专利名称：一种交互层状模型材料试件制备方法
技术领域：
本发明涉及岩石力学试验技术领域，更具体涉及一种将模型材料加工成交互层状 试件的制备方法，适用于对层状复合岩体的物理模拟试验。
背景技术：
在地下工程、矿山工程、石油天然气核废料储存等工程结构设计与施工中，大量存 在着与沉积岩岩层有关的互层复合岩体力学问题。由于互层复合岩体是由多种不同属性、 不同厚度、不同组分并以不同结合方式按照某种顺序组合而成的天然层状材料，其力学和 变形特性就反映出了多相不均勻性、各相异性、层间界面力学性质、复合体力学效应以及力 学性质的不匹配性质。在自然界很难找到适合实验室研究尺寸的互层复合岩体，物理模拟试验是研究互 层复合岩体力学行为的有效方法，已得到国际岩石力学领域的广泛认可。物理模拟试验是 一种岩体介质物理力学特性研究方法，它可以模拟各种复杂的地质条件和边界条件，能较 全面而又形象地呈现工程结构与相关岩土体共同作用下的应力和变形机制、破坏机理、形 态及失稳阶段的全貌。对互层复合岩体进行试验模拟，首先需要考虑模型材料配比、层间胶结、层厚度 比、层面倾角等诸多问题。在获得标准试件之后，又需对其进行三轴压缩、单轴压缩、剪切和 抗拉强度等岩石力学实验。对于材料配比、层间胶结、层厚度比、层面倾角等条件均相同的 情况下，为了保证获取的力学参数的准确性，每一种岩石力学实验又需要至少3个同组试 件进行对比试验。因此此类试验研究需要大量的多互层状复合模拟岩体标准试件。如何快 速地批量获取试验所需的标准试件，是试验成功的关键。但是，在目前已有的模型材料试验 领域，并未发现十分有效的制备方法。
发明内容
本发明的目的是在于提供了一种交互层状模型材料试件制备方法，该方法易行， 操作简便，工艺流程简单明确，大大提高了试验效率及精度，适用于高效地获取互层岩体模 型材料试验所需要的标准试件。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
本发明根据多互层复合岩体各层的物理力学属性，配比了多种相似模型材料；利用一 种多互层模型材料的薄层切割装置，对各种模型材料块体相继进行切片，获取模型材料薄 层；再利用一种模型材料软薄层吸附平移装置，将切割获得的不同材料的薄层交互叠加在 一起，根据试验要求叠加时在交界面上铺设粘结材料；然后，将叠加后的模型材料块体放在 压力试验机上对其进行加压，以便使其固结直至符合试验要求，从而得到交互层状模型材 料块体；最后，利用一种支撑面倾角可调节的岩样钻取支架，对交互层状相似材料块体进行 钻孔取样，制成具有不同层面倾角的交互层状标准试样试件。利用获得的标准试件即可进 行岩石力学试验，获得相应的试验数据。
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本发明涉及的支撑面倾角可调节的岩样钻取支架，主体是一个三角形支架，将模 型材料块体放置在其支撑面上，通过调节三角形支架的短边的位置，来获得模型材料块体 的不同层面倾角。一种交互层状模型材料试件制备方法，其操作步骤如下(以两种模型材料交互分 布的互层岩体模型材料为例)
A、模型材料准备
根据拟模拟的层状复合岩体的物理力学属性，考虑物理模拟试验的相似要求，配比两 种相似模型材料，分别命名为材料a和b。其中材料a为黄土、重晶石粉和水的混合材料，质 量配比为黄土 重晶石粉水=1-5 0. 5-2 0. 3-2. 4 ；材料b为水泥、黄土和水的混合材料， 质量配比为水泥黄土 水=1-2 0. 5-1 0. 5-1。配置过程如下 (1)材料a的配置
取黄土 10kg、重晶石粉5kg放入搅拌机中搅拌均勻，然后边搅拌边加入3kg水，使黄土、 重晶石粉跟水混合，得到可塑状的混合材料a。(2)材料b的配置
取水泥7. 5kg、黄土 7. 5kg放入搅拌机中搅拌均勻，然后边搅拌边加入4. 5kg水，使水 泥、黄土跟水混合，得到可塑状的混合材料b。B、可拆卸箱子装配
利用一种多互层模型材料的薄层切割装置中的可拆卸箱子。可拆卸箱子共加工有三 个，其中第一箱子和第二箱子尺寸大小相同，第三箱子比第一箱子和第二箱子略小一些。鉴 于在切割和搬动的过程中试样边缘可能会折断或被碰掉，所以第三箱子略小于第一箱子和 第二箱子。压缩前，先将第一箱子和第三箱子的四个侧壁和底板用螺栓装配连接，等第D步 完成后再同样装配第三箱子。C、预压
把制备好的材料a放到第一箱子中，材料b放在第二箱子中。将第一箱子和第二箱子 分别加上压板，放到MTS压力试验机上在50-70分钟内均勻加压至150KN，然后稳压50-70 分钟。D、切片
预压之后，从压力试验机上取下第一箱子，拆除第一箱子的三个侧壁。把成型的材料 a连同后板和底板一起放置在角钢框架底座上，水平向前推动推架，当推架上的钢丝到达模 型材料块体的后端时，拆下第一箱子的后壁，使推架上的钢丝平稳地切过模型材料块体。同样对材料b进行切片预压之后，从压力试验机上取下第二箱子，拆除第二箱子 的三个侧壁。把成型的材料b连同后板和底板一起放置在角钢框架底座上，水平向前推动 推架，当推架上的钢丝到达模型材料块体的后端时，拆下第二箱子的后壁，使推架上的钢丝 平稳地切过模型材料块体。E、吸附、平移和叠加
针对实际工程中互层岩体界面的抗拉强度、抗剪强度等特性不同，考虑多种粘结强 度，按照不同的厚度比及拓扑特性的要求，利用一种模型材料(水泥、黄土和重晶石粉及其 混合材料)软薄层吸附平移装置，将由材料a和材料b切出的薄层交替的叠放到第三箱子的 底板上，堆砌到24-26cm。该吸附平移装置包括吸尘器、钢丝软管、吸附盘框架、多孔板、把手及气流阀，通过调节吸尘器档位及气流阀，使得吸附盘内形成一定压力(0. 005-0. IMPa)的 低压(小于外部大气压)区，可将模型材料软薄层平稳地吸附并搬移。F、修葺和再压
模型材料堆砌完之后，用钢锯将堆砌体进行修葺，然后将第三箱子的三个侧壁装 上，侧壁的作用是避免加压过程中堆砌体产生过大的缝隙或折皱。用恒定的加载速率加载， 直到沉降稳定。压缩完成后，再以恒定的速率将压力缓慢卸载，避免在互层模型材料块体内 部产生张拉裂缝，从而得到完整的由材料a、b组成的互层块体。G、凝固
试样做好之后，即用湿抹布罩住试样和第三箱子，保持在室温(20-25°C)，直到初 凝结束。随后拆除可拆卸第三箱子的侧壁，根据每种材料的性能要求，在固化室里保持室温 (20-250C )和相对湿度95%，凝固样品28天。H、试件加工
互层模型材料块体凝固完成后，即可对其实施钻孔取样。钻孔时，配合一种支撑面倾 角可调节的岩样钻取支架，对交互层状相似材料块体钻孔，制成具有不同层面倾角(0°、 15°、30°、45°、60°、75°、90° )的交互层状标准试样试件。本发明提出了一种解决互层复合岩体物理模拟问题的方法，主要优点有
1)工艺流程简单、明确、效率高，大大缩短了模型材料试件的制作周期；
2)可靠性高，各分层的模型材料薄层制作均勻；
3)模拟范围广，可以模拟拥有不同岩性、不同层厚比、不同层间胶结和不同层面 倾角的层状岩体；
4)应用前景广阔，经济效益显著，可以广泛应用于能源、矿山、边坡等领域中与 层状复合岩体相关的岩土工程地质力学物理模拟试验研究。
图1为一种交互层状模型材料试件制备方法加工成的试件0°示意图。图2为一种交互层状模型材料试件制备方法加工成的试件15°示意图。图3为一种交互层状模型材料试件制备方法加工成的试件30°示意图。图4为一种交互层状模型材料试件制备方法加工成的试件45°示意图。图5为一种交互层状模型材料试件制备方法加工成的试件60°示意图。图6为一种交互层状模型材料试件制备方法加工成的试件75°示意图。图7为一种交互层状模型材料试件制备方法加工成的试件90°示意图。
具体实施例方式实施例1
本发明配合一种多互层模型材料的薄层切割装置和一种模型材料软薄层吸附平移装 置使用。本发明根据多互层复合岩体各层的物理力学属性，配比了多种相似模型材料；利 用一种多互层模型材料的薄层切割装置，对各种模型材料块体进行切片，获取模型材料薄 层；再利用一种模型材料软薄层吸附平移装置，将切割获得的不同材料的薄层交互叠加在 一起，根据试验要求叠加时在交界面上铺设粘结材料；然后，将叠加后的模型材料块体放在压力试验机上，对其进行加压以便使其固结直至符合试验要求，获得交互层状模型材料块 体；最后，利用一种支撑面倾角可调节的岩样钻取支架，对交互层状相似材料块体进行钻孔 取样，制成具有不同层面倾角的交互层状标准试样试件。利用获得的标准试件即可进行岩 石力学试验，获得相应的试验数据。—种交互层状模型材料试件制备方法，其具体步骤如下 A、模型材料准备
根据拟模拟的层状复合岩体的物理力学属性，考虑物理模拟试验的相似要求，配比两 种相似模型材料，分别命名为材料a和b。其中材料a为黄土、重晶石粉和水的混合材料，质 量配比为黄土 重晶石粉水=1 0. 5 0. 3 ；材料b为水泥、黄土和水的混合材料，质量配比 为水泥黄土 水=1 :1 :0. 6。配置过程如下 (1)材料a的配置
取黄土 IOkg或Ilkg或12kg或13kg或15kg、重晶石粉5kg或4kg或3kg或2kg或 1. 5kg放入搅拌机中搅拌均勻，然后边搅拌边加入3kg或3. 3kg或3. 6kg或3. 9kg或4. 5kg 水，使黄土、重晶石粉跟水混合，得到可塑状的混合材料a。(2)材料b的配置
取水泥 7. 5kg 或 8kg 或 8. 5kg 或 9kg 或 IOkg 或 12kg、黄土 7. 5kg 或 7kg 或 6. 5kg 或 6kg或5kg或3kg放入搅拌机中搅拌均勻，然后边搅拌边加入4. 5kg4. 4kg或4. 3kg或4. 2kg 或4. Okg或3. 6kg水，使水泥、黄土跟水混合，得到可塑状的混合材料b。B、可拆卸箱子装配
利用一种多互层模型材料的薄层切割装置中的可拆卸箱子。可拆卸箱子共加工有三 个，其中第一箱子和第二箱子尺寸大小相同，第三箱子比第一箱子和第二箱子略小一些。鉴 于在切割和搬动的过程中试样边缘可能会折断或被碰掉，所以第三箱子略小于第一箱子和 第二箱子。压缩前，先将第一箱子和第三箱子的四个侧壁和底板用螺栓装配连接，等第D步 完成后再同样装配第三箱子。C、预压
把制备好的材料a放到第一箱子中，材料b放在第二箱子中。将第一箱子和第二箱子分 别加上压板，放到MTS压力试验机上在50或55或60或65或70分钟内均勻加压至150KN， 然后稳压50或55或60或65或70分钟。D、切片
预压之后，从压力试验机上取下第一箱子，拆除第一箱子的三个侧壁。把成型的材料 a连同后板和底板一起放置在角钢框架底座上，水平向前推动推架，当推架上的钢丝到达模 型材料块体的后端时，拆下第一箱子的后壁，使推架上的钢丝平稳地切过模型材料块体。同样对材料b进行切片预压之后，从压力试验机上取下第二箱子，拆除第二箱子 的三个侧壁。把成型的材料b连同后板和底板一起放置在角钢框架底座上，水平向前推动 推架，当推架上的钢丝到达模型材料块体的后端时，拆下第二箱子的后壁，使推架上的钢丝 平稳地切过模型材料块体。E、吸附、平移和叠加
针对实际工程中互层岩体界面的抗拉强度、抗剪强度等特性不同，考虑多种粘结 强度，按照不同的厚度比及拓扑特性的要求，利用一种模型材料软薄层吸附平移装置，将由材料a和材料b切出的薄层交替的叠放到第三箱子的底板上，堆砌到24或25或26cm。该 吸附平移装置包括吸尘器、钢丝软管、吸附盘框架、多孔板、把手及气流阀，通过调节吸尘器 档位及气流阀，使得吸附盘内形成一定压力为0. 005或0. 009或0. 015或0. 036或0. 048 或0. 054或0. 067或0. 079或0. 088或0. 097或0. IMPa的低压区，可将模型材料软薄层平 稳地吸附并搬移。F、修葺和再压
模型材料堆砌完之后，用钢锯将堆砌体进行修葺，然后将第三箱子的三个侧壁装 上，侧壁的作用是避免加压过程中堆砌体产生过大的缝隙或折皱。用恒定的加载速率加载， 直到沉降稳定。压缩完成后，再以恒定的速率将压力缓慢卸载，避免在互层模型材料块体内 部产生张拉裂缝，从而得到完整的由材料a、b组成的互层块体。。G、凝固
试样做好之后，即用湿抹布罩住试样和第三箱子，保持在室温20或22或24或 25°C，直到初凝结束。随后拆除可拆卸第三箱子的侧壁，根据每种材料的性能要求，在固化 室里保持20或22或24或25 °C，和相对湿度95%，凝固样品28天。H、试件加工
互层模型材料块体凝固完成后，即可对其实施钻孔取样。钻孔时，配合一种支撑面倾 角可调节的岩样钻取支架，对交互层状相似材料块体钻孔，制成具有不同层面倾角(0°、 15°、30°、45°、60°、75°、90° )的交互层状标准试样试件。
权利要求
一种交互层状模型材料试件制备方法，其作步骤是A、模型材料准备配比两种相似模型材料，分别为材料a和b，其中材料a为黄土、重晶石粉和水的混合材料，质量配比为黄土重晶石粉水=1 50.5 20.3 2.4；材料b为水泥、黄土和水的混合材料，质量配比为水泥黄土水=1 20.5 10.5 1，配置过程如下 (1)材料a的配置取黄土、重晶石粉放入搅拌机中搅拌均匀，然后边搅拌边加入水，使黄土、重晶石粉跟水混合，得到可塑状的混合材料a；(2)材料b的配置取水泥、黄土放入搅拌机中搅拌均匀，然后边搅拌边加入水，使水泥、黄土跟水混合，得到可塑状的混合材料b；B、可拆卸箱子装配利用一种多互层模型材料的薄层切割装置中的可拆卸箱子，可拆卸箱子共加工有三个，其中第一箱子和第二箱子二尺寸大小相同，第三箱子比第一箱子和第二箱子小，压缩前，先将第一箱子和第三箱子的四个侧壁和底板用螺栓装配连接，等第D步完成后再同样装配第三箱子；C、预压把制备好的材料a放到第一箱子中，材料b放在第二箱子中，将第一箱子和第二箱子分别加上压板，放到MTS压力试验机上在50 70分钟内均匀加压至150KN，然后稳压50 70分钟；D、切片预压之后，从压力试验机上取下第一箱子，拆除第一箱子的三个侧壁，把成型的材料a连同后板和底板一起放置在角钢框架底座上，水平向前推动推架，当推架上的钢丝到达模型材料块体的后端时，拆下第一箱子的后壁，使推架上的钢丝平稳地切过模型材料块体；同样对材料b进行切片预压之后，从压力试验机上取下第二箱子，拆除第二箱子的三个侧壁，把成型的材料b连同后板和底板一起放置在角钢框架底座上，水平向前推动推架，推架上的钢丝到达模型材料块体的后端时，拆下第二箱子的后壁，使推架上的钢丝平稳地切过模型材料块体；E、吸附、平移和叠加利用一种模型材料软薄层吸附平移装置，将由材料a和材料b切出的薄层交替的叠放到第三箱子的底板上，堆砌到25cm，该吸附平移装置包括吸尘器、钢丝软管、吸附盘框架、多孔板、把手及气流阀，通过调节吸尘器档位及气流阀，使得吸附盘内形成压力为0.005 0.1MPa的低压区，将模型材料软薄层平稳地吸附并搬移；F、修葺和再压模型材料堆砌完之后，用钢锯将堆砌体进行修葺，然后将第三箱子的三个侧壁装上，用恒定的加载速率加载，直到沉降稳定，压缩完成后，再以恒定的速率将压力缓慢卸载，得到完整的由材料a、b组成的互层块体；G、凝固试样做好之后，即用湿抹布罩住试样和第三箱子，保持在室温20 25℃，直到初凝结束，随后拆除可拆卸第三箱子的侧壁，在固化室里保持室温20 25℃和相对湿度95%，凝固样品28天；H、试件加工 互层模型材料块体凝固完成后，对其实施钻孔取样，钻孔时，配合一种支撑面倾角可调节的岩样钻取支架，对交互层状相似材料块体钻孔，制成不同层面倾角0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的交互层状标准试样试件。
全文摘要
本发明公开了一种交互层状模型材料试件制备方法，其作步骤是A、模型材料准备(1)材料a的配置，取黄土、重晶石粉放入搅拌机中搅拌均匀，加入水，得到可塑状的混合材料a；(2)材料b的配置，取水泥、黄土放入搅拌机中搅拌均匀，加入水，得到可塑状的混合材料b；B、可拆卸箱子装配；C、预压把制备好的材料a、b放在箱子中，分别加上压板，放到MTS压力试验机上加压；D、切片；E、吸附、平移和叠加；F、修葺和再压；G、凝固H、试件加工制成不同层面倾角的交互层状标准试样试件。工艺流程简单、明确、效率高，缩短了制作周期；可靠性高，各分层的模型材料薄层制作均匀；应用前景广阔，经济效益显著。
文档编号C04B28/00GK101913818SQ20101027053
公开日2010年12月15日 申请日期2010年9月2日 优先权日2010年9月2日
发明者屈丹安, 张桂民, 施锡林, 李银平, 杨春和 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所