可模擬軟弱層面的地質(zhì)溫敏材料及其制作方法、溫控系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及地質(zhì)力學(xué)模型試驗材料及制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及可模擬軟弱層面的地質(zhì)溫敏材料及其制作方法、溫控系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]地質(zhì)力學(xué)模型就是從力學(xué)的觀點出發(fā)，采用試驗的手段，研究地質(zhì)構(gòu)造條件對工程的影響。軟弱層面指力學(xué)強(qiáng)度明顯低于圍巖，一般充填有一定厚度軟弱物質(zhì)的結(jié)構(gòu)面。如泥化，軟化，破碎薄夾層等，具有強(qiáng)度低，壓縮性高，遇水易軟化的特點。軟弱層面在地質(zhì)力學(xué)模型試驗中屬于控制性弱面，有影響巖體結(jié)構(gòu)，控制塊體穩(wěn)定的作用，且對壩基壩肩穩(wěn)定性有明顯影響，國內(nèi)外諸多地下洞室工程、壩基工程及邊坡等失事均與軟弱層面有密切關(guān)系O
[0003]常規(guī)的地質(zhì)力學(xué)模型基于力學(xué)參數(shù)不變的情況下，研究壩基壩肩整體穩(wěn)定性問題。但是高壩地質(zhì)條件復(fù)雜，壩基壩肩巖體及軟弱層面的強(qiáng)度在工程的長期運行中將出現(xiàn)逐步弱化的現(xiàn)象，必須研制出能在模型試驗中材料強(qiáng)度可變的模型材料來模擬軟弱層面強(qiáng)度降低這一現(xiàn)象。因此，研制新型軟弱層面材料是研究高壩和地基穩(wěn)定物理模擬的關(guān)鍵技術(shù)問題之一，對高壩建設(shè)具有重要理論意義和工程應(yīng)用價值。
[0004]四川大學(xué)水電學(xué)院經(jīng)過多年的探索，采用常規(guī)地質(zhì)力學(xué)模型材料和可溶性高分子材料及多種添加劑，配合溫控系統(tǒng)研制出了變溫相似材料，并用于地質(zhì)力學(xué)模型試驗中巖體、斷層、破碎帶和軟弱層面的模擬上。試驗時，通過升溫系統(tǒng)升高整個模型材料溫度，使其力學(xué)特性能按相似規(guī)律和強(qiáng)度儲備理論降低。然而這種整體加熱模型的方法存在不少弊端:1、工程在長期運行中主要是破碎帶、軟弱層面的強(qiáng)度出現(xiàn)逐步降低的現(xiàn)象，其他巖體的力學(xué)參數(shù)變化不大，整體加熱模型使巖體的力學(xué)參數(shù)也發(fā)生變化，不符合工程實際的工作狀況2、巖體以塊體的方式組合成型，而巖體與軟弱層面材料差異大，致使整個模型成型困難。3、升溫系統(tǒng)鋪設(shè)繁瑣，施工困難，長時間工作條件下易發(fā)生漏電現(xiàn)象，給試驗人員的安全造成威脅。
[0005]目前使用較多的軟弱層面材料主要有以下兩種:
1、國外意大利貝加莫(Bergamo)結(jié)構(gòu)模型試驗所(ISMES)在伊泰普(Itaipu)拱壩地質(zhì)力學(xué)模型試驗中，采用一層或三層鋁箔在其間涂聚氨基甲酸脂或硫酸氫鉬等材料分別進(jìn)行模擬。河海大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗中心，在龍羊峽拱壩三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗中，在夾層部位采用聚脂薄膜及電容紙等模擬。該系列的材料均是以滑動摩擦原理進(jìn)行模擬，但難以滿足在同一個模型上演示摩擦系數(shù)降低的全過程，需要多個模型試驗結(jié)果綜合分析。
[0006]2、四川大學(xué)水工結(jié)構(gòu)研究室用涂有油脂的金屬泊等薄膜與粒狀高分子材料組合技術(shù)來模擬，輔助溫度系統(tǒng)進(jìn)行控制。該材料以滾動摩擦和滑動摩擦的原理來模擬軟弱層面，可以在一個模型中實現(xiàn)力學(xué)參數(shù)的變化，但在軟弱層面的鋪設(shè)時無法以任意形狀，在任意位置進(jìn)行鋪設(shè)，適用性較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于避免上述軟弱層面材料的缺點，提供可模擬軟弱層面的地質(zhì)溫敏材料及其制作方法、溫控系統(tǒng)。
[0008]可模擬軟弱層面的地質(zhì)溫敏材料，所述材料包括按重量份計的以下組分:
重晶石粉45-55份，水泥1.8-2.5份，水1_4份，46號廢液壓油1_5份，石錯2_6份，橡膠粉0.5-2 份。
[0009]重晶石粉作為細(xì)骨料控制材料的容重;水泥和水的水化作用產(chǎn)物，具有膠凝特性，能把其他材料牢固的膠結(jié)在一起;廢液壓油具有良好的潤滑性，降低材料抵抗變形的能力；石蠟是一種溫敏材料，其物理性質(zhì)會隨溫度產(chǎn)生變化;橡膠粉用于調(diào)節(jié)材料的抗壓強(qiáng)度和變形模量
所述材料包括按重量份計的以下組分:
重晶石粉48份，水泥2.2份，水3份，46號廢液壓油3份，石蠟4份，橡膠粉I份。
[0010]所述重晶石粉粒徑<0.075mm，所述重晶石粉含水率以飽和面干為標(biāo)準(zhǔn)
重晶石粉的含水率以飽和面干為標(biāo)準(zhǔn)，能較好地選擇水的用量，拌出理想的材料所述橡膠粉粒徑為80目，使材料整體具有良好級配，以達(dá)到較高的密實程度。
[0011]所述石蠟優(yōu)選熔點為52-54°C的半精煉石蠟。
[0012]使材料有一個合適的工作溫度范圍，且在其熔點之前材料的摩擦角能達(dá)到理想狀態(tài)。若選擇熔點較高的石蠟，加熱時間也相應(yīng)變長，對加熱系統(tǒng)也存在安全隱患。
[0013]所述水泥為32.5級復(fù)合硅酸鹽水泥。
[0014]該水泥抗壓強(qiáng)度低(滿足軟弱層面對力學(xué)參數(shù)的要求)，水化熱低(有利于大體積施工，減少溫差應(yīng)力裂縫產(chǎn)生的機(jī)會)，和易性好，耐熱性好。
[0015]制作所述的可模擬軟弱層面的地質(zhì)溫敏材料的方法，所述方法包括以下步驟:
1)將重晶石粉、橡膠粉和水泥攪拌均勻，將混合好的材料粉碎至粒徑<1mm，得到物料
I;
2)將石蠟、46號廢液壓油和水加入物料I，攪拌均勻，并成型；
完成可模擬軟弱層面的地質(zhì)力學(xué)溫敏材料的制作。
[0016]先加46號廢液壓油，然后加水。假若先加水，水泥和水的水化作用，會導(dǎo)致加入廢液壓油時不易攪拌。
[0017]—種采用權(quán)利要求1或2所述的材料進(jìn)行溫控實驗所用到的溫控系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括碳纖維加熱線、高精度溫控器、免破線T型接線端子、第一組導(dǎo)線、空氣開關(guān)和電源，多組所述碳纖維加熱線置于所述可模擬軟弱層面的地質(zhì)力學(xué)溫敏材料內(nèi)并通過并聯(lián)的方式連接在第一組導(dǎo)線上，所述第一組導(dǎo)線包括相線和零線，所述碳纖維加熱線的一端與第一組導(dǎo)線的相線連接，所述碳纖維加熱線的另一端與第一組導(dǎo)線的零線連接，所述第一組導(dǎo)線的一端相線和零線采用絕緣裝置包裹，所述第一組導(dǎo)線的另一端與高精度溫控器連接，所述高精度溫控器通過第二組導(dǎo)線與電源連接。
[0018]所述碳纖維加熱線直徑為4.0mm且具有二層PVC護(hù)套;所述導(dǎo)線與碳纖維加熱線的連接采用免破線T型接線端子。
[0019]碳纖維加熱線具有熱轉(zhuǎn)化效率高，抗拉強(qiáng)度高，截面適中等特點，在模型試驗中便于鋪設(shè)，使用安全。選用4.0mm的優(yōu)勢在于可以隨軟弱層面鋪設(shè)成任意形狀，不會因為直徑過大導(dǎo)致柔軟性差，選擇二層PVC護(hù)套能避免外皮破損而導(dǎo)致的漏電。選擇免破線T型接線端子是由于碳纖維較柔軟，無法按常規(guī)的方式纏繞綁緊。
[0020]所述系統(tǒng)還設(shè)有空氣開關(guān)。
[0021]所述加熱系統(tǒng)中空氣開關(guān)的額定載流量需大于導(dǎo)線正常載流量，溫控器負(fù)荷功率需大于并聯(lián)碳纖維加熱線的總工作功率。
[0022]本發(fā)明提供可模擬軟弱層面的地質(zhì)溫敏材料及其制作方法、溫控系統(tǒng)，有益效果如下:
1、本發(fā)明提供的可模擬軟弱層面的地質(zhì)力學(xué)溫敏材料及溫控系統(tǒng)，在模型試驗中對軟弱層面進(jìn)行局部加熱，模擬軟弱層面強(qiáng)度降低的過程，克服了對模型整體加熱所帶來的缺點，更加符合工程實際的工作狀況，且能以任意形狀進(jìn)行鋪設(shè)；
2、本發(fā)明提供的可模擬軟弱層面的地質(zhì)溫敏材料中含有橡膠粉，橡膠粉的加入能夠在一定程度上降低材料的抗壓強(qiáng)度和變形模量。通過大量試驗調(diào)節(jié)水泥、水和橡膠粉的摻入量，得到了上述的最佳材料配比，能夠較好的符合軟弱層面所要求的力學(xué)參數(shù)；
3、本發(fā)明提供的可模擬軟弱層面的地質(zhì)溫敏材料中使用了具有良好潤滑性的46號廢液壓油，該液壓油可降低材料的抵抗變形能力，調(diào)節(jié)材料變形模量的同時，也是對廢棄物進(jìn)行了資源化；
4、本發(fā)明提供的可模擬軟弱層面的地質(zhì)溫敏材料中還使用了可溶性高分子材料石蠟，隨著溫度的變化石蠟的物理性質(zhì)會發(fā)生改變，從而影響地質(zhì)力學(xué)溫敏材料的力學(xué)參數(shù)；
5、本發(fā)明提供的可模擬軟弱層面的地質(zhì)溫敏材料和易性好，易于工序施工的操作并獲得質(zhì)量均勻，成型密實的溫敏材料，具有普遍適用性；
6、本發(fā)明提供的可模擬軟弱層面的地質(zhì)溫敏材料的溫控系統(tǒng)使用碳纖維加熱線，該加熱線具有熱轉(zhuǎn)化效率高，抗拉強(qiáng)度高，截面適中等特點，在模型試驗中便于鋪設(shè)，使用安全；
7、本發(fā)明提供的可模擬軟弱層面的地質(zhì)力學(xué)溫敏材料的溫控系統(tǒng)主線與支線的連接使用免破線T型接線端子，空間占有率小，安裝方便，且減小了漏電的可能性。
【附圖說明】
[0023]圖1:本發(fā)明材料的抗剪強(qiáng)度與溫度的關(guān)系示意圖；
圖2:本發(fā)明溫控系統(tǒng)示意圖；
其中:I碳纖維加熱線，2高精度溫控器，3免破線T型接線端子，4第一組導(dǎo)線，5第二組導(dǎo)線，6空氣開關(guān)，7電源。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合實施例來進(jìn)一步說明本發(fā)明，但本發(fā)明要求保護(hù)的范圍并不局限于實施例表述的范圍。
[0025]實施例1
可模擬軟弱層面的地質(zhì)溫敏材料，其特征在于:所述材料包括按重量份計的以下組分: 重晶石粉45份，水泥1.8份，水I份，46號廢液壓油I份，石蠟2份，橡膠粉I份。
[0026]所述重晶石粉粒徑<0.075mm，所述重晶石粉含水率以飽和面干為標(biāo)準(zhǔn)。
[0027]所述橡膠粉粒徑為80目。
[0028]所述石蠟優(yōu)選熔點為52-54°C的半精煉石蠟。
[0029]所述水泥為32.5級復(fù)合硅酸鹽水泥。
[0030]制作權(quán)利要求1或2所述的可模擬軟弱層面的地質(zhì)力學(xué)溫敏材料的方法，所述方法包括以下步驟:
1)將重晶石粉、橡膠粉和水泥攪拌均勻，將混合好的材料粉碎至粒徑<1mm，得到物料
I;
2)將石蠟、46號廢液壓油和水加入物料I，攪拌均勻，并成型；
完成可模擬軟弱層面的地質(zhì)力學(xué)溫敏材料的制作。
[0031]實施例2
可模擬軟弱層面的地質(zhì)溫敏材料，其特征在于:所述材料包括按重量份計的以下組分: 重晶石粉55份，水泥1.8份，水4份，46號廢液壓油5份，石蠟6份，橡膠粉2份。
[0032]所述重晶石粉粒徑<0.075mm，所述重晶石粉含水率以飽和面干為標(biāo)準(zhǔn)。
[0033]所述橡膠粉粒徑為80目。
[0034]所述石蠟優(yōu)選熔點為52-54°C的半精煉石蠟。
[0035]所述水泥為32.5級復(fù)合硅酸鹽水泥。
[0036]制作權(quán)利要求1或2所述的可模擬軟弱層面的地質(zhì)力學(xué)溫敏材料的方法，所述方法包括以下步驟:
1)將重晶石粉、橡膠粉和水泥攪拌均勻，將混合好的材料粉碎至粒徑<1mm，得到物料
I;
2)將石蠟、46號廢液壓油和水加入物料I，攪拌均勻，并成型；
完成可模擬軟弱層面的地質(zhì)力學(xué)