[发明专利]一种松散颗粒体地层的相似材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种松散颗粒体地层的相似材料及其制备方法，该相似材料是由不同含量的2～4目石英砂、10～20目石英砂、20～40目石英砂、150目重晶石粉及600目重晶石粉组成，形成悬浮密实型、骨架密实型、骨架空隙型三类松散颗粒体相似材料，该松散颗粒体地层的相似材料具有相似度高、配制简单、可调性强、制作与使用成本低、可重复利用等优点，可用于该类地层中基坑与隧道开挖破坏试验、地层应力与变形研究试验及降水及渗透试验，实现该类地层结构上非连续性、离散性、高渗透性、弱胶结性等特点的模拟。

技术领域

本发明涉及材料模型试验领域，具体为一种松散颗粒体地层的相似材料及其制备方法。

背景技术

利用模型试验可缩小需观测的天然原型、缩短观测过程以及孤立抽取过程中的某些因素，从而易于比较、观察及发现其因果关系。近些年，随着漂卵石、砂卵石等松散颗粒体地层隧道、基坑建设数量的增多，松散颗粒体地层中需要研究的问题越来越多，针对松散颗粒体地层的模型试验也日益增多。松散颗粒体地层是由不同颗粒粒径的漂石、卵石、中粗砂及泥土组成，具有渗透系数大、离散型强、不易变形、胶结性差、级配组成变化大等特殊性质。在传统的模型试验中，通常采取石膏、PbO粉、膨润土、粘土、河沙、铁粉、凡士林、石蜡、水等材料来制作成较为均质的相似材料，作为模型试验中的岩质地层或土质地层，进行相关的应力与变形测试类模型试验。

这些材料在模拟较为均质的岩质地层、粘土与黄土地层中，效果均较为理想，但在松散颗粒体地层的隧道、基坑及渗流降水的模型试验中，传统的相似材料有很大的缺陷，主要表现为：(1)无法模拟松散颗粒体地层中级配颗粒的离散型，使地层在整体变形与应力传递方面存在误差；(2)无法模拟隧道或基坑开挖后，松散颗粒体地层在无支护形态或弱支护形态上的渐进性破坏规律；(3)该类材料在渗流模型试验中渗透系数很难达到相似比要求，且材料容易在浸水后发生物理上或化学上的变化导致试验结果偏差严重。

因此，选择松散颗粒体地层相似材料时，必须要考虑其地层级配组成特征和结构性能特征，实现该类地层结构上非连续性、离散性、高渗透性、弱胶结性等特点的模拟，只有满足这些条件才能得到可靠的试验结果。

发明内容

为克服传统模型试验中地层相似材料在模拟松散颗粒体地层上的不足，本发明提供了一种新的松散颗粒体地层相似材料，并介绍了其在不同试验中的制备方法，具有相似度高、配制简单、调节范围大、应用范围广、可重复利用的特点。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种松散颗粒体地层的相似材料，包括用于作为骨架的巨粒材料，作为充填填隙的粗粒粒组以及用于作为充填胶结的细粒粒组，

所述巨粒材料为2～4目石英砂；粗粒粒组包括10～20目石英砂和20～40目石英砂；细粒粒组包括150目重晶石粉和600目重晶石粉。

优选的，所述相似材料包括悬浮密实型地层相似材料、骨架空隙型地层相似材料和骨架空隙型地层相似材料。

优选的，所述悬浮密实型地层相似材料，按质量百分比，包括5％～10％的2～4目石英砂、10％～20％的10～20目石英砂、15％～25％的20～40目石英砂、20％～30％的150目重晶石粉和25％～35％的600目重晶石粉；

所述骨架空隙型地层相似材料，按质量百分比，包括30％～40％的2～4目石英砂、30％～40％的10～20目石英砂、5％～15％的20～40目石英砂、5％～15％的150目重晶石粉和5％～15％的600目重晶石粉；

所述骨架密实型地层相似材料，按质量百分比，包括20～30％的2～4目石英砂、20～30％的10～20目石英砂、0.5～5％的20～40目石英砂、20％～30％的150目重晶石粉和20％～30％的600目重晶石粉。

一种松散颗粒体地层的相似材料的制备方法，包括以下步骤：