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原文传递一种边坡模型软弱结构面降强材料及模拟方法和应用

专利名称：	一种边坡模型软弱结构面降强材料及模拟方法和应用
摘要：	本发明属于边坡地质力学模型材料配制技术领域，公开了一种边坡模型软弱结构面降强材料及模拟方法和应用，将加入重晶石粉的质量单位定为100，其它成分含量与重晶石粉的质量比定为加入比例；通过比例调节，同时在敷填软料上加聚四氟乙烯薄膜、聚乙烯薄膜或蜡纸等不同的薄膜，开展常温下的抗剪断强度试验，实现模型降强材料的抗剪断强度τ从0.001MPa～1MPa，相似比为1:200情况下，原型结构面的抗剪断强度为0.1MPa～200MPa的相似模拟。本发明通过对结构面材料温度的调节使石蜡材料逐步溶解，增加结构面软弱模型材料的湿度，改变材料的凝聚力和摩擦形式，使得材料的抗剪断强度τ逐步降低，达到结构面材料弱化的效应。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	四川;51
申请人：	四川大学
发明人：	杨宝全;张芮瑜;董建华;陈建叶;陈媛;张林;杨庚鑫;胡成秋;罗敏;刘子安
专利状态：	有效
申请日期：	2019-07-25T00:00:00+0800
发布日期：	2019-10-25T00:00:00+0800
申请号：	CN201910678117.8
公开号：	CN110376076A
代理机构：	北京众合诚成知识产权代理有限公司
代理人：	张鹏
分类号：	G01N3/24(2006.01);G;G01;G01N;G01N3
申请人地址：	610065 四川省成都市武侯区一环路南一段24号
主权项：	1.一种边坡模型软弱结构面降强材料，其特征在于，所述边坡模型软弱结构面降强材料按质量份计由重晶石粉100份、半精炼石蜡4-6份和32号液压机油8-12份组成。 2.如权利要求1所述的边坡模型软弱结构面降强材料，其特征在于，所述重晶石粉的粒径≤200目；石蜡为半精炼石蜡：熔点54-60℃。 3.一种如权利要求1所述边坡模型软弱结构面降强材料的制备方法，其特征在于，所述边坡模型软弱结构面降强材料的制备方法包括：首先将重晶石粉和石蜡混合均匀；然后于温度90℃烘3个小时，取出冷却至室温，将32号液压机油加入到烘干的重晶石粉和石蜡中混合均匀；最后将混合好的材料用粒径≤1mm的筛子进行筛分，筛分好的混合料即可作为备料使用。 4.一种如权利要求1所述边坡模型软弱结构面降强材料的模拟方法，其特征在于，所述边坡模型软弱结构面降强材料的模拟方法包括以下步骤：第一步，选取含泥量小于2％的重晶石粉作为加重料，加入重晶石粉的质量单位定为100，重晶石粉100份、半精炼石蜡4-6份和32号液压机油8-12份的质量比定为加入比例；第二步通过石蜡、机油二者参合比例调节，同时在敷填软料上加聚四氟乙烯薄膜、聚乙烯薄膜或蜡纸不同的薄膜；相似比为1:200情况下，原型结构面的抗剪断强度为0.1MPa～200MPa的相似模拟；第三步，开展选定配比模型降强材料的升温降强剪切试验，获得材料抗剪断强度与温度的关系曲线；第四步，模型制作，制作断层结构面的时候采用敷填法；第五步，在整个边坡模型的降强阶段试验中，通过升温的办法使得石蜡溶解，抗剪强度降低，通过曲线，降多少强度，对应的升高的温度是知道的，实现准确的降强。 5.如权利要求4所述的边坡模型软弱结构面降强材料的模拟方法，其特征在于，所述第四步具体包括：①在软弱结构面下盘岩体顶面开挖沟槽，布置升温用电阻丝，模型中所采用的电阻丝是电压220V，功率在300W～800W之间的电炉丝；②采用敷填法将配置好的模型降强材料敷填在电阻丝上面，根据原型断层的厚度，敷填的厚度是2mm-10mm，加上通过材料试验选好的聚四氟乙烯薄膜、聚乙烯薄膜或蜡纸等不同的薄膜，再砌筑结构面的上盘；同时在模型中安装升温系统和温度测试系统。 6.如权利要求4所述的边坡模型软弱结构面降强材料的模拟方法，其特征在于，所述边坡模型软弱结构面降强材料的模拟方法进一步包括：结构面抗剪断强度摩擦因素f'的模拟采用具有不同粗糙面、防潮性能较好的薄膜材料模拟；粘聚力C‘则通过敷设软料的厚度调节，具体操作步骤如下：岩体结构面f'的模拟采用具有不同粗糙面、防潮性能较好的薄膜材料来模拟；采用变角板剪切法，变角板剪切法通过极限平衡分析法的原理，通过试验获得法向压应力与下滑力之间的关系曲线，求得对应薄膜材料的摩擦角，获得f'值，将模型块体固定在夹板上，模拟结构面下盘岩体，在模型块体上敷设所需测试的薄膜材料；然后取相同的模型块体放置在薄膜材料上模拟结构面上盘岩体，通过下部油压千斤顶逐步抬升夹板水平夹角，直至上下盘块体发生剪切滑动为止，获得此时的旋转角度获得f'值。 7.如权利要求6所述的边坡模型软弱结构面降强材料的模拟方法，其特征在于，所述进一步岩体结构面的C‘的模拟采用敷设模拟材料实现，以重晶石粉、机油、石蜡为主要成分的混合料，用以模拟岩体结构面的力学参数，并通过其敷设厚度的调整达到岩体结构面C‘的相似模拟；具体操作步骤：在模型砌筑时，用模型块体先制作好岩体结构面下盘岩体，根据软料材料试验的成果，将软料敷设在结构面岩体下盘之上，再将薄膜按照要求铺垫在软料之上，并配合上盘岩体的砌筑，完成岩体结构面的砌筑与模拟；岩体结构面C‘的测试通过直剪法进行，通过直剪法以及相应的量测设备，可对结构面模型材料的强度和变形特征，获得结构面模型材料破坏规律。 8.如权利要求4所述的边坡模型软弱结构面降强材料的模拟方法，其特征在于，所述第五步具体包括：对结构面LS337和C3-1进行结构面力学参数的弱化，安装电阻丝和温度巡检仪等配套设施；结构面的制模与加工采用不同薄膜材料的软弱结构面相似材料进行模拟，在砌筑至附近块体时，结合相应的地质剖面图确定软弱结构面的产状，再按照结构面的产状走向及倾斜角度进行砌筑，同时根据结构面上不同区域的力学参数进行结构面、变温相似材料、电阻丝、温度巡检仪的敷填与安装； (1)在模型岩体结构面进行砌筑时，缓倾角结构面LS337的不同力学参数，在1区(J110～f114外围),τ(f’，c’)为τ(0.4，0.1)、在2区(J110～f114范围内τ(f’，c’)为τ(0.38，0.05)，需要对电阻丝的布置、引出线的走向、调压器的分类控制进行改进和提升；对于不同的力学参数区域需要进行分组电阻丝的走线布置；当结构面材料抗剪断强度弱化20％时，缓倾角结构面LS337在1区的温度值为32°，拟定进行模型试验时当天稳定为5°，则根据热传导公式： Q＝cmΔt；式中：Q表示热量，单位J，单位为焦耳；c表示比热容，单位J/kg·℃；m表示质量，单位千克；t表示温度变化值，单位℃； (2)重晶石粉比热容c为480.33J/kg·℃、质量m为0.8kg、Δt变化值为20°，则根据公式Q＝cmΔt可知，在结构面力学参数弱化20％时所需要的热量Q＝7685.28焦耳； (3)在缓倾角结构面LS337的1区内共需要串联近6根电阻丝，长度近60m；电阻率为0.017Ω·mm2/m，截面面积取0.01mm2，则1区范围内的电阻为102Ω；试验中，升温为20°，按照每个温度步升2°，间隔时间为20分钟计算，所需时间t为200分钟，则计算在不考虑热量损耗情况下的所需电压U为62.6V； (4)在边坡地质力学模型大面积升温弱化结构面力学参数的试验过程中，缓倾角结构面LS337的1区采用Umax＝63V，t为200min，ΔT＝2°时能有效的满足结构面弱化的需要；缓倾角结构面LS337的2区的Umax＝22V，t为200min，Δt＝20min，ΔT＝2°时能有效的满足结构面弱化的需要；缓倾角结构面C3-1的Umax＝60V，t为200min，Δt＝20min，ΔT＝2°时能有效的满足结构面弱化的需要。 9.一种如权利要求4所述的边坡模型软弱结构面降强材料的模拟方法使用的降强材料检测系统，其特征在于，所述降强材料检测系统包括：升温系统和温度监控系统；升温系统由调压器、电阻丝和引出线组成，调压器用于改变电阻丝两端的电压，通过电阻发热量的调节来改变结构面温度；电阻丝则埋设在结构面下盘岩体之上，作为改变结构面弱化材料温度的直接组成；温度监控系统为模型外部的温度巡回检测仪，埋设在结构面材料中的热电偶以及两者的连接线，通过温度巡回检测仪监控各埋设部位的温度值。 10.一种应用权利要求4～8任意一项所述边坡模型软弱结构面降强材料的模拟方法在岩质边坡地质力学模型测试系统。
所属类别：	发明专利