一种综合考虑断层力学相似和变形相似的精细化模拟方法技术

本发明专利技术提供一种综合考虑断层力学相似和变形相似的精细化模拟方法，利用岩块砌筑结构面下盘岩体和上盘岩体，在下盘岩体和上盘岩体之间设置模拟断层结构作为试验模型，利用试验模型进行地质力学模型试验，其中模拟断层结构由塑性软料和薄膜材料组成，塑性软料是由重晶石粉、机油及高分子材料配比而成，厚度可精确至1mm，薄膜材料为铝箔纸、聚乙烯、聚酯及聚乙烯醇涂层等。本发明专利技术克服已有技术的不足之处，所模拟断层可精确至1mm，即在比例尺为100~300范围内，本发明专利技术可实现对工程中带宽为0.1m~0.3m的断层的模拟，从而实现对工程地质构造的精细化模拟，提高模型试验的准确性，使得模型试验的成果更为真实可靠。试验的成果更为真实可靠。试验的成果更为真实可靠。

【技术实现步骤摘要】
一种综合考虑断层力学相似和变形相似的精细化模拟方法


[0001]本专利技术属于地质力学模型试验
，特别涉及一种综合考虑断层力学相似和变形相似的精细化模拟方法。

技术介绍

[0002]理论分析和数值计算在分析复杂地质条件时具有一定的局限性，而以相似理论为基础的地质力学模型试验可以系统模拟断层、破碎带、软弱夹层结构面等不利结构面，研究其对工程变形稳定的影响，直观、准确、全面的反映出复杂地质条件下岩土体的时空演化规律并揭示岩土体破坏特征。因此地质力学模型试验是研究复杂地质工程的重要手段，被广泛应用于地质条件复杂的水利、隧道及采矿等重大工程中。
[0003]在岩土工程中，断层是地壳浅层广泛发育的断裂构造，破坏了岩体的连续性和完整性。断层岩体具有强度低、变形大、透水性强等特征，在物理力学性质上与周围岩体存在显著差异，断层的存在给水利、隧道及采矿等大型工程带来了重大的安全隐患。因此，断层是地质力学模型试验中的重要模拟对象，对断层结构面的精细化模拟是保证试验成果可靠性的关键技术。
[0004]目前，国内外关于地质力学模型试验断层模拟的试验装置和操作方法的研究现状如下：1、崔光耀等(崔光耀,王明年,于丽,林国进.穿越黏滑错动断层隧道减震层减震技术模型试验研究[J].岩土工程学报,2013,35(09):1753
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1758.)介绍了一种在模型试验中制备黏滑错动断层的试验技术，采用两层PVC塑料板中间涂黄油来模拟黏滑错动断层，该文中未提及如何实现断层模拟的几何相似及力学相似，且采用PVC板会对断层附近模型材料的力学性质产生一定影响。
[0005]2、徐前卫等(徐前卫,程盼盼,朱合华等.跨断层隧道围岩渐进性破坏模型试验及数值模拟[J].岩石力学与工程学报,2016,35(03):433
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445.)介绍了一种采用滑石粉来模拟倾斜断层的试验方法，并利用自制的剪切盒确定所模拟断层的摩擦因数，该技术未考虑断层的变形特性，且为满足断层的抗剪强度特性，所需要的断层厚度往往较大，无法满足模型的几何相似条件，可能导致试验结果偏于危险。
[0006]3、刘耀儒等(申请号：201310113054.4)介绍了一种在脱水石膏片两侧粘贴纸张来模拟不连续结构面的方法，脱水石膏不能满足模型材料容重相似的要求，且未考虑断层的粘聚力，使得模型中断层抗剪断强度偏高或偏低，与工程实际不符。
[0007]4、丁泽霖等(丁泽霖,薛江寒,王婧,包闯.胶凝砂砾石坝模型试验突变理论破坏判据[J].水力发电学报,2022,41(09):98
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107.)介绍了一种利用软料、蜡纸或聚四氟乙烯薄膜来模拟断层的方法，试验中只考虑断层摩擦力而忽略断层的粘聚力，按照抗剪强度来考虑断层力学性质，这样做往往会导致模型材料的粘聚力偏高或偏低，不满足模型试验的力学相似要求。此外，对于200米级~300米级的高拱坝，仅采用抗剪强度来考虑断层力学性质的方法不适用于高拱坝坝肩稳定性研究，实用性较低。
[0008]5、国外在模拟摩擦因数时多采用清漆掺润滑油脂及滑石粉等混合涂料于层面间，这种方法可获得较大幅度的不同摩擦因数(f=0.1～1.0)，材料性能不稳定，容易受温度或喷涂工艺影响，成果离散度高，稳定性差。
[0009]综上所述，传统技术往往不能同时满足断层模拟的几何相似、容重相似、力学相似及变形相似等条件，使得模拟成果往往偏离工程实际，不能真实反映工程变形及受力特征。

技术实现思路

[0010]针对目前地质力学模型试验断层模拟的试验装置和操作方法研究中存在的问题，本专利技术提供一种综合考虑断层力学相似和变形相似的精细化模拟方法。
[0011]本专利技术解决其技术问题所采用的方案是：一种综合考虑断层力学相似和变形相似的精细化模拟方法，利用岩块砌筑结构面下盘岩体和上盘岩体，在下盘岩体和上盘岩体之间设置模拟断层结构作为试验模型，利用试验模型进行地质力学模型试验。
[0012]其中模拟断层结构包括塑性软料和薄膜材料，所述模拟断层结构的制备包括以下步骤：S1、制备塑性软料和薄膜材料塑性软料由重晶石粉、机油和高分子材料配比制作，制作多组不同机油含量的塑性软料试件，每组包含多个塑性软料试件；薄膜材料根据试验中断层摩擦系数f作初步选择，并将材料裁剪为预定形状和尺寸。
[0013]S2、计算变形模量E及抗剪断强度将薄膜材料粘贴在塑性软料试件的上表面，对塑性软料试件和薄膜材料的组合块体分别进行单轴压缩试验和剪切试验，获得组合块体的平均变形模量E及平均抗剪断强度，该参数与原型参数相似，则采用该薄膜材料，与原型参数不相似，则重新选择薄膜材料或塑性软料进行试验。
[0014]S3、塑性软料与薄膜组合模拟断层结构模型砌筑顺序为从下游远区向上游砌筑，砌筑断层时先在下盘岩体侧夯填或敷填上塑性软料，将薄膜材料错缝粘贴在塑性软料与上盘岩体的接触面上，粘贴好后砌筑上盘岩体。
[0015]在步骤S2进行剪切试验时，先计算出断层材料的摩擦系数及粘聚力，利用相似关系计算出模型中断层所受正应力，并将计算结果带入摩尔
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库伦公式计算出断层材料的抗剪断强度。
[0016]对多组组合块体进行单轴压缩及剪切试验，从中选择出能够同时满足断层变形相似及抗剪断强度相似要求的组合块体，当变形相似与抗剪断相似无法同时满足时，以满足模型抗剪断强度相似要求为主。
[0017]步骤S3中对砌筑模型带宽>1cm的断层，将塑性软料压制为小块体，采用夯填法砌筑，对于带宽在1mm
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1cm之间的断层，采用敷填法砌筑。
[0018]进一步，模拟断层带宽>1cm时，塑性软料搅拌均匀后倒入模具制成小块体；模拟断层带宽在1mm至1cm范围内时，将塑性软料混合均匀后包裹在由塑料薄膜构成的塑料袋内，静置48h后敷设在下盘岩体上。
[0019]砌筑结构面下盘岩体和上盘岩体的岩块尺寸为10cm
×
10cm
×
10cm。
[0020]步骤S2中制作六组组合块体，其中三组进行单轴压缩试验，另外三组进行剪切试验，通过多次试验获得组合块体的平均变形模量E及平均抗剪断强度。
[0021]所述薄膜材料为铝箔纸、聚乙烯、聚酯及聚乙烯醇涂层等。
[0022]本专利技术的有益效果：本专利技术所模拟断层可精确至1mm，即在比例尺为100~300范围内，本专利技术可实现对工程中带宽为0.1m~0.3m的断层的模拟，实现对工程原型的精细化模拟，从而提高模型试验成果的准确性。
[0023]本专利技术解决了模型试验中断层材料的容重相似问题，本专利技术采用塑性软料+薄膜材料来模拟结构面，其中塑性软料是由重晶石粉、机油及高分子材料配比而成，材料性能较为稳定，其中重晶石粉具有高容重、低强度、低弹模、低成本的优势，可以在实现低变模的同时满足断层结构的容重相似要求。
[0024]本专利技术综合考虑断层的抗剪断强度以满足模型的力学相似要求，本专利技术综合考虑了材料的摩本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种综合考虑断层力学相似和变形相似的精细化模拟方法，利用岩块砌筑结构面下盘岩体（3）和上盘岩体（4），在下盘岩体（3）和上盘岩体（4）之间设置模拟断层结构作为试验模型，利用试验模型进行地质力学模型试验，其特征在于，模拟断层结构包括塑性软料（1）和薄膜材料（2），所述模拟断层结构的制备包括以下步骤：S1、制备塑性软料（1）和薄膜材料（2）塑性软料（1）由重晶石粉、机油和高分子材料配比制作，制作多组不同机油含量的塑性软料试件，每组包含多个塑性软料试件；薄膜材料（2）根据试验中断层摩擦系数f作初步选择，并将材料裁剪为预定形状和尺寸；S2、计算变形模量E及抗剪断强度将薄膜材料（2）粘贴在塑性软料试件的上表面，对塑性软料试件和薄膜材料（2）的组合块体分别进行单轴压缩试验和剪切试验，获得组合块体的平均变形模量E及平均抗剪断强度，该参数与原型参数相似，则采用该薄膜材料，与原型参数不相似，则重新选择薄膜材料或塑性软料进行试验；S3、塑性软料与薄膜组合模拟断层结构模型砌筑顺序为从下游远区向上游砌筑，砌筑断层时先在下盘岩体（3）侧夯填或敷填上塑性软料（1），将薄膜材料（2）错缝粘贴在塑性软料（1）与上盘岩体（4）的接触面上，粘贴好后砌筑上盘岩体（4）。2.根据权利要求1所述的综合考虑断层力学相似和变形相似的精细化模拟方法，其特征在于，步骤S2进行剪切试验时，先计算出断层材料的摩擦系数及粘聚力，利用相似关系计算出模型中断层所受正应力，并将计算结果带入摩尔
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库伦公式...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈媛，刘然，易魁，刘要来，陈鸿杰，鄢建华，杨建勇，杨宝全，罗常炜，
申请(专利权)人：华能澜沧江水电股份有限公司中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：