一種模擬上海地區(qū)⑤層軟土的試驗用模型土及配置方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種模擬上海地區(qū)⑤層軟土的模型土及其配置方法，其組成原料按質(zhì)量份數(shù)計如下：重晶石粉40份，粘土10～20份，雙飛粉10～25份，膨潤土30～45份，洗衣粉30～45份，水35～49份，其中，粘土為取自上海地區(qū)的⑤層軟土；制備方法為（1）將重晶石粉、粘土、雙飛粉、膨潤土和洗衣粉均勻混合制成干燥混合料；（2）將所述混合料放入攪拌機，加水充分攪拌即可。該配置成分及配置方法能夠精確模擬上海⑤層軟土，且模型土的力學性質(zhì)穩(wěn)定，易保存；采用的材料也價格便宜、容易獲得，同時配合過程簡單。
【專利說明】—種模擬上海地區(qū)⑤層軟土的試驗用模型土及配置方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于土木工程【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種土木工程及地下工程使用的模型土，特別涉及一種模擬上海市⑤層軟土的模型土技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]由于土體本身的復雜性和不確定性，使得在進行地下工程研究的過程中，不得不大量依靠模型試驗。通過模型試驗，可以模擬工程中的各種問題，為實際工程提供了有力的技術(shù)支撐。然而，在模型實驗中，很重要的一點就是模型土的配置，因為模型土既需要滿足一定的物理力學條件，又需要價格便宜，容易配制。因此，模型土的配制，始終是工程試驗中的難點。
[0003]一般情況下，工程試驗中的模型土應具有以下的性質(zhì):(1)模型土的力學性質(zhì)穩(wěn)定，在試驗過程中保持力學參數(shù)基本不變；(2)與原狀土滿足相似的力學參數(shù)比例關(guān)系，且小幅度改變配合比，能 夠調(diào)整模型土的力學參數(shù)；(3)原材料容易獲得，價格便宜，無毒副作用；(4)制作方法簡單。
[0004]國內(nèi)外一些學者對模型土的配置進行了一定的研究，總結(jié)如下:
[0005]李圍等人在研究南京玄武湖公路隧道下新建地鐵盾構(gòu)隧道時，進行了模擬試驗采用重晶石粉:機油:粉煤灰=1.0:0.64:1.5的比例模擬地表淺層和玄武湖隧道所在地層，采用重晶石粉:機油:粉煤灰:河砂=1.0:0.34:0.67:0.17模擬盾構(gòu)隧道及其底部地層。此工程中，所模擬的原狀土層參數(shù)為重度19.4kN/m3,粘聚力41.2kPa,內(nèi)摩擦角6.9°。但由于該模型土原材料中采用了機油，機油既不易取得也不環(huán)保，且容易引起火災。
[0006]唐志成等人在研究我國城市地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道管片力學行為時針對南京地鐵一期工程玄武門-南京站區(qū)間的具有代表性的土體作為模型試驗的原型土體，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進行配比模擬。然而在其論文中并沒有說明材料的具體配比數(shù)量，亦沒有明確說明獲得的模型土的力學參數(shù)，因此借鑒作用較小。
[0007]楊雄針對南京長江隧道江中段主要穿越的具有代表性的土體作為模型試驗的原型土體，采用重晶石粉:粉煤灰:河砂:粗石英砂:凡士林:松香:機油=0.01:1:1:0.02:0.035:0.0:0.001:0.045進行模擬。該模型土的配制過程中，除了對重度、內(nèi)摩擦角和粘聚力進行了相似處理，還考慮了壓縮模量的相似性。然而該模型土是針對砂土模型進行相似模擬，內(nèi)摩擦角及壓縮模量均與軟土有較大差別，且在原材料選擇中，同樣采用了機油。
[0008]徐前衛(wèi)在研究盾構(gòu)施工參數(shù)的地層適應性中，采用包括粉煤灰、紅粉砂、粘土、高嶺土、重晶石粉、鐵粉、機油和水按照一定的重量比分別稱量好，經(jīng)過試驗，得到了相似比近似等于16的上海④層灰色淤泥質(zhì)粘土。然而同樣沒有說明具體的材料配比參數(shù)，且采用了機油。
[0009]廖少明等人采用粘土、重晶石粉、膨潤土、洗衣粉、EPE珍珠棉泡顆粒、水通過特定比例混合，配制得到了高壓縮性相似模型土。該方法的優(yōu)點是大大降低了模型土的壓縮模量，但是EPE珍珠棉泡顆粒材料需要經(jīng)過粉碎等步驟，制作較為困難。且模型土的壓縮模量最低為0.76MPa，仍然較大，不能滿足大相似比情況下模型土的需求。
[0010]上述研究分別針對不同地區(qū)的不同土層進行了模型土的配制。然而，土體的地域性很強，上述模型土配制研究中重要的土體力學參數(shù)(重度，內(nèi)摩擦角，粘聚力及壓縮模量)均與上海⑤層軟土有較大差異，不適合在上海相關(guān)模型試驗中采用。此外，上述研究中大多僅在重度，內(nèi)摩擦角及粘聚力三方面對模型土與原狀土進行了模擬，未考慮對試驗結(jié)果影響極大的壓縮模量的相似處理。這使得試驗結(jié)果不能真實反映實際中土體的變形規(guī)律。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0011]本發(fā)明的目的在于提供一種模擬上海地區(qū)⑤層軟土的試驗用模型土及其配置方法，該試驗用模型土針對上海⑤層軟土特有的力學性質(zhì)，綜合考慮了重度，內(nèi)摩擦角，粘聚力和壓縮模量相似關(guān)系，以能夠精確模擬上海⑤層軟土。
[0012]根據(jù)《上海市地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》及相關(guān)工程實測參數(shù)，上海市⑤層軟土的物理力學參數(shù)大致為重度17.5~19.0kN/m3，粘聚力15~24kPa，內(nèi)摩擦角16~26°，壓縮模量
2.4 ~4.7MPa。
[0013]依據(jù)相似理論，即一個物理系統(tǒng)中的物理現(xiàn)象的全部數(shù)值均可以由另外一個物理系統(tǒng)的對應物理現(xiàn)象數(shù)值乘以一個恒定的無量綱數(shù)得到，可知模型土與原狀土應滿足如下關(guān)系=Cc=Ce, C11=I，CyCh=Ce，其中C。為黏聚力相似比，Ce為壓縮模量相似比，Ctp為內(nèi)摩擦角相似比，Cy為重度相似比，Ch幾何相似比。因此，在模型土配制的過程中，一般要求Qp=I和(^=1，即模型土與原狀土 內(nèi)摩擦角及重度相等，則此時幾何相似比(CH)、粘聚力相似比(O和壓縮模量相似比(Ce)應相等，即CE=Cc=CH。而以往的模型土配制的過程中，僅滿足了C =1 Cy=I和(^=(；的條件，未考慮壓縮模量相似比；且?guī)r土工程的學科特點決定了完全的相似是無法做到的，模型土的配合過程中只能保證粘聚力相似比盡量接近壓縮模量相似t匕，無法做到完全相等；此外，原狀土本身的性質(zhì)也是在一定范圍內(nèi)變化，無法精確描述。
[0014]本發(fā)明采用重晶石粉，粘土，雙飛粉，膨潤土，洗衣粉和水為原料，通過模型土對不同的配合比進行了直接剪切試驗和固結(jié)試驗，測試了模型土的重度，內(nèi)摩擦角，粘聚力及壓縮模量。基本保證了模型土重度相似比(Cy)與內(nèi)摩擦角相似比(C(p)等于1，同時大幅降低了粘聚力相似比(Ce)及壓縮模量相似比(CE)，使粘聚力相似比(Ce)與壓縮模量相似比(Ce)盡量相等，從而模擬上海⑤層軟土。
[0015]為達到上述目的，本發(fā)明的解決方案是:
[0016]一種模擬上海地區(qū)⑤層軟土的模型土，其特征在于:其組成原料按質(zhì)量份數(shù)計如下:
[0017]重晶石粉40份
粘土IO~20份
雙飛粉10-25份
膨潤土30~45份
洗衣粉30-45份
水35~49份
[0018]其中，粘土為取自上海地區(qū)的⑤層軟土。
[0019]優(yōu)選的，所述重晶石粉的目數(shù)為500目。
[0020]優(yōu)選的，所述雙飛粉的目數(shù)為325目。
[0021]優(yōu)選的，所述膨潤土的目數(shù)為400目。
[0022]優(yōu)選的，所述洗衣粉為市售散裝洗衣粉。
[0023]優(yōu)選的，所述水為干凈的自來水。
[0024]一種模擬上海地區(qū)⑤層軟土的模型土的配置方法，包括以下步驟:
[0025](I)將重晶石粉、粘土、雙飛粉、膨潤土和洗衣粉按比例混合制成干燥混合料；
[0026](2)將所述混合料放入攪拌`機，加水充分攪拌即可。
[0027]由于采用上述方案，本發(fā)明的有益效果是:
[0028]( I)能夠精確模擬上海⑤層軟土。
[0029]上海⑤層軟土的物理力學參數(shù)大致為重度17.5~19.0kN/m3，粘聚力15~24kPa,內(nèi)摩擦角16~26°，壓縮模量2.4~4.7MPa。模型試驗中，由于模型的尺寸遠小于實際建筑物的尺寸，即模型的幾何相似比較大，因此根據(jù)相似理論，需要大幅降低模型土的粘聚力相似比及壓縮模量相似比，并保持重度及內(nèi)摩擦角基本不變。本發(fā)明通過直剪試驗和固結(jié)試驗驗證，能夠達到上述兩點的要求。
[0030](2)模型土力學性質(zhì)穩(wěn)定，易保存。
[0031]按照本配合比的要求，進行了一系列的大型土工試驗。試驗持續(xù)數(shù)月，在此期間，密封好的模型土性質(zhì)基本保持不變，顯示了較好的穩(wěn)定性。即使是試驗過程使用的材料，也能保持既有的力學性質(zhì)一到兩周。
[0032](3)采用的材料容易獲得、價格便宜，同時整個配合過程簡單。
[0033]本配合比中除粘土外，重晶石粉、雙飛粉、洗衣粉及膨潤土均可以通過容易的途徑買到，且價格便宜，不用再進行粉碎等其他工序，無任何毒害作用。配合方法簡單，同時配置設(shè)備僅需臺秤，容器，攪拌機等常見工具。
【具體實施方式】
[0034]下面采用實例進一步說明本發(fā)明。計算相似比參數(shù)選擇上，原狀土取上述參數(shù)(即重度17.5~19.0kN/m3,粘聚力15~24kPa,內(nèi)摩擦角16~26。，壓縮模量2.4~4.7MPa)上限及下限的平均值，模型土以試驗數(shù)據(jù)為準。
[0035]
[0036]實例I[0037]將干燥的細度為500目的重晶石粉40份，干燥的粘土(上海地區(qū)的⑤層軟土)15份，干燥的細度為325目的雙飛粉25份，干燥的細度為400目的膨潤土 30份和市售普通洗衣粉30份按比例均勻混合后放入攪拌機中，再向攪拌機中加入干凈的自來水42份，經(jīng)攪拌機充分攪拌均勻即可獲得試驗用模型土。所得模型土的重度為18.3kN/m3，粘聚力為
3.34kPa,內(nèi)摩擦角為 21.1°，壓縮模量為 0.55MPa,CY=l.00，Cn= 1.00, Cc=5.84，CE=5.55。
[0038]
【權(quán)利要求】
1.一種模擬上海地區(qū)⑤層軟土的模型土，其特征在于:其組成原料按質(zhì)量份數(shù)計如下:重晶石粉40份粘土〗0~20份雙飛粉10-25份膨潤土30~45份洗衣粉30~45份水35-49份 其中，粘土為取自上海地區(qū)的⑤層軟土。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬上海地區(qū)⑤層軟土的模型土，其特征在于:所述重晶石粉的目數(shù)為500目。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬上海地區(qū)⑤層軟土的模型土，其特征在于:所述雙飛粉的目數(shù)為325目。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬上海地區(qū)⑤層軟土的模型土，其特征在于:所述膨潤土的目數(shù)為400目。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬上海地區(qū)⑤層軟土的模型土，其特征在于:所述洗衣粉為市售散裝洗衣粉?！?br>
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬上海地區(qū)⑤層軟土的模型土，其特征在于:所述水為干凈的自來水。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬上海地區(qū)⑤層軟土的模型土的配置方法，包括以下步驟:(1)將重晶石粉、粘土、雙飛粉、膨潤土和洗衣粉按比例混合制成干燥混合料； (2)將所述混合料放入攪拌機，加水充分攪拌即可。
【文檔編號】C04B33/04GK103708810SQ201310596713
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年11月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月22日
【發(fā)明者】謝雄耀, 王培 , ?？? 郁宏杰, 盧曉智 申請人:同濟大學