[发明专利]联合探测物理模型试验的相似材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种模型试验相似材料，更具体涉及一种能够同时满足地震法、电磁法、电法联合探测物理模型试验的相似材料及其制备方法。

背景技术

我国水利水电、交通、能源等领域中存在着大量地下岩土工程。在工程施工过程中，如果预先不能探明地下地质情况，往往会出现无法预料的工程地质灾害，特别是在隧道施工过程中，由于开挖所诱发的各类地质灾害具有不可选择性、复杂性、特殊性和突发性，常常成为制约隧道修缮的最主要因素；并且根据探测结果，精确开采能源，合理设计方案，能够大量的节约投资成本。在地下探测过程中，地震法、电磁法、电法等是很重要的地球物理方法，在工程生产中有重大的意义。对地下即将施工的地质条件和可能地质灾害开展地球物理探测，将对工程的正常施工和顺利竣工发挥举足轻重的作用。成功的探测促使施工及时采取应对措施，防患于未然；反之，则往往在突发的地质灾害面前束手无策，使施工遭受重大挫折。

地球地下地质的类型及其空间分布较为复杂，为了更好地了解地质情况，进行安全而准确的施工，就需要开展一系列的物理模拟实验。相似模型试验是按一定的几何、物理关系，用模型代替原型进行测试研究，并将研究结果用于原型的试验方法,根据相似原理对特定工程地质问题进行缩尺研究的有效手段，可以比较全面地、真实地模拟复杂地下工程结构、复杂地质构造、复杂地下岩层组合关系。

模型材料的选取是模型试验中最重要的基础性环节，在模型试验中，一个好的围岩相似材料能够起到事半功倍的效果。岩石相似材料应同时满足波速、电阻率相似的要求，要找到完全相似的模型材料十分困难，通常根据需要研究的课题性质，经过大量实验和分析，寻找满足主要参数相似的材料。

以往的相似材料大多是针对力学试验而研制的，针对地球物理探测模型试验的相似材料却为数不多。用于地球物理探测的相似材料研究现状如下：

《物探与化探》1985年第6期，介绍了用一些方法来控制和改变模型材料的波速。比较成功和常用的方法大体可分为三类：

（1）粘合方法；粘合法的优点是：有定量的近似理论公式，将两种不同波速的模型材料粘合就可得到两种波速间任意波速的新模型材料。其缺点是：粘合方法要求λ＞＞D或λ＞＞h，限制了粘合方法的应用范围；且两层间的粘合工艺要求较高。

（2）钻孔方法；钻孔方法的优点在于，可以通过孔距、孔直径、孔中填充物的种类来改变材料的波速大小；缺点：实施工程较为复杂，价格较贵，且波速只能在原材料的基础上进行小幅度的改变。

（3）混合方法。混合方法目前有：环氧树脂—石英砂混合模型材料、水泥—玻璃屑和水泥—刚玉粉混合模型材料、水—甘油—明胶混合模型材料、水—酒精—甘油混合的液体混合材料等。

目前，通过以上的三种方法，所能得要的相似材料只能用于地震法等对波速有限制的预报模型试验，并不适用于电磁法等预报方法。

《岩石力学与工程学报》2009年第2期中在进行物理模型试验为在电导率为0.5S·m^-1的均匀介质中进行模拟实验。其优点：该材料能够较好的对电阻率相似进行模拟；缺点：不适用于地震法探测物理模型试验。

《现代隧道技术》2013年第1期，西南交通大学发表的《隧道全空间瞬变电磁响应的物理模拟》一文中，介绍了一种用一定浓度的盐水来模拟相似材料。根据盐水浓度的增大其电导率随之增大，通过对浓度和温度的控制，来制作所需要的相似材料。其缺点为：由于材料为液体，不适用于大比例模型试验。

在使用地震法、电磁法、电法联合探测物理模型试验中，对相似材料的要求更为苛刻，需要同时满足电阻率和波速要求的材料来进行相似模型试验。到目前为止，没有能够同时满足电阻率要求和波速要求的相似材料。因此，我们急需一种相似材料，主要参数能够满足地震波场、电磁场与直流电场多场相似要求，以更精确的模拟实际地质情况。根据可靠的地质探测结果数据，为探测地球内部结构与构造、寻找能源、资源和环境监测提供理论、方法和技术，为灾害预报提供重要依据，变更及优化设计，制定正确的施工组织，可快速施工，缩短或不延误工期。

例如在地下隧道施工中，通过精确的地球物理探测，避免许多因地质情况突变而发生的大坍方、突泥突水等灾害。坍方、突水等灾害的发生，往往造成伤亡事故，延误工期的严重后果，尤其像大型的TBM掘进机，超前地质预报的精确度是非常有必要的，否则会造成机毁人亡，其经济损失是巨大的，因此如何选取地球物理探测模型试验的相似材料是非常重要的。

发明内容