專利名稱：一種交互層狀模型材料試件制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及巖石力學試驗技術領域，更具體涉及一種將模型材料加工成交互層狀 試件的制備方法，適用于對層狀復合巖體的物理模擬試驗。
背景技術：
在地下工程、礦山工程、石油天然氣核廢料儲存等工程結構設計與施工中，大量存 在著與沉積巖巖層有關的互層復合巖體力學問題。由于互層復合巖體是由多種不同屬性、 不同厚度、不同組分并以不同結合方式按照某種順序組合而成的天然層狀材料，其力學和 變形特性就反映出了多相不均勻性、各相異性、層間界面力學性質(zhì)、復合體力學效應以及力 學性質(zhì)的不匹配性質(zhì)。在自然界很難找到適合實驗室研究尺寸的互層復合巖體，物理模擬試驗是研究互 層復合巖體力學行為的有效方法，已得到國際巖石力學領域的廣泛認可。物理模擬試驗是 一種巖體介質(zhì)物理力學特性研究方法，它可以模擬各種復雜的地質(zhì)條件和邊界條件，能較 全面而又形象地呈現(xiàn)工程結構與相關巖土體共同作用下的應力和變形機制、破壞機理、形 態(tài)及失穩(wěn)階段的全貌。對互層復合巖體進行試驗模擬，首先需要考慮模型材料配比、層間膠結、層厚度 比、層面傾角等諸多問題。在獲得標準試件之后，又需對其進行三軸壓縮、單軸壓縮、剪切和 抗拉強度等巖石力學實驗。對于材料配比、層間膠結、層厚度比、層面傾角等條件均相同的 情況下，為了保證獲取的力學參數(shù)的準確性，每一種巖石力學實驗又需要至少3個同組試 件進行對比試驗。因此此類試驗研究需要大量的多互層狀復合模擬巖體標準試件。如何快 速地批量獲取試驗所需的標準試件，是試驗成功的關鍵。但是，在目前已有的模型材料試驗 領域，并未發(fā)現(xiàn)十分有效的制備方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在于提供了一種交互層狀模型材料試件制備方法，該方法易行， 操作簡便，工藝流程簡單明確，大大提高了試驗效率及精度，適用于高效地獲取互層巖體模 型材料試驗所需要的標準試件。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是
本發(fā)明根據(jù)多互層復合巖體各層的物理力學屬性，配比了多種相似模型材料；利用一 種多互層模型材料的薄層切割裝置，對各種模型材料塊體相繼進行切片，獲取模型材料薄 層；再利用一種模型材料軟薄層吸附平移裝置，將切割獲得的不同材料的薄層交互疊加在 一起，根據(jù)試驗要求疊加時在交界面上鋪設粘結材料；然后，將疊加后的模型材料塊體放在 壓力試驗機上對其進行加壓，以便使其固結直至符合試驗要求，從而得到交互層狀模型材 料塊體；最后，利用一種支撐面傾角可調(diào)節(jié)的巖樣鉆取支架，對交互層狀相似材料塊體進行 鉆孔取樣，制成具有不同層面傾角的交互層狀標準試樣試件。利用獲得的標準試件即可進 行巖石力學試驗，獲得相應的試驗數(shù)據(jù)。
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本發(fā)明涉及的支撐面傾角可調(diào)節(jié)的巖樣鉆取支架，主體是一個三角形支架，將模 型材料塊體放置在其支撐面上，通過調(diào)節(jié)三角形支架的短邊的位置，來獲得模型材料塊體 的不同層面傾角。一種交互層狀模型材料試件制備方法，其操作步驟如下(以兩種模型材料交互分 布的互層巖體模型材料為例)
A、模型材料準備
根據(jù)擬模擬的層狀復合巖體的物理力學屬性，考慮物理模擬試驗的相似要求，配比兩 種相似模型材料，分別命名為材料a和b。其中材料a為黃土、重晶石粉和水的混合材料，質(zhì) 量配比為黃土 重晶石粉水=1-5 0. 5-2 0. 3-2. 4 ；材料b為水泥、黃土和水的混合材料， 質(zhì)量配比為水泥黃土 水=1-2 0. 5-1 0. 5-1。配置過程如下 (1)材料a的配置
取黃土 10kg、重晶石粉5kg放入攪拌機中攪拌均勻，然后邊攪拌邊加入3kg水，使黃土、 重晶石粉跟水混合，得到可塑狀的混合材料a。(2)材料b的配置
取水泥7. 5kg、黃土 7. 5kg放入攪拌機中攪拌均勻，然后邊攪拌邊加入4. 5kg水，使水 泥、黃土跟水混合，得到可塑狀的混合材料b。B、可拆卸箱子裝配
利用一種多互層模型材料的薄層切割裝置中的可拆卸箱子?？刹鹦断渥庸布庸び腥?個，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。鑒 于在切割和搬動的過程中試樣邊緣可能會折斷或被碰掉，所以第三箱子略小于第一箱子和 第二箱子。壓縮前，先將第一箱子和第三箱子的四個側壁和底板用螺栓裝配連接，等第D步 完成后再同樣裝配第三箱子。C、預壓
把制備好的材料a放到第一箱子中，材料b放在第二箱子中。將第一箱子和第二箱子 分別加上壓板，放到MTS壓力試驗機上在50-70分鐘內(nèi)均勻加壓至150KN，然后穩(wěn)壓50-70 分鐘。D、切片
預壓之后，從壓力試驗機上取下第一箱子，拆除第一箱子的三個側壁。把成型的材料 a連同后板和底板一起放置在角鋼框架底座上，水平向前推動推架，當推架上的鋼絲到達模 型材料塊體的后端時，拆下第一箱子的后壁，使推架上的鋼絲平穩(wěn)地切過模型材料塊體。同樣對材料b進行切片預壓之后，從壓力試驗機上取下第二箱子，拆除第二箱子 的三個側壁。把成型的材料b連同后板和底板一起放置在角鋼框架底座上，水平向前推動 推架，當推架上的鋼絲到達模型材料塊體的后端時，拆下第二箱子的后壁，使推架上的鋼絲 平穩(wěn)地切過模型材料塊體。E、吸附、平移和疊加
針對實際工程中互層巖體界面的抗拉強度、抗剪強度等特性不同，考慮多種粘結強 度，按照不同的厚度比及拓撲特性的要求，利用一種模型材料(水泥、黃土和重晶石粉及其 混合材料)軟薄層吸附平移裝置，將由材料a和材料b切出的薄層交替的疊放到第三箱子的 底板上，堆砌到24-26cm。該吸附平移裝置包括吸塵器、鋼絲軟管、吸附盤框架、多孔板、把手及氣流閥，通過調(diào)節(jié)吸塵器檔位及氣流閥，使得吸附盤內(nèi)形成一定壓力(0. 005-0. IMPa)的 低壓(小于外部大氣壓)區(qū)，可將模型材料軟薄層平穩(wěn)地吸附并搬移。F、修葺和再壓
模型材料堆砌完之后，用鋼鋸將堆砌體進行修葺，然后將第三箱子的三個側壁裝 上，側壁的作用是避免加壓過程中堆砌體產(chǎn)生過大的縫隙或折皺。用恒定的加載速率加載， 直到沉降穩(wěn)定。壓縮完成后，再以恒定的速率將壓力緩慢卸載，避免在互層模型材料塊體內(nèi) 部產(chǎn)生張拉裂縫，從而得到完整的由材料a、b組成的互層塊體。G、凝固
試樣做好之后，即用濕抹布罩住試樣和第三箱子，保持在室溫(20-25°C)，直到初 凝結束。隨后拆除可拆卸第三箱子的側壁，根據(jù)每種材料的性能要求，在固化室里保持室溫 (20-250C )和相對濕度95%，凝固樣品28天。H、試件加工
互層模型材料塊體凝固完成后，即可對其實施鉆孔取樣。鉆孔時，配合一種支撐面傾 角可調(diào)節(jié)的巖樣鉆取支架，對交互層狀相似材料塊體鉆孔，制成具有不同層面傾角(0°、 15°、30°、45°、60°、75°、90° )的交互層狀標準試樣試件。本發(fā)明提出了一種解決互層復合巖體物理模擬問題的方法，主要優(yōu)點有
1)工藝流程簡單、明確、效率高，大大縮短了模型材料試件的制作周期；
2)可靠性高，各分層的模型材料薄層制作均勻；
3)模擬范圍廣，可以模擬擁有不同巖性、不同層厚比、不同層間膠結和不同層面 傾角的層狀巖體；
4)應用前景廣闊，經(jīng)濟效益顯著，可以廣泛應用于能源、礦山、邊坡等領域中與 層狀復合巖體相關的巖土工程地質(zhì)力學物理模擬試驗研究。


圖1為一種交互層狀模型材料試件制備方法加工成的試件0°示意圖。圖2為一種交互層狀模型材料試件制備方法加工成的試件15°示意圖。圖3為一種交互層狀模型材料試件制備方法加工成的試件30°示意圖。圖4為一種交互層狀模型材料試件制備方法加工成的試件45°示意圖。圖5為一種交互層狀模型材料試件制備方法加工成的試件60°示意圖。圖6為一種交互層狀模型材料試件制備方法加工成的試件75°示意圖。圖7為一種交互層狀模型材料試件制備方法加工成的試件90°示意圖。
具體實施例方式實施例1
本發(fā)明配合一種多互層模型材料的薄層切割裝置和一種模型材料軟薄層吸附平移裝 置使用。本發(fā)明根據(jù)多互層復合巖體各層的物理力學屬性，配比了多種相似模型材料；利 用一種多互層模型材料的薄層切割裝置，對各種模型材料塊體進行切片，獲取模型材料薄 層；再利用一種模型材料軟薄層吸附平移裝置，將切割獲得的不同材料的薄層交互疊加在 一起，根據(jù)試驗要求疊加時在交界面上鋪設粘結材料；然后，將疊加后的模型材料塊體放在壓力試驗機上，對其進行加壓以便使其固結直至符合試驗要求，獲得交互層狀模型材料塊 體；最后，利用一種支撐面傾角可調(diào)節(jié)的巖樣鉆取支架，對交互層狀相似材料塊體進行鉆孔 取樣，制成具有不同層面傾角的交互層狀標準試樣試件。利用獲得的標準試件即可進行巖 石力學試驗，獲得相應的試驗數(shù)據(jù)?！N交互層狀模型材料試件制備方法，其具體步驟如下 A、模型材料準備
根據(jù)擬模擬的層狀復合巖體的物理力學屬性，考慮物理模擬試驗的相似要求，配比兩 種相似模型材料，分別命名為材料a和b。其中材料a為黃土、重晶石粉和水的混合材料，質(zhì) 量配比為黃土 重晶石粉水=1 0. 5 0. 3 ；材料b為水泥、黃土和水的混合材料，質(zhì)量配比 為水泥黃土 水=1 :1 :0. 6。配置過程如下 (1)材料a的配置
取黃土 IOkg或Ilkg或12kg或13kg或15kg、重晶石粉5kg或4kg或3kg或2kg或 1. 5kg放入攪拌機中攪拌均勻，然后邊攪拌邊加入3kg或3. 3kg或3. 6kg或3. 9kg或4. 5kg 水，使黃土、重晶石粉跟水混合，得到可塑狀的混合材料a。(2)材料b的配置
取水泥 7. 5kg 或 8kg 或 8. 5kg 或 9kg 或 IOkg 或 12kg、黃土 7. 5kg 或 7kg 或 6. 5kg 或 6kg或5kg或3kg放入攪拌機中攪拌均勻，然后邊攪拌邊加入4. 5kg4. 4kg或4. 3kg或4. 2kg 或4. Okg或3. 6kg水，使水泥、黃土跟水混合，得到可塑狀的混合材料b。B、可拆卸箱子裝配
利用一種多互層模型材料的薄層切割裝置中的可拆卸箱子。可拆卸箱子共加工有三 個，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。鑒 于在切割和搬動的過程中試樣邊緣可能會折斷或被碰掉，所以第三箱子略小于第一箱子和 第二箱子。壓縮前，先將第一箱子和第三箱子的四個側壁和底板用螺栓裝配連接，等第D步 完成后再同樣裝配第三箱子。C、預壓
把制備好的材料a放到第一箱子中，材料b放在第二箱子中。將第一箱子和第二箱子分 別加上壓板，放到MTS壓力試驗機上在50或55或60或65或70分鐘內(nèi)均勻加壓至150KN， 然后穩(wěn)壓50或55或60或65或70分鐘。D、切片
預壓之后，從壓力試驗機上取下第一箱子，拆除第一箱子的三個側壁。把成型的材料 a連同后板和底板一起放置在角鋼框架底座上，水平向前推動推架，當推架上的鋼絲到達模 型材料塊體的后端時，拆下第一箱子的后壁，使推架上的鋼絲平穩(wěn)地切過模型材料塊體。同樣對材料b進行切片預壓之后，從壓力試驗機上取下第二箱子，拆除第二箱子 的三個側壁。把成型的材料b連同后板和底板一起放置在角鋼框架底座上，水平向前推動 推架，當推架上的鋼絲到達模型材料塊體的后端時，拆下第二箱子的后壁，使推架上的鋼絲 平穩(wěn)地切過模型材料塊體。E、吸附、平移和疊加
針對實際工程中互層巖體界面的抗拉強度、抗剪強度等特性不同，考慮多種粘結 強度，按照不同的厚度比及拓撲特性的要求，利用一種模型材料軟薄層吸附平移裝置，將由材料a和材料b切出的薄層交替的疊放到第三箱子的底板上，堆砌到24或25或26cm。該 吸附平移裝置包括吸塵器、鋼絲軟管、吸附盤框架、多孔板、把手及氣流閥，通過調(diào)節(jié)吸塵器 檔位及氣流閥，使得吸附盤內(nèi)形成一定壓力為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的低壓區(qū)，可將模型材料軟薄層平 穩(wěn)地吸附并搬移。F、修葺和再壓
模型材料堆砌完之后，用鋼鋸將堆砌體進行修葺，然后將第三箱子的三個側壁裝 上，側壁的作用是避免加壓過程中堆砌體產(chǎn)生過大的縫隙或折皺。用恒定的加載速率加載， 直到沉降穩(wěn)定。壓縮完成后，再以恒定的速率將壓力緩慢卸載，避免在互層模型材料塊體內(nèi) 部產(chǎn)生張拉裂縫，從而得到完整的由材料a、b組成的互層塊體。。G、凝固
試樣做好之后，即用濕抹布罩住試樣和第三箱子，保持在室溫20或22或24或 25°C，直到初凝結束。隨后拆除可拆卸第三箱子的側壁，根據(jù)每種材料的性能要求，在固化 室里保持20或22或24或25 °C，和相對濕度95%，凝固樣品28天。H、試件加工
互層模型材料塊體凝固完成后，即可對其實施鉆孔取樣。鉆孔時，配合一種支撐面傾 角可調(diào)節(jié)的巖樣鉆取支架，對交互層狀相似材料塊體鉆孔，制成具有不同層面傾角(0°、 15°、30°、45°、60°、75°、90° )的交互層狀標準試樣試件。
權利要求
一種交互層狀模型材料試件制備方法，其作步驟是A、模型材料準備配比兩種相似模型材料，分別為材料a和b，其中材料a為黃土、重晶石粉和水的混合材料，質(zhì)量配比為黃土重晶石粉水=1 50.5 20.3 2.4；材料b為水泥、黃土和水的混合材料，質(zhì)量配比為水泥黃土水=1 20.5 10.5 1，配置過程如下 (1)材料a的配置取黃土、重晶石粉放入攪拌機中攪拌均勻，然后邊攪拌邊加入水，使黃土、重晶石粉跟水混合，得到可塑狀的混合材料a；(2)材料b的配置取水泥、黃土放入攪拌機中攪拌均勻，然后邊攪拌邊加入水，使水泥、黃土跟水混合，得到可塑狀的混合材料b；B、可拆卸箱子裝配利用一種多互層模型材料的薄層切割裝置中的可拆卸箱子，可拆卸箱子共加工有三個，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，壓縮前，先將第一箱子和第三箱子的四個側壁和底板用螺栓裝配連接，等第D步完成后再同樣裝配第三箱子；C、預壓把制備好的材料a放到第一箱子中，材料b放在第二箱子中，將第一箱子和第二箱子分別加上壓板，放到MTS壓力試驗機上在50 70分鐘內(nèi)均勻加壓至150KN，然后穩(wěn)壓50 70分鐘；D、切片預壓之后，從壓力試驗機上取下第一箱子，拆除第一箱子的三個側壁，把成型的材料a連同后板和底板一起放置在角鋼框架底座上，水平向前推動推架，當推架上的鋼絲到達模型材料塊體的后端時，拆下第一箱子的后壁，使推架上的鋼絲平穩(wěn)地切過模型材料塊體；同樣對材料b進行切片預壓之后，從壓力試驗機上取下第二箱子，拆除第二箱子的三個側壁，把成型的材料b連同后板和底板一起放置在角鋼框架底座上，水平向前推動推架，推架上的鋼絲到達模型材料塊體的后端時，拆下第二箱子的后壁，使推架上的鋼絲平穩(wěn)地切過模型材料塊體；E、吸附、平移和疊加利用一種模型材料軟薄層吸附平移裝置，將由材料a和材料b切出的薄層交替的疊放到第三箱子的底板上，堆砌到25cm，該吸附平移裝置包括吸塵器、鋼絲軟管、吸附盤框架、多孔板、把手及氣流閥，通過調(diào)節(jié)吸塵器檔位及氣流閥，使得吸附盤內(nèi)形成壓力為0.005 0.1MPa的低壓區(qū)，將模型材料軟薄層平穩(wěn)地吸附并搬移；F、修葺和再壓模型材料堆砌完之后，用鋼鋸將堆砌體進行修葺，然后將第三箱子的三個側壁裝上，用恒定的加載速率加載，直到沉降穩(wěn)定，壓縮完成后，再以恒定的速率將壓力緩慢卸載，得到完整的由材料a、b組成的互層塊體；G、凝固試樣做好之后，即用濕抹布罩住試樣和第三箱子，保持在室溫20 25℃，直到初凝結束，隨后拆除可拆卸第三箱子的側壁，在固化室里保持室溫20 25℃和相對濕度95%，凝固樣品28天；H、試件加工 互層模型材料塊體凝固完成后，對其實施鉆孔取樣，鉆孔時，配合一種支撐面傾角可調(diào)節(jié)的巖樣鉆取支架，對交互層狀相似材料塊體鉆孔，制成不同層面傾角0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的交互層狀標準試樣試件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種交互層狀模型材料試件制備方法，其作步驟是A、模型材料準備(1)材料a的配置，取黃土、重晶石粉放入攪拌機中攪拌均勻，加入水，得到可塑狀的混合材料a；(2)材料b的配置，取水泥、黃土放入攪拌機中攪拌均勻，加入水，得到可塑狀的混合材料b；B、可拆卸箱子裝配；C、預壓把制備好的材料a、b放在箱子中，分別加上壓板，放到MTS壓力試驗機上加壓；D、切片；E、吸附、平移和疊加；F、修葺和再壓；G、凝固H、試件加工制成不同層面傾角的交互層狀標準試樣試件。工藝流程簡單、明確、效率高，縮短了制作周期；可靠性高，各分層的模型材料薄層制作均勻；應用前景廣闊，經(jīng)濟效益顯著。
文檔編號C04B28/00GK101913818SQ20101027053
公開日2010年12月15日 申請日期2010年9月2日 優(yōu)先權日2010年9月2日
發(fā)明者屈丹安, 張桂民, 施錫林, 李銀平, 楊春和 申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所