模拟黄河地区冲洪积复合地层新型地层材料及其制备方法与流程

本发明涉及新型地层材料制备，尤其是涉及模拟黄河地区冲洪积复合地层新型地层材料及其制备方法。

背景技术：

济南黄河地区地层主要为第四系全新统(q4)、上更新统(q3)，以冲积、冲洪积粉质黏土、砂卵石层为主，局部夹细砂薄层。它是山前倾斜平原及黄河冲积扇中上部的主要物质成分，层位较稳定，厚度较大，山前地带厚度一般15～20m，黄河冲积扇地带厚度20～50m。

模型试验可以模拟各种相对复杂的边界条件，能较全面而又形象地呈现工程结构与相关岩土体共同作用下的应力和破坏机理、变形机制、形态及失稳阶段的全貌。所以长期以来，模型试验法被认为是定量地研究实体特征普遍而有效的方法。随着现代科学技术与各种模拟方法的进步，模型试验已经成为研究工程实际问题的一个重要手段。

模型试验的基础是相似理论，即要求模型和原型相似，模型能够反映原型的情况。根据相似理论，在模型试验中应采用相似材料来制作模型。相似材料的选择、配比以及试验模型的制作方法对材料的物理力学性质具有较大的影响，对模型试验的成功与否起着决定性作用。在模型试验研究中，选择合理的模型材料及配比具有重要意义。在对隧道结构与土体共同作用以及工程施工对土体的扰动作用进行研究时，通常需要配制模型土。模型试验成功与否，模型土的配制占了很大的比重。

如果采用原状土，势必会导致实验结果出现偏差，因此配制合理配比的模型土直接关系到模型试验的准确性。而在配置模型土时，如果采用单一材料作为模型土材料，其局限性很大，往往难以满足相似条件。配制模型土通常的做法是用若干材料(铁精粉、重晶石粉、石膏粉、粉煤灰、石灰粉、石英砂，河砂、黏土、高岭土、红粉砂、黏土粉、机油、木屑、水泥、氧化锌、石蜡、松香、酒精、白乳胶、树脂、水等)按照一定的比例配制而成。因此，相似材料一般是多种材料的混合物，而混合物的具体成分与配比要经过大量的配比试验，不断调整材料比例参数才能满足。这些模型土层材料往往未能考虑地下水作用，所以不适用于流固耦合模型；其次不同模型试验有不同的相似比要求，导致模型土的的物理力学参数不尽相同，所以材料配比也不一致。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供模拟黄河地区冲洪积复合地层新型地层材料及制备方法，该试验用模型土针对黄河地区冲洪积复合地层粉质黏土及砂卵石特有的物理特性与水理特性，综合考虑了重度、内摩擦角、粘聚力、压缩模量及渗透系数相似关系，得到精度较高的相似模型土。

本发明通过以下方法实现：本发明第一方面提供模拟黄河地区冲洪积复合地层新型地层材料，由模型粉质黏土、模型砂卵石土组成，所述模型粉质黏土和模型砂卵石土之间形成的平面与水平面的夹角角度为α。

优选的，其中夹角角度α的范围为0～360°。

优选的，所述模型粉质黏土重量分数分别为：

重晶石粉500～515份；

黏土630～645份；

细砂1270～1280份；

细石英砂510～515份；

凡士林40～45份；

硅油20～25份；

水210～220份。

优选的，所述模型粉质黏土中：所述重晶石粉的目数为280目；所述黏土粒径为2mm；所述细砂粒径为1mm；所述细石英砂目数为100-200目；所述凡士林为无毒医用级白色凡士林；所述硅油粘度为1000cs；所述水为干净的自来水。

优选的，所述模型砂卵石土重量分数分别为：

细砂2000～2150份；

粗砂400～435份；

重晶石粉400～435份；

水70～80份。

优选的，所述模型砂卵石土中：所述重晶石粉的目数为280目；所述细砂粒径为1mm；所述粗砂粒径为4.75mm；所述水为干净的自来水。

本发明的第二方面提供模拟黄河地区冲洪积复合地层新型地层材料的配制方法，包括以下步骤：

(1)将河砂、黏土晒干；所述河砂为普通建筑用砂；

(2)通过筛分法得到粒径为1mm的细砂、粒径为4.75mm的粗砂、粒径为2mm的黏土；

(3)按配比称取粒径为1mm的细砂2000～2150份、粒径为4.75mm的粗砂400～435份和280目的重晶石粉400～435份制成混合料倒入搅拌机，并加入干净的自来水70～80份搅拌得到模型砂卵石土；

(4)按配比称取1mm的细砂1270～1280份、粒径为2mm的黏土630～645份、细石英砂510～515份和280目的重晶石粉500～515份制成混合料倒入搅拌机，并加入干净的自来水210～220份搅拌；同时加入熔融的凡士林，加入硅油，搅拌均匀制得模型粉质黏土；

(5)将模型粉质黏土与模型卵石土按角度α倒入模型箱内，得到黄河地区冲洪积复合地层新型地层材料。

优选的，将凡士林加热到45～50℃将其熔融，并迅速加入。

优选的，所述角度α的范围为0～360°。

本发明第三方面提供新型地层材料在模拟黄河地区冲洪积复合地层中的应用。

本发明具有以下有益效果：

1)相似度好，模型试验中，由于几何相似比较大，需要大幅降低模型土的粘聚力相似比、压缩模量相似比、渗透系数相似比，并保持重度及内摩擦角大致相等。本发明通过直剪实验与固结实验、变水头渗透系数实验等验证，本实验模型土相似度较好。

2)成本低廉，制备过程环保减少污染。模型土配制所需原材料均为市场定型产品，价格低廉，容易获得，符合当前新旧动能转换大背景下的绿色环保的要求，且所有材料对人体无毒害作用。

3)操作简便，材料性质稳定。在室温条件下，将各成分按配比规定称量好后，按上述步骤搅拌制得的模型土均匀性好，力学性质稳定。

附图说明

图1为济南黄河地区冲洪积复合模拟地层。

图1所示，1-模型粉质黏土，2-模型砂卵石土，3-模型粉质黏土和模型砂卵石土形成的平面。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

正如背景技术部分所介绍的，如果采用原状土，势必会导致实验结果出现偏差，因此配制合理配比的模型土直接关系到模型试验的准确性。而在配置模型土时，如果采用单一材料作为模型土材料，其局限性很大，往往难以满足相似条件。传统模型土层材料往往未能考虑地下水作用，所以不适用于流固耦合模型；其次不同模型试验有不同的相似比要求，导致模型土的的物理力学参数不尽相同，所以材料配比也不一致。针对济南复合地层盾构隧道流固耦合模型试验所需软硬两种用模型土，能够准确模拟济南地区粉质黏土及砂卵石地层的各项力学性质，其配比及相似比满足该地层流固耦合实验需求，因此可以更好地反映该地层流固耦合作用机理，得出更加准确的实验结果。

本专利中提出相似材料的选择一般应遵循如下原则：

(1)均匀、各向同性；

(2)材料性质稳定，不易受环境因素(如温度、湿度等)的影响；

(3)改变材料的配比可使材料力学性质在一个较大范围内变化；

(4)原材料来源广泛，成本低廉，便于制作模型。

根据该地区相关工程地质勘查报告，济南市地区粉质黏土及砂卵石物理力学参数如表1所示。

表1原型土物理力学性质指标

依据相似理论，即一个物理系统中的物理现象的全部数值均可以由另外一个物理系统的对应物理现象数值乘以一个恒定的无量纲数得到，可知模型土与原状土应满足如下关系：cl＝cc＝ce＝1∶30，cγ＝cφ＝1，ck＝5.5，

其中cl为几何相似比，cc为粘聚力相似比，ce为压缩模量相似比，cγ为重度相似比，cφ为内摩擦角相似比，ck为渗透系数相似比。

模拟黄河地区冲洪积复合地层新型地层材料是由模型粉质黏土、模型砂卵石土组合而成。所述模型粉质黏土与所述模型砂卵石可以通过角度α的改变，模拟济南黄河地区冲洪积复合地层不同的组合方式。

所述模型粉质黏土重量分数分别为：

重晶石粉500～515份；

黏土630～645份；

细砂1270～1280份；

细石英砂510～515份；

凡士林40～45份；

硅油20～25份；

水210～220份。

所述模型粉质黏土中：所述重晶石粉的目数为280目；所述黏土粒径为2mm；所述细砂粒径为1mm；所述细石英砂目数为100-200目；所述凡士林为无毒医用级白色凡士林；所述硅油粘度为1000cs；所述水为干净的自来水。

所述模型砂卵石土重量分数分别为：

细砂2000～2150份；

粗砂400～435份；

重晶石粉400～435份；

水70～80份。

所述模型砂卵石土中：所述重晶石粉的目数为280目；所述细砂粒径为1mm；所述粗砂粒径为4.75mm；所述水为干净的自来水。

模拟黄河地区冲洪积复合地层新型地层材料的配制方法，包括以下步骤：

(1)将河砂、黏土晒干；所述河砂为普通建筑用砂；

(2)通过筛分法得到粒径为1mm的细砂、粒径为4.75mm的粗砂、粒径为2mm的黏土；

(3)按配比称取粒径为1mm的细砂2000～2150份、粒径为4.75mm的粗砂400～435份和280目的重晶石粉400～435份制成混合料倒入搅拌机，并加入干净的自来水70～80份搅拌得到模型砂卵石土；

(4)按配比称取1mm的细砂1270～1280份、粒径为2mm的黏土630～645份、细石英砂510～515份和280目的重晶石粉500～515份制成混合料倒入搅拌机，并加入干净的自来水210～220份搅拌；同时加入熔融的凡士林，加入硅油，搅拌均匀制得模型粉质黏土；

(5)将模型粉质黏土与模型卵石土按角度α倒入模型箱内，得到黄河地区冲洪积复合地层新型地层材料。

将凡士林加热到45～50℃将其熔融，并迅速加入。

表2模型土物理力学性质指标

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。

本发明实施例中所用的试验材料均为本领域常规的试验材料，均可通过商业渠道购买得到。

模拟济南黄河地区冲洪积复合地层新型地层材料是由模型粉质黏土1、模型砂卵石土2组合而成；模型粉质黏土1与模型砂卵石土2可以通过调节模型粉质黏土和模型砂卵石土形成的平面与水平面的夹角角度α的改变，模拟济南黄河地区冲洪积复合地层不同的组合方式。

所用的土工试验检测方法如下：

模型土的粘聚力采用直剪试验测定；

模型土的内摩擦角采用直剪试验测定；

模型土的压缩模量采用固结试验测定；

模型土的渗透系数采用变水头渗透系数试验测定。

实施例1

采用重晶石粉510g、黏土(粒径2mm)638g、细砂(粒径1mm)1277g、细石英砂511g、硅油21g拌和均匀后，加入洁净的自来水215g至饱和状态，再将凡士林43g加热至45～50℃至熔融状态，迅速与上述材料均匀混合。所得模型土的粘聚力为1.23kpa，内摩擦角为19.29°，压缩模量为0.57mpa，渗透系数为0.0022m/d。

实施例2

采用细砂(粒径1mm)2144g、粗砂(粒径4.75mm)428g、重晶石粉428g，拌和均匀后，加入洁净的自来水75g至饱和状态。所得模型土的粘聚力为0.12kpa，内摩擦角为29.58°，压缩模量为2.31mpa，渗透系数为1.73m/d。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。