一种高可见度和高强度透明黏土及其制备方法与流程

本发明涉及借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料的，特别涉及一种岩土工程可视化模型试验的高可见度和高强度透明黏土及其制备方法。

背景技术：

1、透明土模型试验是室内开展土体受力变形特征分析以及土与结构相互作用机理研究的重要试验方法，配置具有高可见度同时能够反映工程土体实际强度和变形特性的透明土是这类模型试验成败与否的关键。

2、目前，主要有五类透明土的配制方法：

3、(1)以无定型硅粉为固相，即“土骨架”，以矿物油和石蜡溶剂混合物或溴化钙盐水形成的混合液体为液相即“孔隙液体”；

4、(2)以硅胶为“土骨架”，以矿物油和石蜡溶剂混合物或溴化钙盐水形成的混合液体为“孔隙液体”；

5、(3)以水凝胶为“土骨架”，以水为“孔隙液体”；

6、(4)以熔融石英为“土骨架”，以水为“孔隙液体”；

7、(5)以合成皂锂石为“土骨架”，以水为“孔隙液体”。

8、上述的配制方法中存在的问题有：配制的透明土可见度低，一般不超过5cm，如第(1)种配制方法，或者配制的透明土几乎没有强度只能用于模拟软弱土和很软的海相沉积土(不排水抗剪强度低于1kpa)，如第(3)种和第(5)种配制方法，或者配制的透明土不能产生粘聚力无法模拟黏土，如第(2)种和第(4)种配制方法。

9、目前已有的透明土配方都不能很好的模拟黏土的物理力学性质，特别是无法达到工程中常见黏土的强度(不排水抗剪强度10kpa到50kpa)。如何配置高可见度和高强度透明黏土，成为开展透明土模型试验的关键技术需求。

技术实现思路

1、本发明解决了现有技术中存在的问题，提供了一种高可见度和高强度透明黏土及其制备方法，在保证高强度的前提下，可达到10cm以上的可见度，配制出的透明黏土可用于各类黏性土模型试验研究。

2、本发明所采用的技术方案是，一种高可见度和高强度透明黏土的制备方法，所述方法预估透明黏土浆液体积后计算所需孔隙液体的各成分体积，配制孔隙液体后抽真空、加入气相二氧化硅后抽真空、分级加载进行固结排水、逐级卸载，得到高可见度和高强度透明黏土。

3、优选地，包括以下步骤：

4、步骤1：基于压缩固结效应，预估制备透明黏土所需透明黏土浆液体积；孔隙液体为正链烷烃c10-13和15号白油的混合液；此处预估是指，若要最终得到高强度透明黏土体积v，考虑后期压缩固结效应影响，则需配制透明黏土浆液体积3v～5v，具体体积由固结应力决定，固结应力越大，土体强度越高，排出的孔隙液体越多，需要透明黏土浆液的体积也越大；

5、步骤2：记录制备时的温度t1，测量温度t1时正链烷烃c10-13和15号白油的折射率，计算所需正链烷烃c10-13和15号白油的体积；按计算所得将正链烷烃c10-13与15号白油混合并调整，直至混合液折射率达到预期值；

6、步骤3：将混合后的正链烷烃c10-13与15号白油进行称重，真空除泡；其中，称重和除泡均在真空桶中完成，抽真空时间一般为10～20min，至液体中只有少量气泡均匀冒出为止；

7、步骤4：计算所需气相二氧化硅的质量，将气相二氧化硅分批次与混合液混合并搅拌，直至粉状气相二氧化硅全部溶于混合液中，形成透明黏土浆液，真空除泡；此处，气相二氧化硅分批次缓慢倒入真空桶中与混合液混合，然后使用搅拌机进行搅拌，最后真空除泡，直至透明黏土浆液清澈透明；

8、配置过程中控制混合液体的折射率和气相二氧化硅的折射率相同；通过抽真空处理，排除混合液中的气泡，确保配成的透明黏土具有高可见度。

9、步骤5：将透明黏土浆液倒入固结两用箱中，加载固结；采用试验固结两用箱是为了避免土体移动产生扰动进而影响透明黏土的透明度，实践表明扰动后的透明黏土呈白色，严重影响透明度，因此应避免移动配制好的土体；固结过程中则采用自动采集百分表实时采集固结沉降量，固结沉降稳定后方可进行下一级加载，固结过程中排出的孔隙液体经折射率微调后可用于下次配制；

10、步骤6：固结完成后，进行逐级卸载，得到高可见度和高强度透明黏土。

11、优选地，步骤2中，按式(1)计算所需正链烷烃c10-13和15号白油百分比，进而获得正链烷烃c10-13和15号白油的体积，

12、

13、其中，nmix为混合液的折射率，n15为15号白油的折射率，nc10-13为正链烷烃c10-13的折射率，p为15号白油占混合液体体积的百分比。

14、本发明中，混合液折射率的预期值为气相二氧化硅的折射率，此处为为1.46。

15、优选地，步骤4中，按式(2)计算所需气相二氧化硅的质量

16、

17、其中，mmix为混合液体质量。

18、优选地，步骤5包括以下步骤：

19、步骤5.1：所述固结两用箱的底板上设有排水孔，配合所述底板上的固结两用箱内由下至上顺次设置第一砂垫层和第一排水板，第一排水板下设有第一砂垫层，将透明黏土浆液倒入固结两用箱的第一排水板上；

20、步骤5.2：透明黏土浆液具有一定强度时，在透明黏土浆液顶部顺次放置第二排水板、第二砂垫层和应力分散板；

21、步骤5.3：以加载杠杆对固结两用箱进行逐级加载固结。

22、优选地，所述固结两用箱的内侧壁处设有纵向插槽；若要在透明黏土侧播种示踪迹粒子，则于步骤5.1结束后，在纵向插槽处插入中间隔板进行阻隔，待透明黏土浆液具有一定强度时拆除中间隔板，进行步骤5.2。

23、优选地，步骤6中，逐级卸载的压强与加载的压强对应。

24、优选地，以环刀对制备得到的透明黏土取样，取样完毕后在土块上浇洒孔隙液体，可使取样处扰动土体恢复透明；对透明黏土土样进行土工试验，包括但不限于快剪试验或三轴试验等，测试透明黏土的强度指标，检查透明黏土土样是否满足要求。工程中常见黏土的不排水抗剪强度一般在10kpa到50kpa之间，因此黏土土样的不排水抗剪强度需要大于10kpa才可满足要求。若待模拟黏土的不排水抗剪强度大于10kpa，则应根据待模拟黏土的强度确定是否要求。

25、优选的，因为卸载后再进行模型试验，因此所配置的透明粘土均为超固结土。又因为透明粘土的配制成份固定(除了正链烷烃c10-13和白油的比例会略有不同)，因此配制的透明土的压缩模量等参数仅与试验时的超固结比有关。实验时，土体承受的竖向应力为p，该值一般小于固结压力。因此配制的土体的压缩模量的计算公式如下所示：

26、

27、其中，ce为本配方配制透明黏土在固结压力50kpa到设计固结压力时的压缩指数，取为1.306；p为试验时土体承受的竖向应力，e1为本配方配制的透明黏土在固结压力50kpa的孔隙比，取为2.701。

28、一种高可见度和高强度透明黏土，所述透明黏土采用所述的制备方法制备。

29、本发明涉及一种高可见度和高强度透明黏土及其制备方法，预估透明黏土浆液体积后计算所需孔隙液体的各成分体积，配制孔隙液体后抽真空、加入气相二氧化硅后抽真空、分级加载进行固结排水、逐级卸载，得到高可见度和高强度透明黏土。

30、本发明的有益效果在于：

31、(1)配制方法操作简便，易于实现；

32、(2)制成的透明黏土透明效果好，可见度可达10cm以上，可以满足扩大模型试验箱的需求，有效减小模型的边界效应；

33、(3)通过控制固结排水压力，使得透明黏土样的不排水抗剪强度最大可达到50kpa，可模拟实际工程中的大部分黏性土；

34、(4)可用于各类黏性土室内模型试验研究。

35、(5)可以通过理论公式计算配置透明土的与竖向应力有关的压缩模量。