第3章 地质力学模型试验相似材料及模型加工技术

3.1 模型试验材料

3.1.1 模型试验材料特性

相似材料对地质力学模型试验能否成功起着决定性作用。一般而言，理想的模型试验相似材料需要满足以下几点要求：

（1）试验材料与原型材料需要满足相似关系。模型材料与原型材料的变形性质与强度参数满足相似条件，且在试验过程中模型和原型的应力应变关系要全过程相似。

（2）具有高容重、低强度和低变模特性。一般的地质力学模型试验属于静力试验或拟静力试验，原型与模型材料容重比为1.0，而模型几何比尺较大，这就要求模型试验材料是高容重、低强度和低变模的。

（3）相似材料的物理力学性质稳定，不易受环境的影响。地质力学模型的砌筑周期较长，在该过程中，模型材料的力学性质不能因为温度、湿度等条件的改变而产生明显变化。

（4）改变配比，试验材料的力学性质可以大范围变动。有时模型试验需要模拟多种原型材料，各原型材料的物理力学性质变化较大，这就要求模型材料的力学性质能大范围变动。

（5）试验材料均匀且各向同性。

（6）无毒无害，环境友好。试验材料不能对人体造成毒害，试验材料的废料也不能对环境产生不利影响。

（7）试验材料的原料来源广，成本低。试验材料最好能多次利用，节约试验成本。

（8）便于砌筑模型。不同的模型砌筑技术具有不同的试验材料加工工艺，试验材料应该便于加工和制作模型。

3.1.2 模型试验材料分类

相似材料通常是若干天然材料（重晶石粉、石灰粉、石膏粉等）和人工材料（水泥、膨润土、胶水、树脂等）按照一定比例配置而成的混合料。常用的地质力学模型相似材料有以下几种[1]：

（1）用氧化物作为骨料（PbO或Pb3O4）或辅助材料（ZnO）。这种成分可以很容易地提高材料的容重，但是铅氧化物有毒，氧化锌的价格比较贵，有学者用立德粉代替氧化锌取得了不错的效果。

（2）以环氧树脂、重晶石粉和甘油为组分。这可以保证材料的强度和变形模量，但制作过程中需要高温固化，会散发有毒气体，危害人体的健康。

（3）以液体石蜡油作为胶结剂，再辅以其他材料。这类材料通常具有力学性能稳定，不受环境温度、湿度的影响，压块后不需干燥等优点，但石蜡油的价格比较昂贵。采用同样依靠油类表面张力而起粘结作用的机油代替石蜡油，也取得了很好的效果。

（4）石膏类材料，有时加入砂或硅藻土等材料，石膏为胶结剂。这类材料对水分的比例和凝固时间是很灵敏的。

（5）采用重金属作为主要组分，如铁粉、铅粉、铜粉等。这类组分能很容易满足高容重的要求，但是重金属价格较高，铅粉有毒，铁粉收缩性强，容易生锈，需要加膜处理，铜粉则不易找到合适的原料。

（6）用磁铁矿精矿粉或铁精粉作骨料。以磁铁矿精矿粉和以铁精粉为主要骨料的模型材料几乎满足相似材料研制的所有原则，但干燥速度慢，试验成本较高。

（7）掺和可熔性高分子材料的变温相似材料。这种材料可以用来模拟岩体的强度降低。

根据模型相似材料[2-21]原料骨料的不同，可将模型中主要采用的试验材料分为重晶石粉类、重金属类、河沙类、石英类和混合骨料类，各试验材料的原料及性质如表3.1所示。

3.1.3 材料试验和配比确定

清华大学发明的相似材料使用重晶石粉为骨料，膨润土为辅助材料，某工业用胶和水的混合液为粘结剂。相似材料力学性质稳定，不易受外界环境影响，成本低，无毒，制作迅速，可重复使用[22][23]。本节以该相似材料为例，说明相似材料配比的确定以及材料试验。

模型材料的物理力学参数包括容重、变形模量、泊松比等变形参数，以及抗压强度、抗拉强度、粘聚力和内摩擦角等强度参数。通过长春机械科学研究院有限公司生产的SLB100三轴流变试验机进行相似材料的单轴压缩试验和直接剪切试验可以确定主要的物理力学参数。SLB100三轴流变试验系统如图3.1所示。

1．变形参数

对某配比的材料，如重晶石粉、膨润土、稀释胶水质量比12:0.3:1，胶∶水=1:6，充分拌和，制作5个质量相同的试件。将试件加工成高为8.0cm，直径为3.9cm的柱体进行单轴压缩试验。

圆柱状试件制作方法为：用实验室特制的压料机，将一定质量的混合粉料压制成4cm× 4cm×8cm的长方体试件，混合料的重量根据湿容重确定。用两个表面光滑的直径为3.9cm的铁质平板压住试件的上、下两表面，再用小刀进行人工雕刻而成。最终的圆柱状试件如图3.2所示。

单轴压缩试验采用应变加载方式获得试件的应力-应变全曲线。应变加载速率为0.005mm/s。将曲线峰值取为材料的最大抗压强度，根据峰前应力-应变曲线（图3.3所示）确定材料变形模量。根据《水利水电工程岩石试验规程》，将50%抗压强度应力水平切线模量作为变形模量。具体做法是，将σ50附近正负50kPa范围内的应力-应变曲线，采用最小二乘法进行线性拟合，得到直线方程的斜率即为变形模量E，图3.4和图3.5为某配比湿密度为2.07t/m3的材料试件单轴抗压强度和变形模量，图3.6为试件最终破坏形态图。

一般而言，材料的变形模量与密度具有一定的正相关性，因此通过改变材料密度模拟不同的变形模量。采用不同湿密度（1.8～2.2g/cm3）的材料试件进行上述材料试验，得到变形模量-密度曲线，如图3.7所示。具体模型实验前，实验人员会根据设计院资料，根据所需要模拟的各类岩石力学参数和模型试验相似比例确定出相似材料的变形模量，再根据材料试验的结果得到相似材料的配比和密度。

2．强度参数

地质力学模型试验主要采用小块体砌筑法，采用胶水粘接控制材料强度，因此通过调节胶和水的比例控制材料的强度值，需要做剪切试验。

剪切试件的重晶石粉、膨润土、稀释胶水配比相同，湿密度相同，但粘接试件的胶、水比不同。在SLB100流变试验机上进行剪切试验，获得不同胶、水比的材料抗剪断强度，得到强度参数f和c。地质力学模型试验前，根据设计院提供的岩体抗剪断强度数据、模型几何比尺以及水胶比与抗剪强度曲线图，确定模拟该类岩体所需的水胶比。

剪切试验步骤如下：

（1）根据变形模量确定混合料的配比和密度，压制4组5cm×5cm×5cm的立方体方块；

（2）将晾干后的立方体从中间切割开，再用不同比例的胶水（如1:1.5,1:2.5,1:3.5, 1:6）将立方体的“光面”粘接；

（3）每组用同一种比例的胶水粘接成4个试件；

（4）对于每组的四个试件，分别使用四种不同垂向荷载进行直接剪切试验，测量四种不同压力荷载情况下试件的抗剪断强度；

（5）采用线性拟合相同水胶比情况下的垂向荷载（正应力）与抗剪断强度实验值，求出的直线的斜率便是材料的内摩擦系数f，截距便是内聚力。

表3.2为胶/水质量比-内摩擦系数f数值表，图3.8为剪切破坏形态。