CN103050052A - 一种用于研究节理岩质边坡的模型及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种用于研究节理岩质边坡的模型及其制作方法。该模型模型的横截面形状为六边形，顶面、坡底面和底面三个面互相平行，顶面和坡底面之间为坡面，边坡倾角的变化范围为30°~75°，顶面和底面间的侧面分别与顶面和底面垂直，坡底面和底面间的侧面与分别与坡底面和底面垂直。类岩石相似材料的配置，节理的制作，模型定型及养护。调整材料的配比能得出不同强度特性的材料；模型的侧面定型装置采用条状模具由螺栓连接而成，上下底面由板材做成，边坡模型的尺寸和边坡倾角由模具控制；模型中节理采用在刻槽中插入软弱薄片的方式制作。本发明制作的模型构造简单，造价低，可用于研究不同形态及不同方位节理对边坡破坏机理的影响。

Description

一种用于研究节理岩质边坡的模型及其制备方法

技术领域

    本发明属于岩土工程领域，涉及一种节理岩质边坡的模型及其制备方法。

技术背景

我国是地质灾害多发的国家，灾害类型多、分布范围广，其中尤以边坡垮塌造成的灾害为巨。在水利、交通和露天开采等岩体工程中，存在大量的岩质边坡，特别在露天开采中，随着开采深度的增大没，渐渐形成许多特大型高陡岩质边坡。岩体由结构面和结构体组成，结构面的存在造成了岩体的结构变得复杂，强度大大降低；在岩质边坡中，往往节理的存在对边坡的稳定性有决定性作。岩质边坡的失稳破坏通常以节理的扩展为破坏源，当节理扩展到一定程度后就造成边坡的失稳，并且破坏面多沿着节理面扩展后形成的贯通节理面。多年来，相关领域的教研以及工程实践人员从不同方面对滑坡产生机理、治理措施的研究工作投入了大量的精力并取得了丰硕的成果。

因利用模型来进行研究具有方便、可控性强、造价低和针对性强等优点，此方法已广泛应用于边坡破坏机理的研究。事实上，通过建立与现场地质体成一定比例关系的模型来进行研究的方法是适用且必不可少的，也就是相似材料试验是行之有用的。已有的边坡模型实验通常只存在于土质边坡模型，对岩质边坡还较少使用，此种方法采用现场取土、室内进行小尺寸模型相似试验，这种实验方法保证了实验中所用模型材料的真实性，但是在取土的过程中也会对土的原状造成扰动，造成实验数据的失真。也有的实验才用相似材料制作边坡模型，但材料模型基本都是固定边坡模型尺寸、固定边坡倾斜角，很少涉及节理的制作，并且对相似材料的力学性质掌控较难，实验方式单一、灵活性不强，所得数据代表性有限，不利于不同工况条件下的滑坡模拟实验的进行。

虽然，模型有别于现场地质体，其试验所得参数往往由于多种原因不能直接应用于工程实践中去，但相似材料模型能对边坡失稳破坏原因和机理进行有针对性的探索，如边坡中节理形态、节理与边坡面的相对位置、节理数量及多节理之间的相互作用等都可通过制作相应的相似材料模型来实验。

 

发明内容

本发明的目的在于制作一种用于研究节理岩质边坡的相似材料模型及提供制作此种模型的方法。本发明制作的一种相似材料边坡模型，拟解决相似材料的配比、边坡倾角的控制、模型尺寸的控制和节理的制作等问题，提出一种能有针对性进行改变的节理岩质边坡相似材料模型的制作方法。

本发明中制做的一种节理岩质边坡的相似材料模型，模型的横截面形状为六边形，顶面、坡底面和底面三个面互相平行，顶面和坡底面之间为坡面，坡面和坡底面的夹角范围是105°~150°，该夹角与边坡倾角互为补角，边坡倾角的变化范围为30°~75°，顶面和底面间的侧面分别与顶面和底面垂直，坡底面和底面间的侧面与分别与坡底面和底面垂直。底面长：顶面和底面的垂直距离：模型的厚=1:(0.7~0.9):(0.08~0.12)，坡底面和底面的垂直距离：顶面和底面的垂直距离=1:(2.5~3)，顶面的长：坡底面长=(1.5~2.5):1。模型中节理设置区域的截面为一直角梯形，直角梯形以坡面为斜边，梯形下底面与坡底面共面，梯形顶面位于坡顶面内，梯形上底面靠近坡面长度为顶面边长的1/4，节理贯穿模型上下面。充填节理采用强度小于0.1MPa的云母片，石蜡片或聚四氟乙烯等薄片进行制作，薄片厚度范围：0.2~0.8mm。模型所用材料为高强石膏，石英砂，重晶石和水按比例配置。所述石英砂为经目数为10的筛筛分后的干燥砂，所用水中加入质量为水质量的0.5%的硼酸。各材料的比例范围占材料总质量百分比为，水10%~35%，石膏15%~35%，重晶石5%~30%，石英砂10%~25%，水和石膏的比例控制在水：石膏=1~1.2:1。

本发明提供一种制作以上节理岩质边坡相似材料模型的方法，包括下述步骤：

第一步：配料。

取高强石膏，石英砂，重晶石和水混合经快速搅拌，得到所需相似材料，搅拌时间一般不超过一分钟，可采用先将颗粒材料搅拌均匀再加水搅拌的方法。所述石英砂为经目数为10的筛筛分后的干燥砂，各材料的比例范围按质量比为，水10%~35%，石膏15%~35%，重晶石5%~30%，砂10%~25%，水和石膏的比例控制在水：石膏=1:1~1.2:1。所述配料水中须加入质量为水质量的0.5%的硼酸作为缓凝剂。

第二步：模型初步定型及节理制作。

材料搅拌完成后，将其均匀倒入定型模具中。在配置好的相似材料倒入模具前将除顶板外各部件由预制螺孔通过螺丝联接起来。通过在顶板和底板上刻槽定位，在配料倒入定型磨具后迅速上好顶板，将预制好的薄片插入刻槽中形成充填节理。所述薄片通常采用强度低于0.1MPa的云母片，石蜡片或聚四氟乙烯等厚度为：0.2~0.8mm的薄片进行制作。通过控制薄片的形状可制作不同形态不同尺寸的节理；可以设置不同数量的节理，并通过在顶底面板上按预设坐标刻槽的方式控制节理间的相对位置及节理倾角。类岩石材料终凝后，将软弱薄片留于材料中，待材料终凝，薄片在边坡模型中形成充填节理；若在初凝后将薄片拔出，因相似材料凝结过程会膨胀，则形成闭合节理；相似材料的膨胀量微小，当薄片材料较厚，则薄片拔出后，相似材料的膨胀不能使节理闭合，形成张开节理。

模型的侧面定型模具由四部件围成，模型底面对应一个部件，模型顶面、坡面和坡底面共同对应一个部件，其余两侧面各对应一个部件。模具表面须平整，能有一定的抗弯承载能力，能重复利用，可由钢材、铝材、塑料或木材等可塑形材料制作。所述模型顶面和底面的部件可为树脂板、胶合板、玻璃板或塑料板，保证表面平整、不易变形。边坡模型坡角由模型顶面、坡面和坡底面定型部件决定，因此模具的制作应该做到尺寸和角度精准，改变模型顶面、坡面和坡底面定型部件的倾斜角能制作不同倾角的边坡模型。

第三步：模型的成形及养护。

待材料初凝45~60分钟后拆模，将模型置于温度为35°C左右的干燥环境中静置养护15天，即制作完成边坡模型。

本发明可制作不同类型的节理，类岩石材料终凝后，将软弱薄片留于材料中，待材料终凝，薄片在边坡模型中形成充填节理；所述节理也可制作成闭合节理或张开节理，此时采用金属薄片作为插片，金属片的厚度0.2~0.5mm；闭合节理采用在材料初凝后拔出薄片，利用材料的体积膨胀形成；张开节理在材料终凝成型后拔出插片形成张开节理。若采用褶皱形的薄片，则可制作不同表面形貌的节理。也可通过此种方法制作不同数量的节理。

本发明制作的模型构造简单，造价低，可用于研究不同形态及不同方位节理对边坡破坏机理的影响。该模型制作方法中所使用的模具和板材加工工艺简单；配置相似材料所用原材料成本低廉来源广泛，另外，由于石膏的初凝时间短暂，为延长相似材料的初凝时间方便后续操作，在配置用水中加入硼酸作为缓凝剂。通过控制石膏和细砂的比例可以得到不同终凝强度的材料，重晶石可以加大材料的重度；相似材料成型后的强度满足实验要求，力学特性与岩石力学特性有相似性，可以用作类岩石材料进行实验。系统的可调控性大，可根据试验设计的需要，设计模型中节理的方位、形态、节理数量和多节理之间的相对位置，通过调整材料配比能得到不同强度特性的相似材料；该方法制作边坡模型成功率高，从开始制作边坡模型到养护完成所需时间短暂。

本发明的使用范围：

该节理岩质边坡相似材料模型适用于研究节理对岩质边坡失稳破坏的影响。此节理岩质边坡相似材料模型的制作方法，可对不同的节理形态和分布进行调节和控制，制作不同形态节理边坡模型，改变模具倾斜角，可制作不同节理分布以及不同坡角的节理岩质边坡相似材料模型，研究节理在不同坡角岩质边坡失稳破坏过程中的发展过程。

附图说明：

图1为成型后的节理岩质边坡相似材料模型。

图2为节理岩质边坡相似材料模型定型装置三维拆解图。

以上所述各图中1、2、3、4为模型定型装置侧面部件，厚为1㎝，所示孔洞为螺丝孔；5为上下底面部件，上盖板的螺丝孔为下盖板的2倍；6为盖板中预制节理插槽，上下盖板插槽的位置相同；7为成型后的相似材料模型中节理的存在状况，节理贯通模型顶底面；8为边坡角，在模型定型装置中由部件1控制。

具体实施方式

图1中六边形ABCDEG为边坡模型的基本形状，除DE与EG、CD与DE夹角外其余角均为直角。AB为底面长，AG为模型底面和顶面间垂直距离，DE为边坡面，ED与DH夹角为边坡角，CD、EG分别为边坡的顶面和坡底面。直角梯形EDHG为节理的设置区域，其中EF：EG=1:4。

实施例1：制作倾角为70°含单一节理的边坡模型。

(1)按材料配比石膏：重晶石：砂：水=3:1:2:3称量好各种材料，在水中按质量比加入0.5%的硼酸，搅拌均匀。将颗粒材料混合均匀后加水，快速搅拌均匀。

(2)侧面定型装置的四部件采用钢条制作，上下底面板采用树脂板制作，树脂板中有预制刻槽。此边坡模型的尺寸为：底面长40cm，顶面和底面垂直距离30cm，分别由部件2和3控制。顶面长为22cm，破底面长11cm，坡高20cm，边坡倾角为70°，坡高和边坡角由部件1的形状和尺寸控制。节理采用插厚度为0.4mm云母片的方式预制，云母片长为8cm，宽4cm，节理中心位于所述梯形重心，倾角为60°。模型的厚度为4cm。将钢条1、2、3和4用螺栓连接起来，并将底面树脂板用螺栓固定于侧面定型装置上，将搅拌好的材料倒入定型模具中，上好顶面树脂板，将云母片插入树脂板刻槽中。

(3)完成上述操作45分钟后，拆模得初步成型的节理岩质边坡相似材料模型。将拆模后的模型放入将模型置于温度为35°C左右的干燥环境中静置养护2周，即得终凝后的模型。对边坡进行加载让其失稳，可进行边坡稳定性的研究。

实施例2：制作倾角为60°含单一节理的边坡模型。

(1)按材料配比石膏：重晶石：砂：水=1:1:1:1称量好各种材料，在水中按质量比加入0.5%的硼酸，搅拌均匀。将颗粒材料混合均匀后加水，快速搅拌均匀。

(2)侧面定型装置的四部件采用钢条制作，上下底面板采用树脂板制作，树脂板中有预制刻槽。此边坡模型的尺寸为：底面长50cm，顶面和底面垂直距离40cm，分别由部件2和3控制。顶面长为24cm，坡底面长13cm，坡高25cm，边坡倾角为45°，坡高和边坡角由部件1的形状和尺寸控制。节理采用插厚度为0.3mm铁片的方式预制，节理中心位于梯形的中线中点，倾角为65°铁片长为10cm，宽5cm。模型的厚度为5cm。将钢条1、2、3和4用螺栓连接起来，并将底面树脂板用螺栓固定于侧面定型装置上，将搅拌好的材料倒入定型模具中，上好顶面树脂板，将铁片插入树脂板刻槽中。

(3)完成上述操作45分钟后，拔出贴片，拆模得初步成型的节理岩质边坡相似材料模型。将拆模后的模型放入将模型置于温度为35°C左右的干燥环境中静置养护2周，即得终凝后含张开节理的节理岩质边坡模型。

实施例3：制作倾角为45°含单一节理的边坡模型。

(1)按材料配比石膏：重晶石：砂：水=2:1:1:2称量好各种材料，在水中按质量比加入0.5%的硼酸，搅拌均匀。将颗粒材料混合均匀后加水，快速搅拌均匀。

(2)侧面定型装置的四部件采用钢条制作，上下底面板采用树脂板制作，树脂板中有预制刻槽。此边坡模型的尺寸为：底边长65cm，顶面和底面垂直距离50cm，分别由部件2和3控制。顶面长为25cm，坡底面长12cm，坡高30cm，边坡倾角为60°，坡高和边坡角由部件1的形状和尺寸控制。节理采用插厚度为0.5mm云母片的方式预制，倾角为50°在直角梯形的高线的三等分点上做 梯形底边的平行线，节理的中心即位于两平分线的中点，模型的厚度为6.5cm。将钢条1、2、3和4用螺栓连接起来，并将底面树脂板用螺栓固定于侧面定型装置上，将搅拌好的材料倒入定型模具中，上好顶面树脂板，将云母片插入树脂板刻槽中。

(3)完成上述操作45分钟后，拆模得初步成型的节理岩质边坡相似材料模型。将拆模后的模型放入将模型置于温度为35°C左右的干燥环境中静置养护2周，即得含2条节理的节理岩质边坡模型。

Claims (6)

1.一种用于研究节理岩质边坡的模型，其特征在于：模型的横截面形状为六边形，顶面、坡底面和底面三个面互相平行，顶面和坡底面之间为坡面，边坡倾角的变化范围为30°~75°，顶面和底面间的侧面分别与顶面和底面垂直，坡底面和底面间的侧面与分别与坡底面和底面垂直；底面长：顶面与底面的垂直距离：模型的厚=1:(0.7~0.9):(0.08~0.12)，坡底面与底面的垂直距离：顶面与底面的垂直距离=1:(2.5~3)，顶面的长：坡底面长=(1.5~2.5):1；模型中节理设置区域的截面为一直角梯形，直角梯形以坡面为斜边，梯形下底面与坡底面共面，梯形顶面位于坡顶面内，梯形上底面靠近坡面长度为顶面边长的1/4，节理贯穿模型上下面。

2.根据权利要求1所述的一种用于研究节理岩质边坡的模型的制作方法，其特征在于包括下述步骤：

第一步：配料

取高强石膏，石英砂，重晶石和水混合经快速搅拌，得到所需相似材料，搅拌；

第二步：模型初步定型及节理制作

材料搅拌完成后，将其均匀倒入定型模具中，在配置好的相似材料倒入模具前将除顶板外各部件由预制螺孔通过螺丝联接起来，通过在顶板和底板上刻槽定位，在配料倒入定型磨具后迅速上好顶板，将预制好的薄片插入刻槽中形成充填节理；

模型的侧面定型模具由四部件围成，上顶面和下底面部件为板材，各部件之间由螺栓连接，模型底面对应一个部件，模型顶面、坡面和坡底面共同对应一个部件，其余两侧面各对应一个部件；

第三步：模型的成形及养护

待材料初凝45~60分钟后拆模，将模型置于温度为35°C左右的干燥环境中静置养护15天，即制作完成边坡模型。

3.根据权利要求2所述的一种用于研究节理岩质边坡的模型的制作方法，其特征在于：所述石英砂为经目数为10的筛筛分后的干燥砂，各材料的比例范围按质量比为，水10%~35%，石膏15%~35%，重晶石5%~30%，砂10%~25%，水和石膏的比例控制在水：石膏=1:1~1.2:1；所述配料所用水中须加入质量为水质量的0.5%的硼酸作为缓凝剂。

4.根据权利要求2所述的一种用于研究节理岩质边坡的模型的制作方法，其特征在于：通过控制所述薄片的形状制作不同形态不同尺寸的节理；设置不同数量的节理，并通过在顶底面板上按预设坐标刻槽的方式控制节理间的相对位置及节理倾角。

5.根据权利要求2所述的一种用于研究节理岩质边坡的模型的制作方法，其特征在于：步骤1搅拌的时间不超过一分钟，采用先将颗粒材料搅拌均匀再加水搅拌的方法。

6.根据权利要求2所述的一种用于研究节理岩质边坡的模型的制作方法，其特征在于：所述薄片通常采用强度低于0.1MPa的云母片，石蜡片或聚四氟乙烯等厚度为：0.2~0.8mm的薄片进行制作。

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