一种软岩相似模型试验材料及其制备软岩相似模型的方法

摘要

本发明公开了一种软岩相似模型试验材料及其制备软岩相似模型的方法，属于地震模拟试验技术领域。本发明的软岩相似模型试验材料，包括：按重量份计，骨料80‑120份和胶结剂16‑32份；其中，骨料包括：按重量份计，40‑60目石英砂30～60份、70‑100目石英砂20～50份、170‑200目石英砂20～30份和膨润土0‑10份；胶结剂为0.8‑1.5wt％的有机盐聚合物溶液。通过将骨料和胶结剂混合倒入到模具中捣实，静止1天后拆模，常温养护2～4天后硬化，即得到软岩相似模型。本发明制作的软岩相似模型试验材料，具有较好的渗透性和水稳性，弹性模量相对较低，能较好地模拟地震作用下软弱夹层孔隙水压的变化特征，同时该材料来源广泛，制作简单，养护简易，制作成本低廉且无毒无害。

说明书

技术领域

本发明涉及地震模拟试验技术领域，具体涉及一种软岩相似模型试验材料及其制备软岩相似模型的方法。

背景技术

相似模型试验是一种基于相似原理的缩尺研究方法，主要采用相似材料模拟工程实体及其地质构造特征，通过模拟荷载作用方式、降雨模式等条件，研究岩土工程施工、运营中的安全稳定性及其破坏模式，长期以来一直是高边坡、堤坝、地下洞室及矿山等各类复杂岩土工程安全稳定性研究及机制分析采用的重要手段。

地质构造复杂，在斜坡岩体中存在着较多、不同类型的软弱薄层，即软弱夹层。软岩是软弱夹层的主要组成，原生型软弱夹层是以石英砂岩为主的岩层夹有薄层粘土岩、泥岩或千枚岩等软岩。当地震发生时，山体发生滑坡的很大原因是地下水对软弱夹层产生的显著影响。由于地层地质构造的复杂性，现有地震模拟实验技术，缺少针对模拟地震作用下岩体结构中不同软弱夹层的模拟相似材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种软岩相似模型试验材料，以解决现有缺少针对模拟地震作用下岩体结构中不同软弱夹层的模拟相似材料问题。本发明提出了一种利用软岩相似模型试验材料制备软岩相似模型的方法，通过研究相似材料水稳性、强度、弹性模量、渗透系数等参数随配比的变化规律，确定适用于软岩的相似材料。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种软岩相似模型试验材料，包括：按重量份计，骨料80-120份和胶结剂16-32份；其中，骨料包括：按重量份计，40-60目石英砂30～60份、70-100目石英砂20～50份、170-200目石英砂20～30份和膨润土0-10份；胶结剂为0.8-1.5wt％的有机盐聚合物溶液。

本发明的试验材料采用有机盐聚合物溶液为胶结剂，有机盐聚合物溶液具有较强的胶结性能、性质稳定、可调节度高且等优点。有机盐聚合物溶液在和骨料混合硬化得到的软岩相似模型具有多孔网状结构，使得软岩相似模型具有较好的孔隙率，从而使软岩相似模型渗透率高。同时有机盐聚合物溶液较好的胶结性和保水性，胶结遇水不易溶解，可确保实验模型的水稳性。石英砂本身的弹性模量较小，利用膨润土更低的弹性模量和有机盐聚合物溶液较大的孔隙率，填充石英砂的空隙，进一步实现降低试验材料的弹性模量。

本发明选用多种级配的石英砂是为了调节相似材料级配，可在较大的范围内调节软岩相似模型实验材料中配比，更好的对实际的地下软弱夹层进行模拟。在地震模拟振动台试验中，需要将地质原型按一定相似系数缩小成试验模型，试验制备的软岩材料与地质软岩原型的物理力学性质需要满足该相似关系。通常情况下，原型软岩单轴抗压强度在2-15MPa，按50相似系数取值，则试验软岩模型材料的单轴抗压强度为0.04-0.3MPa。而在实际中，由于地区不同，每个地区的岩体结构的软岩弹性模量和渗透系数也存在有大有小的情况，则在满足单足抗压强度基础上，需要改变材料配比，以获得满足实际要求的弹性模量、渗透系数的相似模拟。在一般情况下选用200目左右的石英砂用于软岩相似材料，级配过于单一且调节材料配比及其不方便，并不能满足实际要求的弹性模量和渗透系数的相似模拟。而本发明采用的是三种不同级配的石英砂，可以针对实际要求进行多次改变配比以达到实际要求。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述软岩相似模型试验材料包括：按重量份计，骨料90-110份和胶结剂20-28份，其中所述胶结剂为浓度为1-1.3wt％的有机盐聚合物溶液。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述有软岩相似模型试验材料包括：按重量份计，骨料100份和胶结剂24份，其中所述胶结剂为浓度为1.1wt％的有机盐聚合物溶液。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述石英砂包括60目石英砂30～60份、100目石英砂20～50份和200目石英砂20～30份。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述有机盐聚合物溶液包括3～7wt％羧甲基纤维素钠的水溶液、1～3wt％聚丙烯酰胺的水溶液、1～3wt％过硫酸铵水溶液。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述有机盐聚合物溶液包括5wt％羧甲基纤维素钠的水溶液、2.5wt％聚丙烯酰胺的水溶液和1.5wt％过硫酸铵的水溶液。

利用上述软岩相似模型试验材料的制备软岩相似模型的方法，其特征在于，包括：

S1：按照上述配比称取石英砂和膨润土放入到容器中搅拌均匀，得到均匀骨料；

S2：配制0.8-1.5wt％的有机盐聚合物溶液作为胶结剂；

S3：一边搅拌骨料一边加入有机盐聚合溶液，直至材料混合均匀，得到混合物；

S4：将S3中的混合物倒入模具中捣实，静止1天后拆模，常温养护2～4天后硬化，即得到软岩相似模型。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述步骤S2中，有机盐聚合物溶液包括3～7wt％羧甲基纤维素钠的水溶液、1～3wt％聚丙烯酰胺的水溶液、1～3wt％过硫酸铵水溶液。本发明具有以下有益效果：

本发明制作的软岩相似模型试验材料，同时该材料来源广泛，制作简单，养护简易，制作成本低廉且无毒无害。利用该软岩相似模型试验材料制备的软岩相似模型具有较好的渗透性和水稳性，弹性模量相对较低，能较好地模拟地震作用下软弱夹层孔隙水压的变化特征。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1：

本实施例的软岩相似模型试验材料包括：按重量份计，骨料80份，胶结剂32份，其中骨料包括60目石英砂35份、100目石英砂35份、200目石英砂24份和膨润土6份。胶结剂为浓度为0.8wt％的有机盐聚合物溶液，其中有机盐聚合物溶液包括3wt％羧甲基纤维素钠的水溶液、1wt％聚丙烯酰胺的水溶液、1wt％过硫酸铵水溶液。

本实施例的软岩相似模型的制备方法包括：

S1：按照上述配比称取石英砂和膨润土放入到容器中搅拌均匀，得到均匀骨料；

S2：在室温条件下，分别将羧甲基纤维素钠、聚丙烯酰胺和过硫酸铵加水溶解，依次将羧甲基纤维素钠的水溶液、聚丙烯酰胺的水溶液、过硫酸铵的水溶液加入到水中，混合配置有机盐聚合溶液；

S3：一边搅拌骨料一边加入有机盐聚合溶液，直至材料混合均匀，得到混合物；

S4：将S3中的混合物倒入模具中捣实，静止1天后拆模，常温养护2天后硬化，即得到软岩相似模型。

实施例2：

本实施例的软岩相似模型试验材料包括：按重量份计，骨料90份，胶结剂28份，其中骨料包括60目石英砂35份、100目石英砂35份、200目石英砂24份和膨润土6份。胶结剂为浓度为1.0wt％的有机盐聚合物溶液,其中有机盐聚合物溶液包括4wt％羧甲基纤维素钠的水溶液、2wt％聚丙烯酰胺的水溶液、1.5wt％过硫酸铵水溶液。

本实施例的软岩相似模型的制备方法包括：

S1：按照上述配比称取石英砂和膨润土放入到容器中搅拌均匀，得到均匀骨料；

S2：在室温条件下，向羧甲基纤维素钠、聚丙烯酰胺和过硫酸铵加水溶解，依次将羧甲基纤维素钠的水溶液、聚丙烯酰胺的水溶液、过硫酸铵的水溶液加入到水中，混合配置有机盐聚合溶液；

S3：一边搅拌骨料一边加入有机盐聚合溶液，直至材料混合均匀，得到混合物；

S4：将S3中的混合物倒入模具中捣实，静止1天后拆模，常温养护3天后硬化，即得到软岩相似模型。

实施例3：

本实施例的软岩相似模型试验材料包括：按重量份计，骨料100份，胶结剂24份，其中骨料包括60目石英砂35份、100目石英砂35份、200目石英砂24份和膨润土6份。胶结剂为浓度为1.1wt％的有机盐聚合物溶液，其中有机盐聚合物溶液包括5wt％羧甲基纤维素钠的水溶液、2.5wt％聚丙烯酰胺的水溶液、1.5wt％过硫酸铵水溶液。

本实施例的软岩相似模型的制备方法包括：

S1：按照上述配比称取石英砂和膨润土放入到容器中搅拌均匀，得到均匀骨料；

S2：在室温条件下，分别将羧甲基纤维素钠、聚丙烯酰胺和过硫酸铵加水溶解，依次将羧甲基纤维素钠的水溶液、聚丙烯酰胺的水溶液、过硫酸铵的水溶液加入到水中，混合配置有机盐聚合溶液；

S3：一边搅拌骨料一边加入有机盐聚合溶液，直至材料混合均匀，得到混合物；

S4：将S3中的混合物倒入模具中捣实，静止1天后拆模，常温养护3天后硬化，即得到软岩相似模型。

实施例4

本实施例的软岩相似模型试验材料包括：按重量份计，骨料110份，胶结剂20份，其中骨料包括60目石英砂35份、100目石英砂35份、200目石英砂24份和膨润土6份。胶结剂为浓度为1.3wt％的有机盐聚合物溶液，其中有机盐聚合物溶液包括5wt％羧甲基纤维素钠的水溶液、2.5wt％聚丙烯酰胺的水溶液、1.5wt％过硫酸铵水溶液。

本实施例的软岩相似模型的制备方法包括：

S1：按照上述配比称取石英砂和膨润土放入到容器中搅拌均匀，得到均匀骨料；

S2：在室温条件下，分别将羧甲基纤维素钠、聚丙烯酰胺和过硫酸铵加水溶解，依次将羧甲基纤维素钠的水溶液、聚丙烯酰胺的水溶液、过硫酸铵的水溶液加入到水中，混合配置有机盐聚合溶液；

S3：一边搅拌骨料一边加入有机盐聚合溶液，直至材料混合均匀，得到混合物；

S4：将S3中的混合物倒入模具中捣实，静止1天后拆模，常温养护4天后硬化，即得到软岩相似模型。

实施例5

本实施例的软岩相似模型试验材料包括：按重量份计，骨料120份，胶结剂16份，其中骨料包括40目石英砂35份、100目石英砂35份、200目石英砂24份和膨润土6份。胶结剂为浓度为1.5wt％的有机盐聚合物溶液，其中有机盐聚合物溶液包括7wt％羧甲基纤维素钠的水溶液、3wt％聚丙烯酰胺的水溶液、3wt％过硫酸铵水溶液。

本实施例的软岩相似模型的制备方法包括：

S1：按照上述配比称取石英砂和膨润土放入到容器中搅拌均匀，得到均匀骨料；

S2：在室温条件下，分别将羧甲基纤维素钠、聚丙烯酰胺和过硫酸铵加水溶解，依次将羧甲基纤维素钠的水溶液、聚丙烯酰胺的水溶液、过硫酸铵的水溶液加入到水中，混合配置有机盐聚合溶液；

S3：一边搅拌骨料一边加入有机盐聚合溶液，直至材料混合均匀，得到混合物；

S4：将S3中的混合物倒入模具中捣实，静止1天后拆模，常温养护4天后硬化，即得到软岩相似模型。

实施例6：

本实施例的软岩相似模型的制备方法与实施例3相同，区别在于软岩相似模型试验材料的配方不同。

本实施例的软岩相似模型试验材料包括：按重量份计，骨料100份，胶结剂24份，其中骨料包括60目石英砂30份、100目石英砂50份、200目石英砂20份和膨润土0份。胶结剂为浓度为1.1wt％的有机盐聚合物溶液，其中有机盐聚合物溶液包括5wt％羧甲基纤维素钠的水溶液、2.5wt％聚丙烯酰胺的水溶液、1.5wt％过硫酸铵水溶液。

实施例7：

本实施例的软岩相似模型的制备方法与实施例3相同，区别在于软岩相似模型试验材料的配方不同。

本实施例的软岩相似模型试验材料包括：按重量份计，骨料100份，胶结剂24份，其中骨料包括60目石英砂30份、100目石英砂30份、200目石英砂30份和膨润土10份。胶结剂为浓度为1.1wt％的有机盐聚合物溶液，其中有机盐聚合物溶液包括5wt％羧甲基纤维素钠的水溶液、2.5wt％聚丙烯酰胺的水溶液、1.5wt％过硫酸铵水溶液。

实施例8：

本实施例的软岩相似模型的制备方法与实施例3相同，区别在于软岩相似模型试验材料的配方不同。

本实施例的软岩相似模型试验材料包括：按重量份计，骨料100份，胶结剂24份，其中骨料包括60目石英砂60份、100目石英砂20份、200目石英砂20份和膨润土0份。胶结剂为浓度为1.1wt％的有机盐聚合物溶液，其中有机盐聚合物溶液包括5wt％羧甲基纤维素钠的水溶液、2.5wt％聚丙烯酰胺的水溶液、1.5wt％过硫酸铵水溶液。

实施例9：

本实施例的软岩相似模型的制备方法与实施例3相同，区别在于软岩相似模型试验材料的配方不同。

本实施例的软岩相似模型试验材料包括：按重量份计，骨料100份，胶结剂24份，其中骨料包括40目石英砂30份、70目石英砂50份、170目石英砂20份和膨润土0份。胶结剂为浓度为1.1wt％的有机盐聚合物溶液，其中有机盐聚合物溶液包括5wt％羧甲基纤维素钠的水溶液、2.5wt％聚丙烯酰胺的水溶液、1.5wt％过硫酸铵水溶液。

实施例10：

本实施例的软岩相似模型的制备方法与实施例3相同，区别在于软岩相似模型试验材料的配方不同。

本实施例的软岩相似模型试验材料包括：按重量份计，骨料100份，胶结剂24份，其中骨料包括50目石英砂60份、80目石英砂50份、200目石英砂20份和膨润土0份。胶结剂为浓度为1.1wt％的有机盐聚合物溶液，其中有机盐聚合物溶液包括5wt％羧甲基纤维素钠的水溶液、2.5wt％聚丙烯酰胺的水溶液、1.5wt％过硫酸铵水溶液。

实施例11：

本实施例的软岩相似模型的制备方法与实施例3相同，区别在于软岩相似模型试验材料的配方不同。

本实施例的软岩相似模型试验材料包括：按重量份计，骨料100份，胶结剂24份，其中骨料包括40目石英砂35份、70目石英砂35份、170目石英砂24份和膨润土6份。胶结剂为浓度为1.1wt％的有机盐聚合物溶液，其中有机盐聚合物溶液包括5wt％羧甲基纤维素钠的水溶液、2.5wt％聚丙烯酰胺的水溶液、1.5wt％过硫酸铵水溶液。

实施例12：

本实施例的软岩相似模型的制备方法与实施例3相同，区别在于软岩相似模型试验材料的配方不同。

本实施例的软岩相似模型试验材料包括：按重量份计，骨料100份，胶结剂24份，其中骨料包括50目石英砂35份、80目石英砂25份、200目石英砂30份和膨润土10份。胶结剂为浓度为1.1wt％的有机盐聚合物溶液，其中有机盐聚合物溶液包括5wt％羧甲基纤维素钠的水溶液、2.5wt％聚丙烯酰胺的水溶液、1.5wt％过硫酸铵水溶液。

将上述实施例制得的软岩相似模型样品可直接进行单轴无侧限抗压强度测试，得到上述实施例的物理力学指标表1。

表1实施例的物理力学指标表

实施例1-5中可以看出，随着骨科的增加、有机盐聚合物溶液的减少，相似材料单轴抗压强度增大、弹性模量增大、渗透系数增大、饱和含水率增加。结合实施例1-12，综合比较下来实施例3满足单轴抗压强度较低、弹性模量较小、渗透系数较大、饱和含水率较高的综合优点。实施例6-12可以看出，骨料中不同目数和不同配比的石英砂可以满足不同的强度、不同弹性模量、不同渗透率的要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。