一种模拟上海地区⑤层软土的试验用模型土及配置方法
【专利摘要】本发明提供一种模拟上海地区⑤层软土的模型土及其配置方法，其组成原料按质量份数计如下：重晶石粉40份，粘土10～20份，双飞粉10～25份，膨润土30～45份，洗衣粉30～45份，水35～49份，其中，粘土为取自上海地区的⑤层软土；制备方法为（1）将重晶石粉、粘土、双飞粉、膨润土和洗衣粉均匀混合制成干燥混合料；（2）将所述混合料放入搅拌机，加水充分搅拌即可。该配置成分及配置方法能够精确模拟上海⑤层软土，且模型土的力学性质稳定，易保存；采用的材料也价格便宜、容易获得，同时配合过程简单。
【专利说明】—种模拟上海地区⑤层软土的试验用模型土及配置方法
【技术领域】
[0001]本发明属于土木工程【技术领域】，涉及一种土木工程及地下工程使用的模型土，特别涉及一种模拟上海市⑤层软土的模型土技术。
【背景技术】
[0002]由于土体本身的复杂性和不确定性，使得在进行地下工程研究的过程中，不得不大量依靠模型试验。通过模型试验，可以模拟工程中的各种问题，为实际工程提供了有力的技术支撑。然而，在模型实验中，很重要的一点就是模型土的配置，因为模型土既需要满足一定的物理力学条件，又需要价格便宜，容易配制。因此，模型土的配制，始终是工程试验中的难点。
[0003]一般情况下，工程试验中的模型土应具有以下的性质:(1)模型土的力学性质稳定，在试验过程中保持力学参数基本不变；(2)与原状土满足相似的力学参数比例关系，且小幅度改变配合比，能 够调整模型土的力学参数；(3)原材料容易获得，价格便宜，无毒副作用；(4)制作方法简单。
[0004]国内外一些学者对模型土的配置进行了一定的研究，总结如下:
[0005]李围等人在研究南京玄武湖公路隧道下新建地铁盾构隧道时，进行了模拟试验采用重晶石粉:机油:粉煤灰=1.0:0.64:1.5的比例模拟地表浅层和玄武湖隧道所在地层，采用重晶石粉:机油:粉煤灰:河砂=1.0:0.34:0.67:0.17模拟盾构隧道及其底部地层。此工程中，所模拟的原状土层参数为重度19.4kN/m3,粘聚力41.2kPa,内摩擦角6.9°。但由于该模型土原材料中采用了机油，机油既不易取得也不环保，且容易引起火灾。
[0006]唐志成等人在研究我国城市地铁区间盾构隧道管片力学行为时针对南京地铁一期工程玄武门-南京站区间的具有代表性的土体作为模型试验的原型土体，采用重晶石粉、石英砂、松香和凡士林的混合物按照特定比例进行配比模拟。然而在其论文中并没有说明材料的具体配比数量，亦没有明确说明获得的模型土的力学参数，因此借鉴作用较小。
[0007]杨雄针对南京长江隧道江中段主要穿越的具有代表性的土体作为模型试验的原型土体，采用重晶石粉:粉煤灰:河砂:粗石英砂:凡士林:松香:机油=0.01:1:1:0.02:0.035:0.0:0.001:0.045进行模拟。该模型土的配制过程中，除了对重度、内摩擦角和粘聚力进行了相似处理，还考虑了压缩模量的相似性。然而该模型土是针对砂土模型进行相似模拟，内摩擦角及压缩模量均与软土有较大差别，且在原材料选择中，同样采用了机油。
[0008]徐前卫在研究盾构施工参数的地层适应性中，采用包括粉煤灰、红粉砂、粘土、高岭土、重晶石粉、铁粉、机油和水按照一定的重量比分别称量好，经过试验，得到了相似比近似等于16的上海④层灰色淤泥质粘土。然而同样没有说明具体的材料配比参数，且采用了机油。
[0009]廖少明等人采用粘土、重晶石粉、膨润土、洗衣粉、EPE珍珠棉泡颗粒、水通过特定比例混合，配制得到了高压缩性相似模型土。该方法的优点是大大降低了模型土的压缩模量，但是EPE珍珠棉泡颗粒材料需要经过粉碎等步骤，制作较为困难。且模型土的压缩模量最低为0.76MPa，仍然较大，不能满足大相似比情况下模型土的需求。
[0010]上述研究分别针对不同地区的不同土层进行了模型土的配制。然而，土体的地域性很强，上述模型土配制研究中重要的土体力学参数(重度，内摩擦角，粘聚力及压缩模量)均与上海⑤层软土有较大差异，不适合在上海相关模型试验中采用。此外，上述研究中大多仅在重度，内摩擦角及粘聚力三方面对模型土与原状土进行了模拟，未考虑对试验结果影响极大的压缩模量的相似处理。这使得试验结果不能真实反映实际中土体的变形规律。
【发明内容】
[0011]本发明的目的在于提供一种模拟上海地区⑤层软土的试验用模型土及其配置方法，该试验用模型土针对上海⑤层软土特有的力学性质，综合考虑了重度，内摩擦角，粘聚力和压缩模量相似关系，以能够精确模拟上海⑤层软土。
[0012]根据《上海市地基基础设计规范》及相关工程实测参数，上海市⑤层软土的物理力学参数大致为重度17.5~19.0kN/m3，粘聚力15~24kPa，内摩擦角16~26°，压缩模量
2.4 ~4.7MPa。
[0013]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=Cc=Ce, C11=I，CyCh=Ce，其中C。为黏聚力相似比，Ce为压缩模量相似比，Ctp为内摩擦角相似比，Cy为重度相似比，Ch几何相似比。因此，在模型土配制的过程中，一般要求Qp=I和(^=1，即模型土与原状土 内摩擦角及重度相等，则此时几何相似比(CH)、粘聚力相似比(O和压缩模量相似比(Ce)应相等，即CE=Cc=CH。而以往的模型土配制的过程中，仅满足了C =1 Cy=I和(^=(；的条件，未考虑压缩模量相似比；且岩土工程的学科特点决定了完全的相似是无法做到的，模型土的配合过程中只能保证粘聚力相似比尽量接近压缩模量相似t匕，无法做到完全相等；此外，原状土本身的性质也是在一定范围内变化，无法精确描述。
[0014]本发明采用重晶石粉，粘土，双飞粉，膨润土，洗衣粉和水为原料，通过模型土对不同的配合比进行了直接剪切试验和固结试验，测试了模型土的重度，内摩擦角，粘聚力及压缩模量。基本保证了模型土重度相似比(Cy)与内摩擦角相似比(C(p)等于1，同时大幅降低了粘聚力相似比(Ce)及压缩模量相似比(CE)，使粘聚力相似比(Ce)与压缩模量相似比(Ce)尽量相等，从而模拟上海⑤层软土。
[0015]为达到上述目的，本发明的解决方案是:
[0016]一种模拟上海地区⑤层软土的模型土，其特征在于:其组成原料按质量份数计如下:
[0017]重晶石粉40份
粘土IO~20份
双飞粉10-25份
膨润土30~45份
洗衣粉30-45份
水35~49份
[0018]其中，粘土为取自上海地区的⑤层软土。
[0019]优选的，所述重晶石粉的目数为500目。
[0020]优选的，所述双飞粉的目数为325目。
[0021]优选的，所述膨润土的目数为400目。
[0022]优选的，所述洗衣粉为市售散装洗衣粉。
[0023]优选的，所述水为干净的自来水。
[0024]一种模拟上海地区⑤层软土的模型土的配置方法，包括以下步骤:
[0025](I)将重晶石粉、粘土、双飞粉、膨润土和洗衣粉按比例混合制成干燥混合料；
[0026](2)将所述混合料放入搅拌`机，加水充分搅拌即可。
[0027]由于采用上述方案，本发明的有益效果是:
[0028]( I)能够精确模拟上海⑤层软土。
[0029]上海⑤层软土的物理力学参数大致为重度17.5~19.0kN/m3，粘聚力15~24kPa,内摩擦角16~26°，压缩模量2.4~4.7MPa。模型试验中，由于模型的尺寸远小于实际建筑物的尺寸，即模型的几何相似比较大，因此根据相似理论，需要大幅降低模型土的粘聚力相似比及压缩模量相似比，并保持重度及内摩擦角基本不变。本发明通过直剪试验和固结试验验证，能够达到上述两点的要求。
[0030](2)模型土力学性质稳定，易保存。
[0031]按照本配合比的要求，进行了一系列的大型土工试验。试验持续数月，在此期间，密封好的模型土性质基本保持不变，显示了较好的稳定性。即使是试验过程使用的材料，也能保持既有的力学性质一到两周。
[0032](3)采用的材料容易获得、价格便宜，同时整个配合过程简单。
[0033]本配合比中除粘土外，重晶石粉、双飞粉、洗衣粉及膨润土均可以通过容易的途径买到，且价格便宜，不用再进行粉碎等其他工序，无任何毒害作用。配合方法简单，同时配置设备仅需台秤，容器，搅拌机等常见工具。
【具体实施方式】
[0034]下面采用实例进一步说明本发明。计算相似比参数选择上，原状土取上述参数(即重度17.5~19.0kN/m3,粘聚力15~24kPa,内摩擦角16~26。，压缩模量2.4~4.7MPa)上限及下限的平均值，模型土以试验数据为准。
[0035]
[0036]实例I[0037]将干燥的细度为500目的重晶石粉40份，干燥的粘土(上海地区的⑤层软土)15份，干燥的细度为325目的双飞粉25份，干燥的细度为400目的膨润土 30份和市售普通洗衣粉30份按比例均匀混合后放入搅拌机中，再向搅拌机中加入干净的自来水42份，经搅拌机充分搅拌均匀即可获得试验用模型土。所得模型土的重度为18.3kN/m3，粘聚力为
3.34kPa,内摩擦角为 21.1°，压缩模量为 0.55MPa,CY=l.00，Cn= 1.00, Cc=5.84，CE=5.55。
[0038]
【权利要求】
1.一种模拟上海地区⑤层软土的模型土，其特征在于:其组成原料按质量份数计如下:重晶石粉40份粘土〗0~20份双飞粉10-25份膨润土30~45份洗衣粉30~45份水35-49份 其中，粘土为取自上海地区的⑤层软土。
2.根据权利要求1所述的模拟上海地区⑤层软土的模型土，其特征在于:所述重晶石粉的目数为500目。
3.根据权利要求1所述的模拟上海地区⑤层软土的模型土，其特征在于:所述双飞粉的目数为325目。
4.根据权利要求1所述的模拟上海地区⑤层软土的模型土，其特征在于:所述膨润土的目数为400目。
5.根据权利要求1所述的模拟上海地区⑤层软土的模型土，其特征在于:所述洗衣粉为市售散装洗衣粉。·
6.根据权利要求1所述的模拟上海地区⑤层软土的模型土，其特征在于:所述水为干净的自来水。
7.根据权利要求1所述的模拟上海地区⑤层软土的模型土的配置方法，包括以下步骤:(1)将重晶石粉、粘土、双飞粉、膨润土和洗衣粉按比例混合制成干燥混合料； (2)将所述混合料放入搅拌机，加水充分搅拌即可。
【文档编号】C04B33/04GK103708810SQ201310596713
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年11月22日 优先权日:2013年11月22日
【发明者】谢雄耀, 王培 , 牛俊涛, 郁宏杰, 卢晓智 申请人:同济大学