专利名称：地质力学模型试验中不连续构造面的模拟结构及其方法
技术领域：
本发明属于地质力学模型试验技术领域，特别涉及一种地质力学模型试验不连续构造面(如断层、错动带等)模拟的一系列材料及技术。
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结构稳定性的影响，其在水利、采矿、隧道等工程中有着极其重要的作用并得到了广泛的应用，例如中国的大中型拱坝基本都做过地质力学模型试验。在岩石工程中，不连续构造面是影响其稳定性的最关键的因素之一，这也是地质力学模型试验主要的模拟对象。不连续构造面对岩体结构稳定影响主要有两个因素:不连续构造面厚度、不连续构造面抗剪强度；这也是模型试验中不连续构造面模拟的主要对象。但是，实际岩体中不连续构造面的具体结构差别很大:一些不连续构造面(如断层、错动带等)很薄；而一些不连续构造面(如断层破碎带等)厚达数米，其厚度对结构应力分布影响明显。同时，经过相似比换算后，模拟不连续构造面厚度的模拟材料弹性模量很小，很难找到小弹模而又容易加工成片、方便使用的材料，传统的模拟方法困难重重。同时，在不连续构造面模拟中，不连续构造面的抗剪强度为τ = f σ +c (σ为岩体的压应力，f为摩擦系数，C为粘聚力)，其中粘聚力C按照相似率换算后数值很小，可以忽略其影响；而摩擦系数f的模拟水平是衡量地质力学模型试验中不连续构造面模拟准确性的决定性因素；但这也是模拟的难点之一。对于不能忽略厚度的不连续构造面，一些不连续构造面的弹模很低，按照模型规定的几何比尺计算后，模型的弹模过小难于找到相似材料模拟；同时，不连续构造面模拟中，摩擦系数f的模拟也比较困难。这些问题都制约着地质力学模型试验的精确模拟。目前有些国家研究人员多在不连续构造面的断层间涂上清漆掺润滑脂及滑石粉等来模拟摩擦系数f，这种方法可以获得较大范围的f值(0.1-1.0)，但是性能会受温度变化及喷涂工艺的影响，成果离散度大，稳定性差。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种地质力学模型试验中不连续构造面的模拟结构及其方法，能更加精确的模拟岩体的不连续构造面，使地质力学模型试验的结果更加准确。本发明提出的一种地质力学模型试验中不连续构造面模拟结构，其特征在于，该结构由脱水石膏片试件、在脱水石膏片试件两个表面各紧贴一层或多层纸张组成。所述脱水石膏片试件厚度大于等于2mm ；所述纸张为电光纸、牛皮纸或白报纸中任意一种或多种组合。本发明还提出一种地质力学模型试验中不连续构造面模拟结构的制作方法，其特征在于，该方法包括脱水石膏 片试件的制作，纸张摩擦系数f值的确定，脱水石膏片与纸张结合制作完成不连续构造面模拟结构三部分；具体包括以下步骤:I)脱水石膏片试件的制作:11)选用石膏粉料与水，分别制作不同石膏粉料-水质量比的多组脱水石膏圆柱状试件，每组各制作多个脱水石膏圆柱状试件，制作方法如下:将石膏粉和水按照设定的质量比混合，搅拌均匀，制作成石膏块，凝固后，放入烘箱烘干，然后刮磨为规定形状、尺寸的脱水石膏圆柱状试件；分别测量每组多个脱水石膏圆柱试件的单轴压缩弹性模量，计算该种多个试件的平均弹模值，并对不同的石膏粉料-水质量比与相应的平均弹模值进行拟合，得到水-石膏粉料质量比-弹模曲线；12)根据待模拟实体不连续构造面的厚度、弹模、模型试验的相似比，计算脱水石膏片试件的厚度、弹模，并在水-石膏粉料质量比-弹模曲线中找到该弹模对应的水-石膏粉料质量比；13)根据步骤12)得到的水-石膏粉料质量比和脱水石膏片厚度制作脱水石膏片试件；2)根据f值确定选·用的纸张:根据摩擦系数f选用牛皮纸、电光纸、白报纸或不同纸张、不同层的组合，并制作各种f值对应的不同纸张或组合的表格；3)将脱水石膏片试件与纸张结合制作完成不连续构造面模拟结构。本发明的特点及有益效果:不连续构造面的模拟主要包括不连续构造面的断层厚度模拟和抗剪强度模拟两部分。断层厚度模拟:本发明使用经过特殊处理的脱水石膏薄片模拟岩体间不连续构造面的断层厚度，断层厚度模拟的原则是压缩变形相等。通过调节脱水石膏制作过程中石膏粉和水的比例，可以使制作好的脱水石膏弹模在0.3gpa-2gpa之间变化；同时，使用本实验室特有的加工方法可以将其加工到最薄2mm的厚度，很好的满足了对断层厚度模拟的要求。本方法设计精巧，结果准确，石膏材料性质稳定，通过与数值计算结果对比，本模拟方法模拟效果较好。但是，当经过换算后不连续构造面厚度小于2_，且弹模过大，就失去了模拟其厚度的必要；这种情况下，可忽略其厚度影响。使用纸张模拟具有力学性质稳定，成本低廉，不容易受温度影响的特点。
图1为本发明的不连续构造面模拟结构示意图。其中，I为脱水石膏薄片；2为纸张；3为岩块图2为本发明实施例的水/石膏粉料质量比-弹模曲线图。
具体实施例方式本发明提出的地质力学模型试验中不连续构造面模拟结构及其方法，结合实施例详细说明如下:本发明的地质力学模型试验中不连续构造面模拟结构，如图1所示，由脱水石膏片试件1、在脱水石膏片试件I两个表面各紧贴一层或多层纸张2组成。所述脱水石膏片试件厚度大于等于2mm ；所述纸张为电光纸、牛皮纸或白报纸中任意一种或多种组合。本发明的不连续构造面的模拟结构的制备方法，包括脱水石膏片试件的制作，纸张摩擦系数f值的确定，脱水石膏片与纸张结合制作完成不连续构造面模拟结构三部分；具体包括以下步骤:I)脱水石膏片试件的制作:11)选用石膏粉料与水，分别制作不同石膏粉料-水质量比的多组脱水石膏圆柱状试件，每组各制作多个脱水石膏圆柱状试件，制作方法如下:将石膏粉和水按照设定的质量比混合，搅拌均匀，制作成石膏块，凝固后，放入烘箱烘干，然后刮磨为规定形状、尺寸的脱水石膏圆柱状试件。分别测量每组多个脱水石膏圆柱试件的单轴压缩弹性模量，计算该种多个试件的平均弹模值，并对不同的石膏粉料-水质量比与相应的平均弹模值进行拟合，得到水-石膏粉料质量比-弹模曲线，如图2所示，横轴为水-石膏粉料质量比，纵轴为对应的弹模值；12)根据待模拟实体不连续构造面的厚度、弹模、模型试验的相似比，计算脱水石膏片试件的厚度、弹模，并在水-石膏粉料质量比-弹模曲线中找到该弹模对应的水-石膏粉料质量比；13)根据步骤12)得到的水-石膏粉料质量比和脱水石膏片试件厚度制作脱水石膏片，具体制作过程如下:根据得到的 水-石膏粉料质量比将石膏粉料和水混合均匀后浇筑成石膏块；再将石膏块切割成多个的石膏薄片，石膏薄片的厚度略厚于要求的厚度，然后将石膏薄片放在烤箱中脱水烘干，烘干后测量其厚度(可使用游标卡尺测量)，并刮磨脱水石膏片，使其达到要求厚度(如果按照相似比计算后，模拟的不连续构造面厚度小于2mm，就失去了模拟厚度的必要，此时只需用纸张模拟摩擦系数f即可)。2)根据f值确定选用的纸张:根据摩擦系数f选用牛皮纸、电光纸、白报纸或不同纸张、不同层的组合，并制作各种f值对应的不同纸张或组合的表格；3)将脱水石膏片试件与纸张结合制作完成不连续构造面模拟结构:31)将选择好的纸张或纸张组合裁剪成与脱水石膏片试件面积相同的两片，分别紧贴在脱水石膏片试件两个表面，组成一个不连续构造面模拟结构；32)根据待模拟完整的实体的不连续构造面面积及模型试验的相似比制作模拟的完整不连续构造面:将多块不连续构造面模拟结构无缝拼接排列在模拟的不连续岩块表面，形成模拟的完整不连续结构面。实施例:下面以某拱坝模型试验为例说明本发明，该拱坝模型试验的尺寸相似比为250，弹性模量相似比250，f相似比为I。本实施例的不连续构造面模拟结构的制备方法，包括脱水石膏片试件的制作，纸张摩擦系数f值的确定，脱水石膏片与纸张结合制作完成不连续构造面模拟结构三部分。本实施例的拱坝原型及模型试验数据如表I所示:表I本实施例的拱坝原型及模型试验数据表格:
权利要求
1.一种地质力学模型试验中不连续构造面模拟结构，其特征在于，该结构由脱水石膏片试件、在脱水石膏片试件两个表面各紧贴一层或多层纸张组成。
2.如权利要求1所述结构，其特征在于，所述脱水石膏片试件厚度大于等于2mm。
3.如权利要求1或2所述结构，其特征在于，所述纸张为电光纸、牛皮纸或白报纸中任意一种或多种组合。
4.一种地质力学模型试验中不连续构造面模拟结构的制作方法，其特征在于，该方法包括脱水石膏片试件的制作，纸张摩擦系数f值的确定，脱水石膏片与纸张结合制作完成不连续构造面模拟结构三部分； 具体包括以下步骤: 1)脱水石膏片试件的制作: 11)选用石膏粉料与水，分别制作不同石膏粉料-水质量比的多组脱水石膏圆柱状试件，每组各制作多个脱 水石膏圆柱状试件，制作方法如下:将石膏粉和水按照设定的质量比混合，搅拌均匀，制作成石膏块，凝固后，放入烘箱烘干，然后刮磨为规定形状、尺寸的脱水石膏圆柱状试件；分别测量每组多个脱水石膏圆柱试件的单轴压缩弹性模量，计算该种多个试件的平均弹模值，并对不同的石膏粉料-水质量比与相应的平均弹模值进行拟合，得到水-石膏粉料质量比-弹模曲线； 12)根据待模拟实体不连续构造面的厚度、弹模、模型试验的相似比，计算脱水石膏片试件的厚度、弹模，并在水-石膏粉料质量比-弹模曲线中找到该弹模对应的水-石膏粉料质量比； 13)根据步骤12)得到的水-石膏粉料质量比和脱水石膏片厚度制作脱水石膏片试件； 2)根据f值确定选用的纸张:根据摩擦系数f选用牛皮纸、电光纸、白报纸或不同纸张、不同层的组合，并制作各种f值对应的不同纸张或组合的表格； 3)将脱水石膏片试件与纸张结合制作完成不连续构造面模拟结构。
5.如权利要求4所述方法，其特征在于，所述步骤13)具体制作过程如下:根据得到的水-石膏粉料质量比将石膏粉料和水混合均匀后浇筑成石膏块；再将石膏块切割成多个的石膏薄片，石膏薄片的厚度略厚于要求的厚度，然后将石膏薄片放在烤箱中脱水烘干，烘干后测量其厚度，并刮磨脱水石膏片，使其达到要求厚度。
6.如权利要求4所述方法，其特征在于，所述步骤3)具体制作过程如下: 31)将选择好的纸张或纸张组合裁剪成与脱水石膏片试件面积相同的两片，分别紧贴在脱水石膏片试件两个表面，组成一个不连续构造面模拟结构； 32)根据待模拟完整的实体的不连续构造面面积及模型试验的相似比制作模拟的完整不连续构造面:将多块不连续构造面模拟结构无缝拼接排列在模拟的不连续岩块表面，形成模拟的完整不连续结构面。
全文摘要
本发明涉及一种地质力学模型试验中不连续构造面模拟结构及其方法，属于地质力学模型试验技术领域，该结构由脱水石膏片试件、在脱水石膏片试件两个表面各紧贴一层或多层纸张组成。该方法包括脱水石膏片试件的制作，纸张摩擦系数f值的确定，脱水石膏片与纸张结合制作完成不连续构造面模拟结构三部分；本发明能更加精确的模拟岩体的不连续构造面，使地质力学模型试验的结果更加准确。
文档编号G01N1/28GK103234786SQ20131011305
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月2日 优先权日2013年4月2日
发明者刘耀儒, 杨强, 杨若琼, 程立 申请人:清华大学