一種模擬上海地區(qū)⑤層軟土的試驗(yàn)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(jì)如下：重晶石粉40份，粘土10～20份，雙飛粉10～25份，膨潤(rùn)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(rùn)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(jī)，加水充分?jǐn)嚢杓纯?。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(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，易保存；采用的材料也價(jià)格便宜、容易獲得，同時(shí)配合過程簡(jiǎn)單。
【專利說明】—種模擬上海地區(qū)⑤層軟土的試驗(yàn)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(fù)雜性和不確定性，使得在進(jìn)行地下工程研究的過程中，不得不大量依靠模型試驗(yàn)。通過模型試驗(yàn)，可以模擬工程中的各種問題，為實(shí)際工程提供了有力的技術(shù)支撐。然而，在模型實(shí)驗(yàn)中，很重要的一點(diǎn)就是模型土的配置，因?yàn)槟Ｐ屯良刃枰獫M足一定的物理力學(xué)條件，又需要價(jià)格便宜，容易配制。因此，模型土的配制，始終是工程試驗(yàn)中的難點(diǎn)。
[0003]一般情況下，工程試驗(yàn)中的模型土應(yīng)具有以下的性質(zhì):(1)模型土的力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在試驗(yàn)過程中保持力學(xué)參數(shù)基本不變；(2)與原狀土滿足相似的力學(xué)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(xué)參數(shù)；(3)原材料容易獲得，價(jià)格便宜，無毒副作用；(4)制作方法簡(jiǎn)單。
[0004]國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)模型土的配置進(jìn)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(shí)，進(jìn)行了模擬試驗(yàn)采用重晶石粉:機(jī)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(jī)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(jī)油，機(jī)油既不易取得也不環(huán)保，且容易引起火災(zāi)。
[0006]唐志成等人在研究我國(guó)城市地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道管片力學(xué)行為時(shí)針對(duì)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(yàn)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(jìn)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(xué)參數(shù)，因此借鑒作用較小。
[0007]楊雄針對(duì)南京長(zhǎng)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(yàn)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(jī)油=0.01:1:1:0.02:0.035:0.0:0.001:0.045進(jìn)行模擬。該模型土的配制過程中，除了對(duì)重度、內(nèi)摩擦角和粘聚力進(jìn)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(duì)砂土模型進(jìn)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(jī)油。
[0008]徐前衛(wèi)在研究盾構(gòu)施工參數(shù)的地層適應(yīng)性中，采用包括粉煤灰、紅粉砂、粘土、高嶺土、重晶石粉、鐵粉、機(jī)油和水按照一定的重量比分別稱量好，經(jīng)過試驗(yàn)，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(jī)油。
[0009]廖少明等人采用粘土、重晶石粉、膨潤(rùn)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(diǎn)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(duì)不同地區(qū)的不同土層進(jìn)行了模型土的配制。然而，土體的地域性很強(qiáng)，上述模型土配制研究中重要的土體力學(xué)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(yàn)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(duì)模型土與原狀土進(jìn)行了模擬，未考慮對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響極大的壓縮模量的相似處理。這使得試驗(yàn)結(jié)果不能真實(shí)反映實(shí)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(yàn)用模型土及其配置方法，該試驗(yàn)用模型土針對(duì)上海⑤層軟土特有的力學(xué)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(jì)規(guī)范》及相關(guān)工程實(shí)測(cè)參數(shù)，上海市⑤層軟土的物理力學(xué)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(gè)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(gè)物理系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)物理現(xiàn)象數(shù)值乘以一個(gè)恒定的無量綱數(shù)得到，可知模型土與原狀土應(yīng)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(shí)幾何相似比(CH)、粘聚力相似比(O和壓縮模量相似比(Ce)應(yīng)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(xué)科特點(diǎn)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(rùn)土，洗衣粉和水為原料，通過模型土對(duì)不同的配合比進(jìn)行了直接剪切試驗(yàn)和固結(jié)試驗(yàn)，測(cè)試了模型土的重度，內(nèi)摩擦角，粘聚力及壓縮模量?；颈ＷC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(shí)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(dá)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(jì)如下:
[0017]重晶石粉40份
粘土IO~20份
雙飛粉10-25份
膨潤(rùn)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(rùn)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(rùn)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(jī)，加水充分?jǐn)嚢杓纯伞?br> [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(xué)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(yàn)中，由于模型的尺寸遠(yuǎn)小于實(shí)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(yàn)和固結(jié)試驗(yàn)驗(yàn)證，能夠達(dá)到上述兩點(diǎn)的要求。
[0030](2)模型土力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，易保存。
[0031]按照本配合比的要求，進(jìn)行了一系列的大型土工試驗(yàn)。試驗(yàn)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(yàn)過程使用的材料，也能保持既有的力學(xué)性質(zhì)一到兩周。
[0032](3)采用的材料容易獲得、價(jià)格便宜，同時(shí)整個(gè)配合過程簡(jiǎn)單。
[0033]本配合比中除粘土外，重晶石粉、雙飛粉、洗衣粉及膨潤(rùn)土均可以通過容易的途徑買到，且價(jià)格便宜，不用再進(jìn)行粉碎等其他工序，無任何毒害作用。配合方法簡(jiǎn)單，同時(shí)配置設(shè)備僅需臺(tái)秤，容器，攪拌機(jī)等常見工具。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面采用實(shí)例進(jìn)一步說明本發(fā)明。計(jì)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(yàn)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。
[0035]
[0036]實(shí)例I[0037]將干燥的細(xì)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(xì)度為325目的雙飛粉25份，干燥的細(xì)度為400目的膨潤(rùn)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(jī)中，再向攪拌機(jī)中加入干凈的自來水42份，經(jīng)攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢杈鶆蚣纯色@得試驗(yàn)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(jì)如下:重晶石粉40份粘土〗0~20份雙飛粉10-25份膨潤(rùn)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(rùn)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(rùn)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(jī)，加水充分?jǐn)嚢杓纯伞?br> 【文檔編號(hào)】C04B33/04GK103708810SQ201310596713
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)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(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)