[发明专利]重晶石粉胶结岩土相似材料及其制作模拟岩体的方法

说明书

技术领域

本发明属于地质力学模型试验中岩土材料的模拟技术领域，特别涉及一种新型岩土相似材料及其制作模拟岩体的方法，用于涉及水利、交通、采矿等工程领域的地质力学模型试验中岩土材料的模拟，并且特别适合于小块体模型试验。

背景技术

地质力学模型试验能够模拟工程结构的特点，又能近似模拟岩体断层等地质因素对工程稳定性的影响，因此其在水利、采矿、隧道等工程设计中起到了极其重要的作用并得到了广泛的应用。

根据工程实际和模型试验的相似率的客观要求，地质力学模型试验对模拟坝体及周围基础岩体介质的相似材料的力学性质等有着比较高的要求。例如，地质力学模型试验要求相似材料的所有无量纲量（应变、内摩擦角、摩擦系数、泊松比等）的相似比为1，相似材料与原型材料的弹性模量、应力应变曲线、强度等也要满足相似条件等。因此试验往往需要低弹模（最低2mpa）而又高强度、高密度的相似材料；而且，同一工程的地质条件差别较大，也就是岩土材料的弹模、密度等差异较大，例如弹模跨度为2mpa-100mpa；另外相似材料的制作和使用也有无毒、低成本等要求。因此，地质力学模型试验相似材料的研发一直是模型试验的研究热点与难点，国内外相关科研机构不断进行着相似材料的研发工作，各种新型相似材料层出不穷，但是鲜有能够比较全面的满足这些要求的材料。

武汉水利水电大学上世纪80年代曾经发明过一种由重晶石粉、胶膜铁粉和松香酒精搅拌混合的相似材料，简称MIB材料；该材料的弹性模量可以根据胶膜厚度进行调整，但是铁粉胶粘剂的氯丁胶含有甲苯，对人体有害。清华大学在21世纪初曾发明过一种由磁铁矿精矿粉、河沙、粘结剂石膏或水泥等（NIOS）组成相似材料，该材料性质稳定、容量大、价格低廉，但是干燥、养护时间长，材料不能重复使用。山东大学在2005年申请了铁晶砂胶结岩土相似材料及其制备方法，申请号200510104581.4，公开号CN1792990A，这种材料的力学性质也比较优良，成本较低，但是其使用石英砂作为主骨料，不适用于小块体精细砌筑。

发明内容

本发明的目的是为解决目前缺少一种很好的满足地质力学模型试验相似率要求而又低成本、无毒，易于加工的相似材料的问题，特提出一种重晶石粉胶结岩土相似材料及制作模拟岩体的方法，本相似材料具有成本低、无毒，易于加工制作小块体的特点，很好的满足地质力学模式试验对相似材料的要求；同时，用本相似材料制作模拟岩体不影响模型砌筑过程，制作迅速，可以大大加快模型试验的进度。尤其适用于小块体砌筑的模型试验领域。

本发明提出的一种重晶石粉胶结岩土相似材料，其特征在于，该相似材料由重晶石粉为骨料，膨润土为辅助材料，以及107胶和水混合的稀释胶水构成混合料；其中，重晶石粉、膨润土和稀释胶水的质量比为11-13:0.25-0.35：1；稀释胶水中107胶与水的胶水的质量比为1:1.5到1：6；

采用上述相似材料制作模拟岩体的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1）采用剪切试验确定稀释胶水的水胶比：制作4组密度相同，重晶石粉、膨润土、稀释胶水的质量配比也相同，但是稀释胶水中107胶与水质量比不同的立方体小试件，每组小试件含有四个相同混合料配比与胶水比的试件；对每组的四个试件，分别使用四种不同垂向荷载进行直推法抗剪试验，测量四种不同压力荷载情况下试件的极限抗剪力；使用最小二乘法拟合相同胶水比的垂向压应力—极限抗剪应力，求出该组小试件的抗剪强度f(即斜率f)；再对各组的抗剪强度f拟合成不同水胶比—抗剪强度f曲线；

2）采用单轴压缩材料试验确定相似材料密度—弹模曲线：采用4个批次的混合料，每个批次的混合料分别进行该批次的材料试验，具体方法如下：每个批次的混合料制作出至少8组不同湿密度的圆柱状试件,每组试件含有4个相同的试件；对每个试件晒干后进行单轴压缩试验，分别计算各组4个试件的平均湿密度与平均弹模；根据试验数据，做出该批次混合料试件的湿密度——弹模曲线；

3）计算模型每部位模拟材料的水胶比及湿密度：根据设计原始资料和模型试验的相似比例计算出模型各部位相似材料要求的抗剪强度、弹模，再根据步骤1)和2）的试验结果确定模型各部位对应批次的相似材料水胶比和湿密度：