用于饱水软弱夹层带动孔压响应的振动台模型制备方法

摘要

本发明公开了一种用于饱水软弱夹层动孔压响应的振动台模型制备方法，其包括焊接不渗水模型箱和密封盖；模型箱的底板上焊接螺纹钢，并在模型箱内放置上与模型箱四周内侧壁接触的防水聚苯乙烯泡沫板；根据试验模型的结构与物理力学性质配置上硬层、下硬层及软弱夹层材料，在模型箱内浇注下硬层、软弱夹层和上硬层；上中下三层浇注过程中，在设定高度埋设若干孔隙水压传感器；对浇注好的试验模型养护设定时长，在保留或取出模型箱中两个侧面的防水聚苯乙烯泡沫板的情况下，在密封盖上安装气压表，连接饱水装置与进水管和连接管进行循环真空饱水处理；当气压表读数与上一次饱水后读数间差异小于等于设定值时，完成振动台模型的制备。

权利要求

1.用于饱水软弱夹层带动孔压响应的振动台模型制备方法，其特征在于，包括以下步骤：采用钢板焊接长方形的不渗水模型箱及用于密封模型箱的密封盖并在模型箱高于试验模型至少5cm的侧壁安装上用于抽真空的连接管及在模型箱底端侧壁安装上进水管；

模型箱的底板内表面焊接多根并排的螺纹钢，并在模型箱内放置上与模型箱四周内侧壁接触的防水聚苯乙烯泡沫板；

根据试验模型的结构与物理力学性质配置上硬层、下硬层及软弱夹层的材料，首先在模型箱内浇注下硬层；

下硬层浇注完成后，在其进行刮毛处理后浇注软弱夹层，软弱夹层浇注完成后，在其进行刮毛处理后浇注上硬层，完成试验模型的浇注；

上中下三层浇注过程中，在设定高度埋设若干孔隙水压传感器；

对浇注好的试验模型养护设定时长，之后在保留或取出模型箱中两个侧面的防水聚苯乙烯泡沫板的情况下，在密封盖上安装用于采集模型箱内部气压的气压表，之后连接饱水装置与模型箱的进水管和连接管进行循环真空饱水处理；

当气压表的读数与上一次读数间的差异小于等于设定值时，停止循环真空饱水处理，完成振动台模型的制备；

所述模型箱的连接管和进水管上均安装有第一阀门；所述饱水装置包括储水箱和真空泵，所述储水箱上端开设有与真空泵连接的抽真空管，所述储水箱底端侧壁上安装有出水管，所述抽真空管、出水管和储水箱上的进水口上均安装有第二阀门；

连接饱水装置与模型箱的进水管和连接管进行循环真空饱水处理进一步包括：S1将储水箱与模型箱的底面放置在同一平面上，之后连接真空泵与连接管及进水管与出水管，关闭出水管上的第二阀门；

S2向储水箱内注水，直至储水箱内的水位高度高于模型箱中的试验模型至少5cm，关闭进水口上的第二阀门；

S3开启连接管上的第一阀门和抽真空管上的第二阀门及真空泵，对模型箱持续抽真空

4-5h，关闭连接管上的第一阀门和抽真空管上的第二阀门及真空泵，并开启进水口的第二阀门；

S4开启出水管上的第二阀门及进水管上的第一阀门，待模型箱内的水没过试验模型

2cm时，关闭出水管上的第二阀门及进水管上的第一阀门；

S5开启真空泵及连接管上的第一阀门，抽真空0.5h，静止饱水1h，读取气压表的读数；

S6当气压表的读数与上一次的读数间的差异大于设定值时，返回步骤S4；当气压表的读数与上一次的读数间的差异小于等于设定值，停止循环真空饱水处理；

所述上硬层和下硬层的原材料相同；所述上硬层和下硬层的质量配比如下：重晶石粉：40目石英砂：纳米水泥：铁粉：水：甘油＝37.5：37.5：7：18：11.48：2.3；

所述软弱夹层质量配比如下：

按重量份计，骨料80份和胶结剂20份；骨料包括：60目石英砂：100目石英砂：200目石英砂：膨润土＝40：44：13：3；

胶结剂为0.8-1.5wt％的高分子聚合物溶液，高分子聚合物溶液包括浓度为3～7wt％羟乙基纤维素的水溶液、1～3wt％聚丙烯酸钠的水溶液、1～3wt％聚乙二醇水溶液。

2.根据权利要求1所述的用于饱水软弱夹层带动孔压响应的振动台模型制备方法，其特征在于，饱水装置还包括流量计，所述流量计安装在进水管或储水罐上。

3.根据权利要求1或2所述的用于饱水软弱夹层带动孔压响应的振动台模型制备方法，其特征在于，所述螺纹钢的直径为2cm，相邻两根螺纹钢间的间距为10cm，防水聚苯乙烯泡沫板的厚度为5cm；

所述模型箱的长宽高为84×64.5×60cm，下硬层的厚度为10.5cm，软弱层的厚度为

6cm，上硬层的厚度为43.5cm。

说明书

用于饱水软弱夹层带动孔压响应的振动台模型制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种地质研究领域，具体涉及一种用于饱水软弱夹层带动孔压响应的振动台模型制备方法。

背景技术

[0002] 振动台试验可以在实验室内模拟地震作用的过程，是研究地震触发滑坡等地质灾害机理的重要手段。软弱夹层是地质体中常见的地质结构，其厚度薄，与周围岩石相比，弹性模量小、强度低，因此在岩质、地下硐室、坝基等地质结构中，往往起着控制其变形破坏的作用。

[0003] 传统的物理模型试验不考虑岩体中孔隙(或裂隙)水，而实际岩体中，水的作用不容忽视，当降雨或地下水进入岩石内部，在水岩相互作用下，岩石内部矿物产生新的物理、化学反应，造成岩石内部矿物或结构面的软化，使岩石的力学性质变差，抗压强度，抗拉强度，抗剪强度，动、静弹性模量，泊松化等各项物理力学参数的弱化，而软弱夹层对水的敏感性更为显著，使得传统物理模型试验难以模拟岩层在地震下的响应特征。

[0004] 振动台模型试验是研究地震滑坡的有效手段，目前绝大多数滑坡振动台模型试验未考虑软弱层带内地下水的影响，这是因为传统以石膏和水泥为粘结剂的相似材料具有遇水易解体、渗透性低、弹性模量较大等特点，无法模拟软弱层带高渗透低弹模特征。

发明内容

[0005] 针对现有技术中的上述不足，本发明提供的用于饱水软弱夹层带动孔压响应的振动台模型制备方法制备的震动台模型能够模拟地震作用下饱水岩层的变化情况。

[0006] 为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

[0007] 提供一种用于饱水软弱夹层带动孔压响应的振动台模型制备方法，其包括以下步骤：

[0008] 模型箱的底板内表面焊接有多根并排的螺纹钢，以在模型下边界提供足够摩擦力和粘接力，并在模型箱内放置上与模型箱四周内侧壁接触的防水聚苯乙烯泡沫板；

[0009] 根据试验模型的结构与物理力学性质配置上硬层、下硬层及软弱夹层的相似材料，并首先在模型箱内浇注下硬层；

[0010] 下硬层浇注完成后，在其进行刮毛处理后浇注软弱夹层，软弱夹层浇注完成后，在其进行刮毛处理后浇注上硬层，完成试验模型的浇注；上中下三层浇注过程中，在设定高度埋设若干孔隙水压传感器；

[0011] 对浇注好的试验模型养护设定时长，之后在保留或取出模型箱中两个侧面的防水聚苯乙烯泡沫板的情况下，在密封盖上安装用于采集模型箱内部气压的气压表，之后连接饱水装置与模型箱的进水管和连接管进行循环真空饱水处理；

[0012] 当气压表的读数与上一次读数间的差异小于等于设定值时，停止循环真空饱水处理，完成振动台模型的制备；上硬层、下硬层和软弱夹层在浇注时，在三层内部每隔设定厚度均需进行刮毛处理。

[0013] 进一步地，模型箱的连接管和进水管上均安装有第一阀门；饱水装置包括储水箱和真空泵，储水箱上端开设有与真空泵连接的抽真空管，储水箱底端侧壁上安装有出水管，抽真空管、出水管和储水箱上的进水口上均安装有第二阀门；

[0014] 连接饱水装置与模型箱的进水管和连接管进行循环真空饱水处理进一步包括：

[0015] S1将储水箱与模型箱的底面放置在同一平面上，之后连接真空泵与连接管及进水管与出水管，关闭出水管上的第二阀门；

[0016] S2向储水箱内注水，直至储水箱内的水位高度高于模型箱中的试验模型至少5cm，关闭进水口上的第二阀门；

[0017] S3开启连接管上的第一阀门和抽真空管上的第二阀门及真空泵，对模型箱持续抽真空4-5h，关闭连接管上的第一阀门和抽真空管上的第二阀门及真空泵，并开启进水口的第二阀门；

[0018] S4开启出水管上的第二阀门及进水管上的第一阀门，待模型箱内的水没过试验模型2cm时，关闭出水管上的第二阀门及进水管上的第一阀门；

[0019] S5开启真空泵及连接管上的第一阀门，抽真空0.5h，静止饱水1h，读取气压表的读数；

[0020] S6当气压表的读数与上一次的读数间的差异大于设定值时，返回步骤S4；当气压表的读数与上一次的读数间的差异小于等于设定值，停止循环真空饱水处理。

[0021] 进一步地，所述上硬层和下硬层的质量配比如下：

[0022] 重晶石粉：40目石英砂：纳米水泥：铁粉：水：甘油＝37.5：37.5：7：18： 11.48：2.3；

[0023] 所述软弱夹层质量配比如下：

[0024] 按重量份计，骨料80份和胶结剂20份；骨料包括：60目石英砂：100目石英砂：200目石英砂：膨润土＝40：44：13：3；

[0025] 胶结剂为0.8-1.5wt％的高分子聚合物溶液，高分子聚合物溶液包括浓度为 3～7wt％羟乙基纤维素的水溶液、1～3wt％聚丙烯酸钠的水溶液、1～3wt％聚乙二醇水溶液。

[0026] 进一步地，饱水装置还包括流量计，流量计安装在进水管或储水罐上。

[0027] 进一步地，所述螺纹钢的直径为2cm，相邻两根螺纹钢间的间距为10cm，防水聚苯乙烯泡沫板的厚度为5cm；

[0028] 所述模型箱的长宽高为84×64.5×60cm，下硬层的厚度为10.5cm，软弱层的厚度为6cm，上硬层的厚度为43.5cm。

[0029] 本发明的有益效果为：采用本方案提供的方法制备震动台模型，通过对岩层进行饱水处理后施加地震波进行试验，可以模拟地震过程斜坡软弱夹层中孔隙压力响应特征及对岩层破坏的影响；通过与上下硬层孔隙水压力对比，可以进一步分析软弱夹层超孔隙水压力形成机制及有效应力降低过程最终达到对导水软弱夹层控滑型地震滑坡启动临界超孔隙水压力的预测。

[0030] 设计的振动台模型箱在不加密封盖时可堆置模型，加密封盖后后可作为饱水箱，饱和后去掉密封盖、固定于振动台仪器台面可进行振动台模型试验，这样在震动台模型制备过程中，可以将试验模型的浇注、饱水及地震模拟同时容纳在同一个模型箱中实现，既保证了模型的饱水，又可以避免来回搬动体积较大的试验模型，缩短了震动台试验模型的制备周期，同时还可以避免试验模型被损坏。

[0031] 采用本方法中提到的饱水装置进行饱水操作时，可以保证模型箱在真空下进行常压注水饱和试验，在缩短饱水时间情况下保证试验模型达到高饱和度，同时还可以避免由于长时间的浸泡饱和造成模型被浸泡软化和破坏。

[0032] 本方案采用可封闭饱水的振动台模型箱，解决了大型模型的饱水问题；采用该实验制备方法制备的模型，可以模拟地震过程由导水软弱层带控滑型滑坡的超孔隙水压力形成过程，分析触发机制，为滑坡研究提供了新的手段和视野。

附图说明

[0033] 图1为试验模型放置在模型箱内的结构示意图，模型箱未示出螺纹钢。

[0034] 图2为饱水装置与模型箱连接进行饱水处理的示意图。

[0035] 图3为模型箱底板的结构示意图。

[0036] 图4为本方案中制备得到的软弱夹层及硬层(上硬层和下硬层)的动变形、动弹模和阻尼比特性；

[0037] 其中，4a为软弱夹层、硬层动应变-动弹模关系曲线，4b 为软弱夹层、硬层动应变-阻尼比关系曲线。

[0038] 其中，1、模型箱；11、密封盖；12、连接管；13、进水管；131、第一阀门；2、上硬层；3、软弱夹层；4、下硬层；5、孔隙水压传感器；6、储水箱； 61、抽真空管；62、出水管；63、进水口；64、第二阀门；7、真空泵。

具体实施方式

[0039] 下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

[0040] 如图1所示，本方案制备的震动台试验模型包括模型箱1和放置在模型箱1 内的试验模型，其中试验模型又包括上硬层2、下硬层4和软弱夹层3，软弱夹层3内设置有若干孔隙水压传感器5，孔隙水压传感器5在布线时，线穿出模型箱1内时需要做好密封处理，以保证后续真空饱水操作时，模型箱1的密封性。

[0041] 用于饱水软弱夹层带动孔压响应的振动台模型制备方法包括以下步骤：

[0042] 步骤1，采用钢板焊接方形的模型箱1及用于密封模型箱1的密封盖11，并在模型箱1高于试验模型至少5cm的侧壁安装上用于抽真空的连接管12及在模型箱1底端侧壁安装上进水管13。

[0043] 步骤2，模型箱1的底板的内表面焊接多根间距为10cm、直径2cm的并排螺纹钢，底板的仰视图参见图3，并在模型箱1内放置上与模型箱1四周内侧壁接触、厚度为cm防水聚苯乙烯泡沫板。螺纹钢的设置可以在振动台模型下边界提供足够摩擦力和粘接力，保证模型箱1与振动台面一起运动。

[0044] 在浇注时放置的防水聚苯乙烯泡沫板，使得浇注的模型与模型箱侧壁之间存在间隙，这样放上防水聚苯乙烯泡沫板，使得震动台模型可以模拟有边界，未放置防水聚苯乙烯泡沫板时，又能模拟无边界的试验；对于有边界时，防水聚苯乙烯泡沫板可以模拟吸波材料，以降低模型箱1对输入波的反射和折射。

[0045] 在进真空饱水操作时，对于有边界时，水可以沿着防水聚苯乙烯泡沫板与模型箱1和试验模型的微小间隙向上运动，使试验模型快速浸泡在水中，以缩短试验模型的饱水时间。

[0046] 步骤3，根据试验模型的结构与物理力学性质配置上硬层2、下硬层4及软弱夹层3的材料，首先在模型箱1内浇注下硬层4。

[0047] 步骤4，下硬层4浇注完成后，在其进行刮毛处理后浇注软弱夹层3，软弱夹层3浇注完成后，在其进行刮毛处理后浇注上硬层2，完成试验模型的浇注；上硬层2、下硬层4及软弱夹层3浇注过程中，在设定高度埋设孔隙水压传感器 5。

[0048] 步骤5，对浇注好的试验模型养护设定时长，之后在保留或取出模型箱1中两个侧面的防水聚苯乙烯泡沫板的情况下，在密封盖11上安装用于采集模型箱内部气压的气压表，连接饱水装置与模型箱1的进水管13和连接管12进行循环真空饱水处理。

[0049] 密封盖11与模型箱1的侧壁板接触面设置有密封圈，通过密封圈来对抽真空过程中的真空度进行保证。

[0050] 如图2所示，在本发明的一个实施例中，模型箱1的连接管12和进水管13 上均安装有第一阀门131；饱水装置包括储水箱6和真空泵7，储水箱6上端开设有与真空泵7连接的抽真空管61，储水箱6底端侧壁上安装有出水管62，抽真空管61、出水管62和储水箱6上的进水口63上均安装有第二阀门64。

[0051] 实施时，饱水装置还包括流量计，其安装在进水管13或储水罐上，通过流量计显示的流量，调整进水管13上的第一阀门131或出水管62上的第二阀门 64可以调节进水流速来控制整个饱和过程，提高饱水质量。

[0052] 连接饱水装置与模型箱1的进水管13和连接管12进行循环真空饱水处理进一步包括：

[0053] S1将储水箱6与模型箱1的底面放置在同一平面上，之后连接真空泵7与连接管12及进水管13与出水管62，关闭出水管62上的第二阀门64；

[0054] S2向储水箱6内注水，直至储水箱6内的水位高度高于模型箱1中的试验模型至少5cm，关闭进水口63上的第二阀门64；

[0055] S3开启连接管12上的第一阀门131和抽真空管61上的第二阀门64及真空泵7，对模型箱1持续抽真空4-5h，关闭连接管12上的第一阀门131和抽真空管61上的第二阀门64及真空泵7，并开启进水口63的第二阀门64；

[0056] S4开启出水管62上的第二阀门64及进水管13上的第一阀门131，待模型箱1内的水没过试验模型2cm时，关闭出水管62上的第二阀门64及进水管13 上的第一阀门131；

[0057] S5开启真空泵7及连接管12上的第一阀门131，抽真空0.5h，静止饱水1h，读取气压表的读数；

[0058] S6当气压表的读数与上一次的读数间的差异大于设定值时，返回步骤S4；当气压表的读数与上一次的读数间的差异小于等于设定值，停止循环真空饱水处理。

[0059] 步骤6，当气压表的读数与上一次读数间的差异小于等于设定值时，停止循环真空饱水处理，完成振动台模型的制备；上硬层、下硬层和软弱夹层在浇注时，在每层内部每隔设定厚度均需进行刮毛处理。

[0060] 上硬层2、下硬层4和软弱夹层3在浇注时，每设定厚度均需进行刮毛处理；在进行浇注过程中的刮毛处理，可以使表面变得粗糙或者存在间隙，这样在浇注下一层时，下一层的配料会进入上一层的间隙，使得两者之间接触得更紧密。

[0061] 采用上述方式制备得到的震动台模型进行模拟实验时，对其加载地震波形，记录孔隙水压传感器5的读数，可以得到软弱夹层3中的空隙在地震波的作用下的孔压响应情况，通过施加的不同地震波可以得知不同的孔压响应数据，通过孔压响应数据分析，以得到孔压大小与地震强度的关系，根据有效应力原理可以最终得到地震波强度与滑坡滑带抗剪强度的关系，以达到对地震中是否发生滑坡的预测。

[0062] 实施时，本方案优选所述模型箱的长宽高为84×64.5×60cm，下硬层的厚度为10.5cm，软弱层的厚度为6cm，上硬层的厚度为43.5cm。

[0063] 在本发明的一个实施例中，上硬层2和下硬层4的原材料相同；上硬层2 和下硬层4的质量配比如下：

[0064] 重晶石粉：40目石英砂：纳米水泥：铁粉：水：甘油＝37.5：37.5：7：18： 11.48：2.3。

[0065] 在振动台试验中，现有模型硬层一般采用石膏作为胶结剂，这样的模型水稳性差，泡水易解体，振动作用下更易解体破坏。而本方案采用重晶石粉、石英砂、铁粉，加少量纳米水泥配制相似材料，铁粉可增加上硬层的自重，更接近自然岩石密度，少量纳米水泥可使得材料在水中不解体。

[0066] 软弱夹层3的质量配比如下：

[0067] 按重量份计，骨料80份和胶结剂20份；骨料包括：60目石英砂：100目石英砂：200目石英砂：膨润土＝40：44：13：3；

[0068] 胶结剂为0.8-1.5wt％的高分子聚合物溶液，高分子聚合物溶液包括浓度为 3～7wt％羟乙基纤维素的水溶液、1～3wt％聚丙烯酸钠的水溶液、1～3wt％聚乙二醇水溶液。

[0069] 下面通过加载不同幅值对本方案的软弱夹层3及上/下硬层4的的动力特性进行说明：

[0070] 在50kPa围压、20kPa初始轴压下，以5kPa幅值为间距分10个等级、每级振动100次开展动三轴试验，获得动弹模和阻尼比特性，结果如图4中的图a 和图b。从图4可以看出，振动开始时，硬层材料弹性模量约是软弱夹层3的 25倍，振动过程中软层和硬层材料弹性模量均随应变的增加而减小，但软层减小速率大于硬层，在2％应变时软弱夹层3弹性模量已降低到3.4MPa，此时比值近40倍(见图4a)。软弱夹层3相似材料初始阻尼比为硬层的16倍，振动中较层和硬层阻尼比都随着应变的增加而增大，软弱夹层3材料增加速率大于硬层，在2％应变时，两者阻尼比值达到19倍(见图4b)。结果表明，动力条件下软弱夹层3具有低弹模特性，其弹模远小于硬层。

[0071] 由此可以看出，本方案所配制软弱夹层3和上硬层13、下硬层4能够反映实际斜坡中含软弱层带的情况，满足试验需求。

[0072] 现有振动台模型相似材料通常采用石膏作为粘结剂，这样配制的相似材料泡水易解体，振动工况下更易解体破坏，同时渗透性较差；如果增加石膏含量，一定程度可增加材料水稳性，减慢解体破坏过程，但导致硬度较大，弹性模量较高，无法模拟实际软弱层带低弹模特性。而本方案采用有机盐聚合物溶液作为粘结剂，可有效模拟饱水软弱层带高渗透、低弹模特性。