一種風化板巖體的模擬方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于建設工程領域，涉及一種室內模型試驗的材料制作方法，尤其是一種 風化板巖體的模擬方法，可用于物理模型試驗。
【背景技術】
[0002] 目前國內外對于巖質邊坡、隧道圍巖穩定性等有關巖體的研宄，主要集中在數值 分析領域，由于材料制作的復雜性，物理模型實驗模擬較少。數值模型試驗中，參數的確定 以及數學模型的選取，往往會對計算結果造成很大影響。
[0003] 隨著土工離心機在國內的應用，Ν-g條件下的物理模型試驗能很好的模擬原型應 力狀態，而成為一種較為可靠的分析方法。離心機模擬法是利用離心力場提高模型的體積 力，這樣在保證原型與模型幾何相似的前提下，可保持它們的力學特性相似，應力應變相 同，破壞機理相同，變形相似，這對于以重力為主要荷載的巖土工程問題是十分適用的。以 往的研宄中，利用土工離心機進行的物理模型試驗，在巖體的模型制作上并沒有考慮巖體 的結構面、夾層、破碎性等結構特性以及巖體的層理特性，而是簡單的采用巖塊模擬巖體。
[0004] 國內外學者，常常根據研宄需要選擇相似材料模擬其研宄的巖體類型，如石膏、水 泥、石蠟、有機玻璃、粉煤粉等材料模擬巖石進行實驗。而對巖體結構面、風化破碎程度的模 擬，則少有重視。這些因素往往對對巖體強度的評價有很大的影響。因此，簡單的用巖石代 替巖體模擬實際破壞變形，得到的結果與實際工程情況誤差較大。
【發明內容】
[0005] 板巖是沿板理方向可以剝成薄片，具有板狀結構的一種變質巖。為克服現有技術 缺陷，本發明提供一種風化板巖體的模擬方法，結合土工離心模型試驗，直觀的顯示強風化 破碎板巖體的破壞變形特性。
[0006] 為實現上述目的，本發明采用下述技術方案：一種風化板巖體的模擬方法，具體步 驟如下：
[0007] (1)采用玻璃片或瓷片模擬片狀巖體：首先根據土工離心機模型比尺及現場片狀 巖體分層厚度，確定玻璃片或瓷片的厚度。
[0008] (2)根據現場片狀巖體特性模擬巖體的層理及軟弱夾層：根據現場勘查資料，確 定是否有軟弱夾層以及軟弱夾層的大致位置，再確定所選材料模擬軟弱夾層，所選材料為 粘土、石膏、重晶石粉中的一種或兩種以上混合，通過調整粘土、石膏、重晶粉的配比，制備 得到不同強度等級的軟弱夾層。將所得軟弱夾層通過膠凝材料粘結于玻璃片或瓷片之間， 得到模擬巖體；現場勘測的軟弱夾層厚S米位于巖體底層上H米，在N-g離心加速度下，軟 弱夾層厚&米且位于模擬巖體底層上米。
[0009] (3)按現場巖體產狀布置模擬巖體：根據實際片理狀板巖體的傾角、傾向和走向， 對模擬巖體鋪設排列方式作出相應的調整。
[0010] (4)根據實際巖體的完整等級，利用敲碎的方式分層處理模擬巖體，使模擬巖體獲 得天然巖體的破碎特性。
[0011] 相對于現有技術，本發明具有如下有益效果：
[0012] (1)模型材料制作經濟、方便、實用；
[0013] (2)本發明對于巖體的制作，可以考慮巖體傾角，巖體結構面、巖體風化破碎程度、 層理性等因素的影響，克服了直接利用巖石相似材料試驗結果的誤差；
[0014] (3)該發明制作的模型結合土工離心機，可廣泛應用于強風化板巖巖質邊坡穩定 性、隧道開挖圍巖穩定性等實際工程情況的研宄分析中；
[0015] (4)利用該發明的物理模型試驗，可對相應的理論分析進行驗證；
[0016] (5)可以滿足多變的試驗要求。
【具體實施方式】
[0017] 以下結合技術方案，進一步說明本發明的【具體實施方式】。
[0018] (1)首先根據土工離心機模型比尺及現場板巖分層厚度情況，確定玻璃或瓷片的 厚度。考慮到板巖是一種片狀變質巖，本發明利用片狀的玻璃或瓷片，通過膠凝材料粘接， 模擬板巖的板狀構造。
[0019] 在離心機中，N-g的離心加速度，會將模型尺寸放大N倍。例如，在100g離心加速 度下，為了模擬〇. 2m厚的板巖片，可以采用厚度為0. 2cm的玻璃片或瓷片。
[0020] (2)采用粘土、石膏、重晶石粉一種或兩種以上成分，按一定比例配比粘接與玻璃 片或瓷片間，模擬巖體的層理及軟弱夾層。
[0021] 根據現場勘查資料，確定是否有軟弱夾層，以及軟弱夾層的大致位置，再利用相關 材料模擬軟弱夾層。調整粘土、石膏、重晶粉混合物的配比，可得到不同強度等級的軟弱夾 層。利用膠凝材料，將玻璃板或瓷片與軟弱夾層粘接。粘接的具體位置，根據模型比尺及現 場板巖體的軟弱夾層位置而定。實驗表明，粘土、石膏、重晶石粉按不同配比混合，得到的混 合物強度不同，通過室內實驗可以實現想要的模擬材料強度。模擬得到的軟弱夾層位置及 厚度，依據實際工程勘察資料及土工離心機比尺而定，即實際軟弱夾層厚S米位于巖體底 層上H米，在N-g離心加速度下，模擬材料厚.^米且位于模擬巖體底層上米。
[0022] (3)按玻璃或瓷片的鋪設方向，模擬巖層的產狀。
[0023] 考慮實際巖體的傾角、傾向、走向，玻璃板或瓷片的鋪設排列方式作出相應的調 整。水平產出的巖層，可以將玻璃片或瓷片進行平鋪；模擬傾斜狀巖層時，根據工程現場地 質勘查資料，調整玻璃片或瓷片面與水平面之間的夾角，反應真實巖體傾斜角度。
[0024] (4)利用敲碎的方式分層處理材料。
[0025] 為了模擬強風化的破碎板巖，對前3步處理后的完整材料，采用敲碎的方式破壞， 模擬天然巖體的破碎性。
[0026] 根據《工程巖體分級標準》（GB50218-94)，巖體結構面平均間距< 0. 4m時，巖體完 整程度屬于破碎階段。并考慮離心機模型比尺，規定在N-g離心加速度情況下，模擬材料 〇 d 結構面平均間距應S jOi。即，100g離心加速度時，敲碎玻璃片或瓷片，使其破碎平均間距 < 0. 4cm。而實際巖體不同位置的破碎程度也不同，考慮模型比尺的作用，根據實際情況決 定破碎層的厚度及位置。例如，實際巖體強風化層厚度5m-10m，且位于巖層底部以上20m 處，那么在100g離心加速度下，模型材料破碎厚度為5cm-10cm，且位于底部以上20cm處。
[0027] 考慮到巖體不同位置的破碎程度不同，且敲碎方式的影響深度有限。采用分層敲 碎再粘接的方式，即將整體分成若干部分，按實際破碎情況逐個敲碎處理，最后按順序粘接 成整體。
【主權項】
1. 一種風化板巖體的模擬方法，其特征在于，步驟如下： (1) 采用玻璃片或瓷片模擬片狀巖體：首先根據土工離心機模型比尺及現場片狀巖體 分層厚度，確定玻璃片或瓷片的厚度； (2) 根據現場片狀巖體特性模擬巖體的層理及軟弱夾層：根據現場勘查資料，確定是 否有軟弱夾層以及軟弱夾層的位置，再確定所選材料模擬軟弱夾層，所選材料為粘土、石 膏、重晶石粉中的一種或兩種以上混合，通過調整粘土、石膏、重晶粉的配比，制備得到不同 強度等級的軟弱夾層；將所得軟弱夾層通過膠凝材料粘結于玻璃片或瓷片之間，得到模擬 巖體；現場勘測的軟弱夾層厚S米位于巖體底層上H米，在N-g離心加速度下，軟弱夾層厚 米且位于模擬巖體底層上I米； (3) 按現場巖體產狀布置模擬巖體：根據實際片理狀板巖體的傾角、傾向和走向，對模 擬巖體鋪設排列方式作出相應的調整； (4) 根據實際巖體的完整等級，利用敲碎的方式分層處理模擬巖體，使模擬巖體獲得天 然巖體的破碎特性。
【專利摘要】本發明屬于建設工程領域，涉及一種風化板巖體的模擬方法，可用于物理模型試驗。采用普通玻璃或瓷片模擬片狀板巖；根據現場巖體特性采用粘土、石膏、重晶石粉一種或兩種以上混合物按一定比例配比粘接于玻璃片或瓷片間，模擬巖體的層理及軟弱夾層；按玻璃片或瓷片的鋪設方向，模擬巖層的產狀；利用敲碎的方式分層處理材料，模擬天然巖體的破碎特性。本發明主要針對巖體的模擬，充分考慮了巖體的結構面、傾角、破碎程度等影響巖體強度的主要因素。利用本發明制作的板巖體，可結合土工離心機設備，進行室內物理模型試驗，對以風化破碎板巖體為主要地質條件的巖質邊坡、隧道圍巖等重大工程進行穩定性分析研究。
【IPC分類】G09B23-40
【公開號】CN104732857
【申請號】CN201510158254
【發明人】趙維, 吳昊, 范寧
【申請人】大連理工大學
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年4月3日