[发明专利]用于流-固耦合模型试验的断层相似模拟材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于流-固耦合模型试验的断层相似模拟材料及其制备方法，属于材料科学技术领域。

背景技术

当前许多学者通过大量的地质力学模型试验来研究地下工程设计和施工方法的优化，进行施工过程力学规律的探索。但是现在的地下工程模型试验存在着许多明显的不足，尤其是在相似材料的研发方面，以前大多数注重模拟物理特性方面的相似，很少考虑到材料的水里特性。虽然有极少数考虑到流-固耦合作用，但是模型试验中往往只是采用一种围岩的相似材料，比较均一，难以反应复杂地质条件下的渗流变化，如含断层的情况下围岩与断层的渗水流量以及其他一些应力位移的差异。对围岩相似材料的研发比较常见，但是断层相似材料的配比却十分罕见。

发明内容

针对上述现有技术，为克服现有技术的不足，本发明提供了一种用于流-固耦合模型试验的断层相似模拟材料，该种材料采用石膏作为胶结剂，实现对断层流-固耦合特性的模拟；采用滑石粉和石英砂作为调节剂，调节材料重度；采用凡士林作为阻水剂，调节材料的渗透性，同时也作为材料的塑性胶结剂，用于模拟不同渗透性件下的断层的流-固耦合特性，实现在同一实验中与围岩流-固耦合特性的实时对比，本发明还提供了其制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于流-固耦合模型试验的断层相似模拟材料，是由以下重量份的组分组成的：石英砂1份，滑石粉0.05～0.25份，石膏粉0.05～0.15份，凡士林0.08～0.2份，水0.1～0.2份。

优选的，是由以下重量份的组分组成的：石英砂1份，滑石粉0.07份，石膏粉0.1份，凡士林0.16份，水0.15份。

所述石英砂的粒径小于7mm，且级配均匀。

所述石膏粉的细度为650目

所述滑石粉的细度为1200目。

所述拌合水为普通的饮用水。

所述凡士林为白色无毒的医用级凡士林。

上述用于模型试验的流-固耦合相似材料的制备方法，包括以下步骤：

1）按比例称取石英砂、石膏粉、滑石粉和凡士林；

2）将石英砂、石膏粉、滑石粉三种细粒材料混合并搅拌均匀；

3）加入称量好的拌合水，充分搅拌；

4）将凡士林加热至45℃～60℃，使其熔为液态；

5）将液态凡士林与步骤3）所得材料混合，并充分搅拌；

6）室温下冷却3～7min，即得用于模型试验的流-固耦合相似材料。

本发明的用于流-固耦合模型试验中模拟断层相似材料，采用石膏作为胶结剂，同时配上凡士林用作塑性胶结剂，既避免了材料遇水迅速软化崩解，同时又可以实现材料在渗流发展过程中强度降低渗透性增强这一目的，更好的实现流-固耦合特性的模拟；采用凡士林来调节材料的水理特性，保证材料的水理特性满足实验要求；采用石英砂和滑石粉作为骨料，同时也是调节剂，调节材料的重度以及强度和弹性模量等，材料主要参数范围如表1所示，在单轴抗压条件下的应力应变曲线如图1所示。

表1

本发明的用于流-固耦合模型试验中模拟断层的相似材料，研究了可用模型试验中模拟断层的相似材料的技术方案和制备方法，填补了流-固耦合模型实验中对于断层模拟的材料的空白，既解决了材料遇水迅速软化崩解的问题，同时模拟了材料强度及渗透性随渗流发展的变化。实现了在同一模型实验中同时填上断层和围岩两种相似材料，通过两种材料的实时对比，更好的模拟工程实际的情况，使得出的实验结果更好的去指导工程实际应用。

本发明选用石英砂、滑石粉、石膏粉、凡士林作为组成成分，其中，石膏粉作为主要胶结剂，其力学性质与模型实验材料的要求比较接近，遇水粘结性好，同时随时间的推演可以发生缓慢的变化；滑石粉作为调节剂，主要是调节相似材料的重度，使相似材料满足相似原理的要求；凡士林作为塑性胶结剂和阻水剂，主要是调节相似材料的渗透性以及强度和弹性模量，随着含量的增加，其对强度和弹性模量的调节作用与石膏相反，这样保证了材料的力学性质可以有效调控；通过调节凡士林和石膏粉的比例，可以改变材料的力学特性和水理特性，使得该流-固耦合材料的应用范围变广。另外，调节滑石粉和石英砂的比重，可以调节材料的内摩擦角和粘聚力。

本发明的流-固耦合模型试验中模拟断层的相似材料，具有以下优点：

1、能实现相似材料在水的作用下不会迅速发生软化崩解，而是随着时间的推演力学和渗流特性逐渐发生变化，模拟断层材料在渗流作用的流-固耦合特性；