云石粉含量极少，粒径全部为0.1mm；
其中，所述水泥为硅酸盐水泥，标号为425；
其中，所述石膏为建筑石膏；
其中，所述硼砂为四硼酸钠；
其中，所述减水剂为聚羧酸减水剂；
其中，纳米氧化铝粒径为20nm。
一种具有渗流-化学-振动耦合特性的灰岩相似材料的配制方法，所述配制方法包括以下步骤：
(1)通过实际工程原位测试，获取灰岩所处地应力、沉积水环境等赋存信息；从工程现场取样加工成标准试样，再根据室内物理力学试验得到相关物理、力学参数；
(2)基于矿物成分和矿物微观结构分析结果，确定灰岩矿物成分及百分含量；再根据原岩粒度分析获得原岩矿物颗粒级配；
(3)根据提出的渗流-化学-振动耦合相似理论，几何相似常数(λL)、物理相似常数(λγ、λK)以及力学相似常数(λσ、λε、λE、λμ、λB、λf、λf、λN)之间的相似关系如下：
λσ＝λE＝λf
λε＝λμ＝λB＝λN＝1
其中，λL、λγ、λTC、λK、λσ、λε、λE、λμ、λB、λf、λf、λN分别表示长度、容重、渗透系数、应力、应变、弹性模量、泊松比、压拉比、边界面力、振动频率、振动循环次数的相似常数，并根据此计算得出理想类岩石材料的物理、力学参数；
(4)首先基于与原岩矿物成分和比例确定骨料种类和骨料之间的比例，其中骨料颗粒粒径和含量按照灰岩级配分布设置；根据原岩渗流-化学-振动耦合下的主要性质及相关物理力学参数确定胶结剂；最后根据实际需要(增大或降低密度、提高强度、提高材料密实度、改善浇筑和易性、减缓凝结时间等)选择外加剂(如重晶石粉、铁粉、纳米材料、减水剂、缓凝剂等)；
(5)通过均匀设计法进行配比方案的设计，确定因素及每个因素设置的水平数，得出试验配比方案，然后根据设计的方案开展试验；
(6)根据试验配比方案，制备相似材料试件，首先分别称量骨料、胶结剂、添加剂和水，考虑了灰岩沉积过程中的水环境，相似材料组成成份中包括水，通过密实加压模拟灰岩失水胶结成岩过程；硼砂在冷水中溶解较慢，可以用热水代替冷水；再将硼砂、聚羧酸减水剂、纳米氧化铝放入水中，充分搅拌至完全溶解、分散；将水溶液倒入搅拌锅内，加入胶结剂，用搅拌机先低速搅拌一分钟，再低速搅拌一分钟同时均匀地将骨料通过加沙漏斗加到搅拌锅中，然后高速搅拌一分钟，停止搅拌将锅壁上粘附的胶砂刮入锅内，再高速搅拌两分钟后结束搅拌；随后将已经涂好脱模剂的模具置于振动台上，分两次将相似材料倒入模具，每次振实一分钟，第一次振实结束表面凿毛处理，第二次振实结束后将表面抹平；加压、密实成型，试样在设定温度、湿度和压力条件下养护28天，最后卸压拆模，将试样取出；
(7)将拆模后的相似材料试样进行物理力学测试，对测试结果先进行直接观察看有无满足目标参数的组，若有则该组配比就是所求灰岩相似材料配比；若无则进一步对结果进行回归分析，根据回归模型计算出各因素的最佳水平并进行试样制备，养护后测定出目标物理力学参数，若符合则确定类岩石材料配比，若不符合则需重新考虑各因素及其水平进行试验，直到符合目标参数值。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的具有渗流-化学-振动耦合特性灰岩相似材料及配制方法，能够满足复杂地质条件下的试验要求，不仅考虑了岩石成份、颗粒级配特征；而且在满足静力相似的基础上，根据本发明提出的渗流-化学-振动耦合相似理论，配制出的灰岩相似材料具有渗流-化学-振动耦合下的相似特性。并且本发明相似材料原料来源广泛，制作成本低，无毒无污染，适用范围较广。该灰岩相似材料的发明对于地质力学模型试验的顺利开展以及复杂地下洞室工程的施工、维护、运行都具有重大的意义。
附图说明
图1为本发明具有渗流-化学-振动耦合特性的灰岩相似材料试件配制理论和制备流程图；
图2为本发明具有渗流-化学-振动耦合特性的灰岩相似材料的应力应变曲线；
图3为本发明具有渗流-化学-振动耦合特性的灰岩相似材料在0.8σc以±0.5MPa、2.5Hz正弦波振动循环的应力路径示意图；
图4为本发明具有渗流-化学-振动耦合特性的灰岩相似材料在0.8σc以±0.5MPa、2.5Hz正弦波振动循环下的应力应变曲线；
图5为本发明具有渗流-化学-振动耦合特性的灰岩相似材料在0.8σc以±0.5MPa、2.5Hz正弦波振动循环下的应变时间曲线。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明。
一种具有渗流-化学-振动耦合特性的灰岩相似材料，按照组成成份，所述相似材料包括：
骨料：方解石砂、黏土粉和白云石粉；
胶结剂：水泥和石膏；
添加剂：硼砂、减水剂、纳米氧化铝、水；
其中，所述组成成份以重量计为：方解石砂71-98份，黏土粉1.5-24份，白云石粉0.5-5份，假设骨料共有100份，固定；则水泥9-150份，石膏11-125份，硼砂0.11-0.83份，减水剂0.08-0.90份，纳米氧化铝0.4-8.4份，水4.8-48.3份；
其中，所述方解石砂粒径为0.01-0.35mm，黏土粉粒径为0.01-0.17mm，两种矿物粒径均分别按照原岩矿物颗粒级配分布，每种矿物颗粒按照对应级配曲线选择对应颗粒粒径；
其中，所述白云石粉含量极少，粒径全部为0.1mm；
其中，所述水泥为硅酸盐水泥，标号为425；
其中，所述石膏为建筑石膏；
其中，所述硼砂为四硼酸钠；
其中，所述减水剂为聚羧酸减水剂；
其中，纳米氧化铝粒径为20nm。
为使本实施例提出的一种具有渗流-化学-振动耦合特性的灰岩相似材料及配制方法更清楚易操作，以下结合实施例对原理、试验方法、步骤、特点，如图1所示，展开进一步的说明。
(1)通过原位测试灰岩所处赋存环境得到垂直地应力35.4MPa，并考虑沉积水环境，再根据室内物理力学试验得到相关物理、力学参数(密度密度为2.5g/cm3、单轴抗压强度为119.8MPa、单轴抗拉强度为12.5MPa、弹性模量为52GPa、泊松比为0.24)；
(2)基于矿物成分和矿物微观结构分析结果，确定灰岩矿物成分主要为方解石(99-70％)，含有少量黏土(1-30％)，极少量白云石(0-5％)和微量有机质；再根据灰岩粒度分析获得灰岩矿物颗粒级配(白云石含量极少，粒径主要集中在0.1mm)，如表1；
表1灰岩矿物颗粒粒度分布
(3)根据提出的渗流-化学-振动耦合相似理论，几何相似常数(λL)、物理相似常数(λγ、λK)以及力学相似常数(λσ、λε、λE、λμ、λB、λf、λf、λN)之间的相似关系如下：
λσ＝λE＝λf
λε＝λμ＝λB＝λN＝1
其中，λL、λγ、λK、λσ、λε、λE、λμ、λB、λf、λf、λN分别表示长度、容重、渗透系数、应力、应变、弹性模量、泊松比、压拉比、边界面力、振动频率、振动循环次数的相似常数，由于不考虑体力作用，取λσ＝10，λL＝25,λγ＝1.25；根据此计算得出理想类岩石材料的物理、力学参数如表2；
表2灰岩与理想相似材料的物理力学参数
(4)首先基于与原岩矿物成分和比例确定骨料为方解石砂、黏土粉和白云石粉，其中方解石砂和黏土粉颗粒粒径和含量按照灰岩级配分布，如表3所示，白云石粉由于占骨料比例极小，粒径全部为0.1mm；根据原岩渗流-化学-振动耦合下的主要性质及相关物理力学参数确定胶结剂为水泥和石膏；根据水泥和石膏两种胶结剂确定添加剂分别是聚羧酸减水剂和硼砂，并加入纳米氧化铝作为添加剂；
表3相似材料骨料颗粒级配
(5)本发明通过均匀设计法进行配比方案的设计，确定方解石、黏土比、骨胶比、石膏水泥比、纳米氧化铝掺量4个因素，每个因素设置10个水平，并确定试验方案如表4所示，每组试验所需用水量按照石膏质量的18.6％和水泥质量的20％分别计算，然后根据设计的方案开展试验；
表4灰岩相似材料配比试验方案
注：方解石占比+黏土占比+白云石占比＝1
(6)根据试验配比方案，制备相似材料试件，分别称量骨料、胶结剂、添加剂和水，考虑了灰岩沉积过程中的水环境，相似材料组成成份中包括水，通过密实加压可以模拟灰岩在失去水分后紧压胶结起来的成岩过程；硼砂在冷水中溶解较慢，可以用热水代替冷水；将硼砂、聚羧酸减水剂、纳米氧化铝放入水中，充分搅拌至完全溶解、分散；将水溶液倒入搅拌锅内，加入胶结剂，用搅拌机先低速搅拌一分钟，再低速搅拌一分钟同时均匀地将骨料通过加沙漏斗加到搅拌锅中，然后高速搅拌一分钟，停止搅拌将锅壁上粘附的胶砂刮入锅内，再高速搅拌两分钟后结束搅拌；将已经涂好脱模剂的模具置于振动台上，分两次将相似材料倒入模具，每次振实一分钟，将模具从振动台上取下，将试样表面抹平；待试样初凝后，以3.54MPa的压力持续加压密实至25天养护结束，拆模即得到灰岩相似材料；
(7)将拆模后的相似材料试样进行物理力学测试，如图3所示为试样在0.8σc以
±0.5MPa、2.5Hz正弦波振动循环的应力路径示意图，根据测试结果进行直接观察发现，第9组试验结果如下表5所示：
表5第9组相似材料物理力学参数
图2所示为上述具体灰岩相似材料的全应力应变曲线，图4、5所示分别为上述具体灰岩相似材料在0.8σc以±0.5MPa、2.5Hz正弦波振动循环下的应力应变曲线、应变时间曲线。该相似材料满足渗流-化学-振动耦合相似理论，成功模拟出了灰岩在渗流-化学-振动耦合作用下的典型特征。
本发明未尽事宜为公知技术。
最后所应说明的是，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.具有渗流-化学-振动耦合特性的灰岩相似材料，其特征在于，按照组成成份，所述相似材料包括：
骨料：方解石砂、黏土粉和白云石粉；
胶结剂：水泥和石膏；
添加剂：硼砂、减水剂、纳米氧化铝、水。
2.根据权利要求1所述的一种具有渗流-化学-振动耦合特性的灰岩相似材料，其特征在于：
所述组成成份以重量计为：方解石砂71-98份，黏土粉1.5-24份，白云石粉0.5-5份，假设骨料共有100份，固定；则水泥9-150份，石膏11-125份，硼砂0.11-0.83份，减水剂0.08-0.90份，纳米氧化铝0.4-8.4份，水4.8-48.3份；
所述方解石砂粒径为0.01-0.35mm，黏土粉粒径为0.01-0.17mm，两种矿物粒径均分别按照原岩矿物颗粒级配分布，每种矿物颗粒按照对应级配曲线选择对应颗粒粒径；
所述白云石粉含量极少，粒径全部为0.1mm；
所述水泥为硅酸盐水泥，标号为425；
所述石膏为建筑石膏；
所述硼砂为四硼酸钠；
所述减水剂为聚羧酸减水剂；
所述纳米氧化铝粒径为20nm。
3.根据权利要求1和2任一所述的一种具有渗流-化学-振动耦合特性的灰岩相似材料，其特征在于，其配制方法包括以下步骤：
(1)通过实际工程原位测试，获取灰岩所处地应力、沉积水环境等赋存信息；从工程现场取样加工成标准试样，再根据室内物理力学试验得到相关物理、力学参数；
(2)基于矿物成分和矿物微观结构分析结果，确定灰岩矿物成分及百分含量；再根据原岩粒度分析获得原岩矿物颗粒级配；
(3)根据提出的渗流-化学-振动耦合相似理论，几何相似常数(λL)、物理相似常数(λγ、λK)以及力学相似常数(λσ、λε、λE、λμ、λB、
λf、λN)之间的相似关系如下：
λε＝λμ＝λB＝λN＝1
其中，λL、λγ、λK、λσ、λε、λE、λμ、λB、
λf、λN分别表示长度、容重、渗透系数、应力、应变、弹性模量、泊松比、压拉比、边界面力、振动频率、振动循环次数的相似常数，并根据此计算得出理想类岩石材料的物理、力学参数；
(4)首先基于与原岩矿物成分和比例确定骨料种类和骨料之间的比例，其中骨料颗粒粒径和含量按照灰岩级配分布设置；根据原岩渗流-化学-振动耦合下的主要性质及相关物理力学参数确定胶结剂；最后根据实际需要(增大或降低密度、提高强度、提高材料密实度、改善浇筑和易性、减缓凝结时间等)选择外加剂(如重晶石粉、铁粉、纳米材料、减水剂、缓凝剂等)；
(5)通过均匀设计法进行配比方案的设计，确定因素及每个因素设置的水平数，得出试验配比方案，然后根据设计的方案开展试验；
(6)根据试验配比方案，制备相似材料试件，首先分别称量骨料、胶结剂、添加剂和水，特别地，考虑了灰岩沉积过程中的水环境，相似材料组成成份中包括水，通过密实加压模拟灰岩失水胶结成岩过程；硼砂在冷水中溶解较慢，可以用热水代替冷水；再将硼砂、聚羧酸减水剂、纳米氧化铝放入水中，充分搅拌至完全溶解、分散；将水溶液倒入搅拌锅内，加入胶结剂，用搅拌机先低速搅拌一分钟，再低速搅拌一分钟同时均匀地将骨料通过加沙漏斗加到搅拌锅中，然后高速搅拌一分钟，停止搅拌将锅壁上粘附的胶砂刮入锅内，再高速搅拌两分钟后结束搅拌；随后将已经涂好脱模剂的模具置于振动台上，分两次将相似材料倒入模具，每次振实一分钟，第一次振实结束表面凿毛处理，第二次振实结束后将表面抹平；加压、密实成型，试样在设定温度、湿度和压力条件下养护28天，最后卸压拆模，将试样取出；
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| CN115893938B (zh) | 2023-08-01 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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