一種滑坡物理模型的滑帶相似材料及其制備方法
【專利摘要】本發明公布的一種滑坡物理模型的滑帶相似材料及其制備方法，以不同大小的玻璃微珠為原材料，或者以玻璃微珠及河砂為原材料配制而成，根據實際待模擬的滑坡滑帶原型確定處合適的配比，可以模擬出符合要求的滑帶相似材料，滿足滑帶相似材料的粘聚力和內摩擦角相似。本發明提供的滑帶相似材料，可以方便的通過調節不同大小規格的玻璃微珠及河砂摻入量來使滑帶材料粘聚力為0，內摩擦角在較大范圍內變化，以滿足不同滑坡物理模型試驗需求。且相似材料具有原材料來源廣，制備方法簡單，力學性能穩定，成本低及對人體無害等優點。
【專利說明】一種滑坡物理模型的滑帶相似材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于地質力學模型試驗用材料及制備【技術領域】，具體涉及一種用于滑坡物理模型中模擬滑帶的相似材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]滑坡為巖土體依附于其內在或潛在軟弱結構面/帶，在降雨、人類生產活動等綜合因素觸發作用下失去原有平衡條件，產生以水平位移為主的滑動現象。滑坡災害是一種主要的地質災害之一，已成為人類社會不容忽視的環境難題，其危害已成為僅次于地震的第二大自然災害。
[0003]模型試驗是按一定的幾何、物理關系，用模型代替原型進行測試，并將結果用于原型的試驗方法，試驗模型是基于相似理論來進行制作的。長期以來，模型試驗一直是解決復雜工程課題的重要手段，在邊坡失穩機理研究中，模型試驗能夠形象地模擬邊坡巖土體中的應力大小及其分布、邊坡巖土體的變形破壞機制及其發展過程、加固措施的加固效果等。滑坡模型試驗屬于地質力學模型試驗的范疇，是研究滑坡問題的重要手段。
[0004]通常保證模型與原型之間的相似是通過相似材料的配制來實現，滑坡相似材料是模型試驗的基礎，相似材料配比以及相似材料的正確選取是保證物理模型模擬正確性與合理性的重要因素。其中，滑坡相似材料的制備一直是滑坡模型試驗難點之一，尤其滑帶相似材料更是模型試驗成功的關鍵。一般而言，要求滑帶相似材料的粘聚力和內摩擦角相似，其中粘聚力要求趨近為O。目前，巖質材料的相似材料隨著石膏系相似材料模擬技術的逐漸成熟而基本解決，而土質材料特別是軟土體相似材料的研究卻一直存在相當的難度。土體作為自然界中一定歷史條件形成的自然產物，其性質具有多樣性、區域性等特點，要研制一種材料完全滿足各方面的相似條件幾乎是不可能的。有必要忽略其次要因素，針對主要因素開展試驗研究，研制出符合要求的滑帶相似材料用于滑坡物理模型試驗。
[0005]目前，國內外用于模型試驗的相似材料主要類型有:
[0006]I)石膏系相似材料
[0007]石膏為主體的相似材料常用來模擬混凝土、巖石等脆性材料的物理力學性能。其對石膏用量較為敏感，對環境濕度有較高要求，性質和混凝土比較接近，均屬于脆性材料。
[0008]2)松香系相似材料
[0009]對于模型試驗相似材料絕緣度有要求時，松香系相似材料可以作為合適的選擇之一。松香系相似材料抗壓、抗拉強度主要受松香溶液濃度的控制，變化限于松香濃度范圍內，對低強度參數的相似模擬有一定的局限性。
[0010]3)明礬系相似材料
[0011]明礬系相似材料針對巖溶地質環境模型試驗研究，可以模擬溶洞溶蝕過程。明礬在加熱后可以熔化，對砂具有較好的粘結能力，試驗過程中可以通過加熱的方式讓溶洞擴大，模擬溶洞溶蝕的過程，是一種有研究價值的巖溶區巖性模擬材料，其易水解。
[0012]4)變溫相似材料[0013]變溫相似材料的研制是將高分子材料與傳統的模型材料結合起來，在模型材料中加入適量的高分子材料及膠結材料，并配置溫度變化系統，在試驗過程中通過升溫的辦法使材料的力學參數逐步降低。變溫相似材料的強度和力學參數可隨溫度的改變而改變，只在一定的溫度范圍內保持較好的相似性。
[0014]5)石蠟系相似材料
[0015]石蠟和重晶石粉、砂、粘土等材料混合，形成了石蠟系相似材料，可模擬低滲透性的硬土體、低強度的巖體，如層積巖；其對溫度敏感，也可作為變溫材料使用；其彈模較低，模擬巖體時壓剪比或壓拉比效果不好，塑性較大，且石蠟價格較高。
【發明內容】
[0016]本發明的目的是針對滑坡物理模型試驗需要而展開，克服上述各類模型相似材料的局限性問題，提供一種新型滿足滑坡物理模型中滑帶力學特性要求的相似材料及其制備方法。
[0017]為了解決上述技術問題，本發明提供了一種滑坡物理模型的滑帶相似材料，采用粒徑為l_2mm的小玻璃微珠、粒徑為3-4mm的大玻璃微珠混合制得；得到的相似材料的粘聚力均為0，內摩擦角為8-27度。
[0018]為了滿足不同的滑坡物理模型試驗要求，當滑帶相似材料要求的內摩擦角大于27度時，采用粒徑為3-4_的大玻璃微珠及粒度為2_以下的河沙顆粒混合制得相似材料；得到的該相似材料的粘聚力均為0，內摩擦角為14~35°。
[0019]所述相似材料中由大、小玻璃微珠配比的內摩擦角變化范圍為8~27° ;由大玻璃微珠和河砂配比的內摩擦角變化范圍為14~35°。
`[0020]所述的滑坡物理模型的滑帶相似材料的制備方法，具體步驟為:
[0021]1)根據實際滑坡中滑帶的力學參數及模型試驗相似比，運用相似判據得出其物理模型中滑帶相似材料的力學參數；
[0022]2)按照步驟1)確定的滑帶相似材料的力學參數，根據大小玻璃微珠配比一內摩擦角曲線或大玻璃微珠及河砂配比一內摩擦角曲線，利用內插法快速定位玻璃珠配比范圍，并試驗得出滑帶土相似材料中各原料的具體配比組成；
[0023]3)根據步驟2)所得的配比稱取大、小玻璃微珠及河砂放入攪拌容器中，充分攪拌均勻，即得滑坡物理模型的滑帶相似材料。
[0024]滑帶相似材料的主要考慮粘聚力c和內摩擦角P的相似。根據滑坡模型試驗原型與模型相應的相似指標，推導出滑坡模型試驗的相似判據。根據滑坡模型試驗設計實際情況，采用幾何相似比n，設各參數的相似比分別為原型參數與模型參數之比，符號分別表示為C。、οφ，滑坡物理模型試驗滑帶相似判據如? c --U Cc=n。
[0025]該相似材料由于采用了以上技術方案，通過不同大小規格玻璃微珠及河砂為原材料，其中大玻璃微珠的尺寸為:3mm < d < 4mm,小玻璃微珠的尺寸為:1mm < d < 2mm,河砂的粒徑:d < 2mm。由于是在模型試驗中滑帶很薄，不宜采用粒徑過大的璃微珠及河砂；本發明根據實際采用不同粒徑的材料試驗比較后篩選確定采用大、小玻璃微珠混合制成，并根據情況混合河沙。玻璃微珠的表明光滑，不會產生粘聚力，從而只需考慮內摩擦角的影響，其模擬的內摩擦角數值范圍覆蓋所用滑帶土的內摩擦角，解決了其他材料不能解決的問題，滿足了最大程度上的相似要求。
[0026]根據不同規格大、小玻璃微珠及河砂不同的配比組合，可以得到不同滑帶相似材料。根據三軸壓縮試驗和直剪試驗的試驗結果,做出了玻璃微珠配比-內摩擦角曲線,數值范圍可覆蓋目前所用滑帶土的內摩擦角；其中由大小玻璃微珠配比的大小玻璃微珠配比一內摩擦角曲線如圖1，其可以覆蓋的內摩擦角變化范圍為8?27° ;由大玻璃微珠和河砂配比的大玻璃微珠及河砂配比-內摩擦角曲線如下圖2，其可以覆蓋的內摩擦角變化范圍為14?35°。所用滑帶相似材料的確定利用內插法得出玻璃微珠的配比即可。
[0027]本發明與現有其他類型模型試驗的相似材料相比具有如下優點:
[0028]I)本發明提供的滑帶模擬材料，其物理、力學性質穩定，能夠保證具有良好的相似性。
[0029]2)本發明提供的滑帶相似材料，其水力特性、變形及強度特性，在大氣溫度、濕度變化條件下保持穩定。
[0030]3)本發明方法配制的滑帶相似材料，可通過已測定的大小玻璃微珠配比-內摩擦角曲線或大玻璃微珠及河砂配比-內摩擦角曲線,利用內插法快速定位玻璃珠配比范圍，并進行試驗。能夠有效地減少任務量，提聞試驗效率。
[0031]4)本發明方法配制的滑帶相似材料，粘聚力均為0，能夠較為嚴格的滿足滑坡物理模型試驗要求。
[0032]5)本發明方法配制的滑帶相似材料，內摩擦角數值為8?37° ,其中由大小玻璃微珠配比的內摩擦角變化范圍為8?27° ;由大玻璃微珠和河砂配比的內摩擦角變化范圍為14?35°。參數變化范圍大，可以根據相似材料參數要求選取不同的配比組合，滿足較大相似比尺范圍的相似要求。
[0033]6)本發明方法配制的滑帶相似材料，其采用的玻璃微珠及河砂，制備過程簡單，只需簡單混合，能耗低、效率高、成本低。
[0034]7)本發明所用原材料來源廣泛，且無毒副作用，所得材料在制備和使用中都不會對人體造成傷害。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0035]圖1為
【發明內容】
中所述的大小玻璃微珠配比一內摩擦角曲線；
[0036]圖2為
【發明內容】
中所述的大玻璃微珠及河砂配比一內摩擦角曲線。
【具體實施方式】
[0037]下面通過具體實施例對本發明進行具體描述。有必要指出，以下實施例僅是本發明為進一步說明選用實施例，并非對本發明保護范圍的限制，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案范圍內，當利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是脫離本發明技術方案內容依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發明技術方案的范圍內。
[0038]實施例1:
[0039]本實施例以三峽庫區花蓮樹滑坡物理模型的滑帶相似材料配比為例進行闡述。
[0040]根據花蓮樹滑坡地質資料，得到其滑帶土物理力學參數，并結合模型試驗設計實際情況，確定模型試驗的幾何相似比η為185。得到花蓮樹滑坡滑帶原型材料與相似材料物理力學參數如表1。
實驗項目原型值相似比模型材料目標值
[0041]C(kPa) 17.1 ~39.51850.171~0.395 ~0參"數: φ C。) 10.0~15.5 1 10.0~15.5
[0042]表1
[0043]按照花蓮樹滑坡所要求滑帶相似材料的力學參數，由于內摩擦角要求的范圍為
10.0~15.5，可知選擇大、小玻璃微珠進行配比即可。根據玻璃珠配比-內摩擦角關系曲線，利用內插法快速定位玻璃珠配比范圍，并進行試驗，其試驗結果見表2，表2為花蓮樹滑坡滑帶相似材料配比研究。
試驗編號小珠/(小珠+大3?朱)％ 粘聚力C(kPa) 內摩擦角φ(°)
[0044]D.丨__50__0__^_
D-260014.9
D-370015
[0045]表2
[0046]根據試驗要求，選取滿足要求的相似材料組合及配比，以上三組都在相似值范圍內，任選其中一組即可，但`在實際試驗時，滑坡地質力學模型試驗是為判斷其不利條件下的穩定性，故可優選其內摩擦角較小時的不利情況D-1。按所述比例稱取大、小玻璃微珠放入攪拌盆中，充分攪拌均勻，得到滑坡物理模型的滑帶相似材料。然后將攪拌好的相似材料倒入滑坡物理模型中的滑坡滑床上，均勻的攤鋪開即可。
[0047]實施例2:
[0048]本實施例以三峽庫區生基包滑坡物理模型的滑帶相似材料配比為例進行闡述。
[0049]根據生基包滑坡地質資料，得到其滑帶土物理力學參數，并結合模型試驗設計實際情況，確定模型試驗的幾何相似比為150 ;得到生基包滑坡滑帶原型材料與相似材料物理力學參數見表3。
實驗項目原型值相似比模型材料目標值
[0050]強度 QkPa) 17.1 ~34.6150 0.114 ~0.231=0參數 φ (。) 10.0~12.5 110.0~12.5
[0051]表3
[0052]按照生基包滑坡所要求滑帶相似材料的力學參數，由于內摩擦角要求的范圍為
10.0~12.5，可知選擇大、小玻璃微珠進行配比即可。根據玻璃珠配比-內摩擦角關系曲線，利用內插法快速定位玻璃珠配比范圍，并進行試驗，其試驗結果見表4，表4為生基包滑坡滑帶滑帶相似材料配比研究。
【權利要求】
1.一種滑坡物理模型的滑帶相似材料，其特征在于:采用粒徑為l-2mm的小玻璃微珠、粒徑為3-4mm的大玻璃微珠混合制得；得到的相似材料的粘聚力為0，內摩擦角為8_27度。
2.一種滑坡物理模型的滑帶相似材料，其特征在于:采用粒徑為3-4mm的大玻璃微珠及粒度為2mm以下的河沙顆粒混合制得；得到的相似材料的粘聚力為0，內摩擦角14?35。。
3.根據權利要求1或2所述的滑坡物理模型的滑帶相似材料的制備方法，其特征在于，具體步驟為:1)根據實際滑坡中滑帶土物理力學參數及模型試驗設計幾何相似比，運用相似判據得出其物理模型中滑帶相似材料的力學參數值；2)按照步驟1)確定的滑帶相似材料的力學參數值，根據大小玻璃微珠配比一內摩擦角曲線或大玻璃微珠及河砂配比-內摩擦角曲線，利用內插法快速定位玻璃珠配比范圍，并試驗得出滑帶土相似材料中各原料的具體配比組成；3)根據步驟2)所得的配比稱取大玻璃微珠、小玻璃微珠或河砂放入攪拌容器中，充分攪拌均勻，即得滑坡物理模型的滑帶相似材料。
4.根據權利要求3所述滑坡物理模型的滑帶相似材料的制備方法，其特征在于:步驟1)中所述力學參數為粘聚力c和內摩擦角妒。
5.根據權利要求4所述滑坡物理模型的滑帶相似材料的制備方法，其特征在于:步驟1)中的所述相似判據為c, 二κ (；=η，其中η為幾何相似比，C。為粘聚力的相似比，q為內摩擦角的相似比。
【文檔編號】G01N1/28GK103698189SQ201410017096
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2014年1月14日 優先權日:2014年1月14日
【發明者】程圣國, 潘飛, 胡祥輝, 楊云華, 于志偉, 陳婷 申請人:三峽大學