[发明专利]具有渗流-化学-振动耦合特性灰岩相似材料及配制方法

说明书

本发明属于工程地质模型试验技术领域，公开了一种具有渗流‑化学‑振动耦合特性灰岩相似材料及配制方法，按照组分，所述相似材料包括：骨料：方解石砂、黏土粉和白云石粉；胶结剂：水泥和石膏；添加剂：硼砂、减水剂、纳米氧化铝、水。本发明提出渗流‑化学‑振动耦合相似理论，考虑灰岩成分信息确定了相似材料骨料种类，按照灰岩矿物颗粒级配确定骨料颗粒级配，且考虑灰岩赋存地应力和沉积水环境，确定了试样成型压力和渗透系数相似比，最大程度地还原了灰岩的形成环境，并考虑了振动频率、振动循环次数相似比。本发明创新了渗流‑化学‑振动耦合特性灰岩相似材料和配制方法，为灰岩工程物理模型实验和灾害分析提供坚实的物质和理论基础。

技术领域

本发明属于工程地质模型试验技术领域，特别涉及一种具有渗流-化学-振动耦合特性灰岩相似材料及配制方法。

背景技术

随着地壳浅部可利用资源日渐枯竭，资源开采逐渐走向深部地层；此外，以川藏铁路、锦屏水电站为代表的重大交通、水利基础建设工程中深长隧道(洞)也层出不穷。深部岩石处在高渗透水压力以及复杂的水化学环境之中，高渗透压和地下水化学腐蚀作为影响地下工程长期稳定性的两大重要因素，其对岩体的强度、变形和破坏特征产生不可忽视的弱化影响。然而，长期经受高渗透水压的渗流作用和水化学腐蚀损伤的工程围岩还将承受机械冲击破岩、爆破开挖以及地震等振动荷载，这将发生极其复杂的渗流-化学-振动耦合作用，对地下工程安全和稳定造成很大的威胁。

灰岩是地壳中分布最广的矿产之一，产地遍布全国。灰岩是以方解石为主要成分的碳酸盐岩，按成因分类属于沉积岩。研究灰岩在渗流-化学-振动耦合作用下的渗透系数演化规律，水化学劣化特性下的强度损失、弹性模量折减和振动荷载下动力响应的普遍意义日益凸显。由于岩石和岩体的复杂性，使岩土工程的研究变得相当困难。理论研究、数值模拟存在过量简化的缺点。特别是近年来，地下工程项目的深度不断加大，实际遇到的工况越来越复杂，原位监测进展缓慢，开展地质力学模型试验的必要性不言而喻，无论在理论指导还是实际工程上都有重大的意义。若要进行地质力学模型试验，必须要有与之相应充分体现地质条件的相似模拟材料。特别是面对渗流-化学-振动耦合这种复杂的深部地下工程问题时，目前已见报道的灰岩相似材料不能满足复杂地质条件下的试验要求，灰岩相似材料多只考虑静力，没有考虑成分和颗粒级配特征，部分也只是模拟出其中一种或两种耦合的条件，化学腐蚀作用和振动作用还未有考虑，和实际工况难以匹配；同时目前相关配制理论还不能满足渗流-化学-振动耦合特性的需求，还需进一步完善。鉴于以上种种原因，研制出一种具有渗流-化学-振动耦合特性的灰岩相似材料，对于地质力学模型试验的顺利开展以及复杂地下洞室工程的施工、维护、运行都具有重大的意义。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有渗流-化学-振动耦合特性的灰岩相似材料及配制方法。

为了解决上述问题，本发明提供了一种具有渗流-化学-振动耦合特性的灰岩相似材料，按照组成成份，所述相似材料包括：

骨料：方解石砂、黏土粉和白云石粉；

胶结剂：水泥和石膏；

添加剂：硼砂、减水剂、纳米氧化铝、水；

其中，所述组成成份以重量计为：方解石砂71-98份，黏土粉1.5-24份，白云石粉0.5-5份，假设骨料共有100份，固定；则水泥9-150份，石膏11-125份，硼砂0.11-0.83份，减水剂0.08-0.90份，纳米氧化铝0.4-8.4份，水4.8-48.3份；

其中，所述方解石砂粒径为0.01-0.35mm，黏土粉粒径为0.01-0.17mm，两种矿物粒径均分别按照原岩矿物颗粒级配分布，每种矿物颗粒按照对应级配曲线选择对应颗粒粒径；

其中，所述白云石粉含量极少，粒径全部为0.1mm；

其中，所述水泥为硅酸盐水泥，标号为425；

其中，所述石膏为建筑石膏；