CN103130459A - 一种模拟软土地基的高压缩性相似模型土 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟软土地基的高压缩性相似模型土，其采用的原料主要有经晒干，压碎并过2mm筛的上海⑤层粘土，重晶石粉，膨润土，普通家庭用洗衣粉，废弃的EPE珍珠棉泡沫包装材料和洁净水。其重量份数是上海⑤层粘土135-448份，重晶石粉167-889份，膨润土67-286份，家庭用洗衣粉25-71份，EPE珍珠棉泡沫颗粒10份，水167-473份。该模型土能极大降低原状土的压缩模量，粘聚力使其更符合相似模型试验的要求。且参数变化范围广，能满足多种比例的软土相似模型试验。与现有技术相比，本发明模型土采用废弃的EPE珍珠棉泡沫包装材料作为原料，起到了低碳环保，废物利用的作用，这也十分满足我国节能减排，发展循环经济，建设节约型社会的要求。

Description

一种模拟软土地基的高压缩性相似模型土

技术领域

本发明涉及一种模拟土，尤其是涉及一种模拟软土地基的高压缩性相似模型土。

背景技术

随着经济的不断发展，地下空间开发利用规模越来越大，遇到的问题也越来越多。地下工程的相关力学问题，是介质性质、受力条件和边界条件都很复杂的三维问题。解决这类问题的方法主要有数学力学解析方法，计算机有限元模拟技术以及相似模型试验研究。其中数学力学解析方法只能为一些形状和边界条件都相对简单的地下工程提供应力场和位移场的理论解。而计算机模拟技术中材料参数选取，网格优化，计算方法选取等因素对结果影响较大。而以相似原理为理论基础的模型试验研究，是一种发展较早、应用广泛、形象直观的研究方法。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变形机制、破坏机理、形态及失稳阶段的全貌。所以长期以来，模型法都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很大的影响，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。

对岩土模型材料的研究国内外已经做了许多研究，取得了一些有价值的成果。

20世纪60年代，以E.Fumagalli为首的专家在意大利结构模型试验所(ISMES)开创了工程地质力学模型试验技术.总结意大利等国家的科研单位采用的地质力学模型，其材料主要有两类.一类是采用铅氧化物(PbO或Pb3O4)和石膏的混合物为主料，以砂子或小圆石作为辅助材料.另一类模型材料主要以环氧树脂、重晶石粉和甘油为组分，其强度和弹模均高于第一类模型材料，但是需要高温固化，其固化过程中散发的有毒气体也会危害人体的健康.

另外日本在相似模型试验方面研究最多，日本采用模型由高岭土、石膏和水按照质量比例1∶0.55∶1混合做成，先将高岭土和石膏放入大的容器中充分混合，接着逐步加水，用搅拌机搅拌均匀，然后倒入模型槽中，并同时使用振动器是模型材料分布均匀，随后，模型表面铺上湿布，模型槽开口部用塑料袋密封，养护4d。

国内关于相似材料的研究始于20世纪70年代，长江科学院、清华大学、同济大学、中科院武汉岩土力学研究所、中国水利水电科学研究院、山东大学岩土中心、武汉水利电力大学等单位，取得了一大批研究成果。

针对地下水丰富，岩溶洞穴广泛发育的广州地区石灰岩分布区，为了确保多条轨道交通的施工与运营安全，雷金山等(2007)运用统计分析，正交试验设计等方法，得到了岩溶地质的最佳相似材料配比并取得了很好的效果。

为了建立能体现岩体的非均匀性、非弹性及非连续性、多裂隙体的力学特征，罗晶等(2007)以密度、变形模量与泊松比为主要力学参数，在相似原理的指导下，获得了满足要求的模型岩体材料。

张宁等(2009)在研究了国内外近几十年岩土工程中常用的相似材料的基础上，以水泥砂浆的表观密度、抗压强度、弹性模量与劈拉强度等参数为研究对象，通过室内试验获得一种比较理想的岩石相似材料。

张金才，郭鑫禾(1995)采用石英砂、云母粉、碳酸钙为相似材料来模拟原状岩体。

罗定伦等采用河砂，粉煤灰，机油配制了V级围岩相似材料，其几何相似比为30，容重相似比为1.5，弹性模量及粘聚力相似比为45，内摩擦角相似比为1。

左保成，陈从新，刘才华结合反倾岩层边坡失稳破坏机制的相似模型研究，采用石英砂、石膏和水泥来模拟灰岩，研究了相似材料中骨料与胶结物的配比、胶结物中胶结材料的配比及不同的养。护方式对试块强度的影响规律。该材料采用石膏作为胶结剂，但石膏是水溶性材料，其性能易受温度和湿度影响，且干燥缓慢。

韩伯鲤，陈霞龄，宋一乐介绍了一种由重晶石粉、胶膜铁粉和松香酒精溶液搅拌混合而成的相似材料(简称MIB材料)，该材料弹性模量可根据胶膜厚度进行有效调整，其缺点是作为铁粉胶粘剂的氯丁胶含有甲苯，对人体的毒副作用较大。

彭海明，彭振斌，韩金田.介绍选用水泥石膏作为岩石模拟材料，通过大量的水泥石膏室内试验，对水泥石膏相似材料的物理力学性能进行了研究。此类材料的特点是价格低廉、易于加工制作，但模型干燥慢、养护时间长。

马芳平，李仲奎，罗光福.等研制出一种NIOS地质力学模型材料，它由磁铁矿精矿粉、河砂、粘结剂石膏或水泥、拌和用水及添加剂组成，该材料的特点是重度大、价格低廉、性能稳定，但模型干燥慢、养护时间长。

李术才，张强勇，朱维申，等由铁矿粉、重晶石粉、石英砂、石膏粉和松香酒精溶液按规定的配比均匀拌合压实而成的一种复合材料，称为铁晶砂胶结岩土相似材料，

李术才，张宁，李明田，杨磊由水泥、砂、橡胶粉、水、减水剂、早强防冻剂、防水剂混合形成一种新型相似材料.其中砂和橡胶粉作为骨料，减水剂、早强防冻剂、防水剂作为外加剂以减小周围环境对相似材料的物理、力学性质的影响。这种相似材料的力学性质发变化范围较大，适应于不同模型试验的要求，但由于加入了橡胶粉，重度偏低。

戴永浩；陈卫忠，发明了一种软岩相似材料及制备方法，该软岩相似材料由填充材料、骨料、胶结材料、添加料和水按一定比例组成。材料具有容重低、抗压强度与弹性模量低，性质稳定、易于加工、成本低廉、无毒，适合于软岩开采、软岩地下储气库腔体稳定性的地质力学研究。

李树忱；冯现大；李术才；李利平；李国莹；许振浩；袁超等发明了一种用于固流耦合模型试验的相似材料，其重量比组成为：滑石粉1份，砂4～9份，石蜡0.2～0.9份，调节剂0.2～0.9份。该种材料渗透性模拟范围广泛，渗透系数可达1.0×10^-7～5.0×10^-4cm/s，可以用于模拟不同力学性能不同渗透性的岩石。

周国庆；廖波；梁恒昌；赵光思；刘卓典；陈国舟等发明了一种敏感性相似材料及其制备方法，采用质量配比的凡士林、石蜡、导电炭黑、粉末橡胶、短切碳纤维为原料，先将凡士林、石蜡加温融化，搅拌后分别加入导电炭黑、粉末橡胶、短切碳纤维混合均匀制备而成。该相似材料具有敏感性，可以直接通过宏观的电阻测试获得模型试验的变形信息，无需额外的测试仪器。可用于模拟岩土相似材料，其强度较低，较小加压荷载下便可完成试验。

长江水利水电科学院结构材料室通过大量试验研制成功一种以石膏、重晶石粉、砂子和甘油为原料的模型土材料。

清华大学水利系也曾进行了以石膏为胶结料的基础结构模型材料的试验研究，其加重料采用氧化铅、铁粉、重晶石粉等，材料在拌和时加入适量熟淀粉以调节其固结强度(如配方为石膏1、重晶石粉35、水6.8、甘油0.86、淀粉0.136，制出土体的容重24.0kN/m³，抗压强度0.382MPa，抗拉强度0.053MPa，变形模量314MPa)。

北京煤科院则采用胶砂(按照一定比例)、胶结材料(碳酸钙、石膏)和水，经拌和成型后可用来模拟原型土体。

文宝萍等(1997)借助于八五科技攻关课题“黄土地区典型滑坡预测预报及减灾对策研究”，针对孟家山滑坡，在几何相似比为1∶50的条件下，以重度与变形模量为主要相似参数，采用重晶石粉、黏性土、滑石粉、云母片及机油、水等材料成功配制了符合相似比要求的模型土。

针对上海软土地区的地层条件，徐前卫(2006)通过室内配比试验，得到了几何相似比为1∶15.9的典型均质黏土相似材料，以及北京地区均质细砂地层的相似材料，但由于真正均质的地层实际上并不存在，尽管试验结果完全能够揭示盾构掘进过程中的地层变形规律，但与实际复杂地质条件下的地层变形规律相比还是存在一些区别，并且其所用材料机油对环境污染较大。

李韵(2008)通过室内配比试验，以软土地区厚度加权平均的物理力学参数为基础，得到了几何相似比为1∶8.6的概化的地质模型相似材料。

陈孝贤(1999)曾采用细砂、滑石粉、肥皂粉和水按照一定的比例混合来配置模型地基。

何川、李围、余才高(2003)针对南京地铁盾构隧道模型，采用重晶石粉、机油、粉煤灰、河砂(细)和硅灰，按一定的配比在常温下机械搅拌均匀，最后经加压成型后用来模拟原状地层。

综上所述，国内外对岩土相似材料通常的做法是用若干材料如：铁精粉、重晶石粉、石膏粉、粉煤灰、石灰粉、石英砂，河砂、粘土、高岭土、红粉砂、粘土粉、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。并且大多数研究成果都是适合于强度相对而言比较高的岩石、硬土层，而专门针对上海软土地层的成果主要是同济大学朱合华、徐前卫、廖少明等发明的模拟上海地区软土地基的模型土。但这种模型土主要是控制了密度，粘聚力，内摩擦角三个参数，而对变形有重要影响的压缩模量ES1-2并没有控制，并且其所用材料机油对环境污染较大。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种压缩模量低，力学参数变化范围广的模拟软土地基的高压缩性相似模型土。

相似材料的选择一般应遵循如下原则：

(1)均匀、各向同性；

(2)力学性质稳定，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。

在地下工程相似模型试验中，为了达到模型与原型的相似性，使得模型试验结果能够反映到原型当中。根据相似原理，采用量纲分析法，推导得出原型土与模型土各参数相似比应满足如下条件：

$C_{\mathrm{\σ}}=C_C=C_{E_S}=C_{\mathrm{\γ}}{C}_l$

其中

分别为土体强度相似比、粘聚力相似比、压缩模量相似比、重度相似比、几何相似比、内摩擦角相似比。如果保持原型土与模型土重度相似比、内摩擦角相似比接近，则强度相似比、压缩模量相似比和粘聚力相似比就接近于几何相似比。在前人的软土模型土研究中主要控制了重度相似比、粘聚力相似比和内摩擦角相似比。由于软土本身压缩模量就非常低，因此再大幅度降低软土压缩模量，使得压缩模量相似比接近于几何相似比是非常困难的。

本发明的目的是提供一种可以模拟软土地基的高压缩性相似模型土，这种模型土基本保持原型土和模型土的重度、内摩擦角相近，粘聚力和压缩模量可以在一个交大的范围内变化，以满足各种相似比条件下的模型试验。这种模型土有着性能稳定、原料来源广泛、价格低廉制作工艺简单且可重复使用的显著优点。特别是其中的珍珠棉(EPE)泡沫颗粒可以利用废弃的珍珠棉包装材料经粉碎加工得到，这也十分符合我国节能减排，发展循环经济，建设节约型社会的要求。因此该模型土有着十分广阔的应用前景。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种模拟软土地基的高压缩性相似模型土，其特征在于，其采用的原料包括经晒干，压碎并过2mm筛的粘土，重晶石粉，膨润土，洗衣粉，EPE珍珠棉泡颗粒和水，其重量份数分别为：

粘土              135-448，

重晶石粉          167-889，

膨润土            25-286，

洗衣粉            25-71，

EPE珍珠棉泡颗粒   10，

水                167-473，

其中，所述的粘土取自上海地区第五层褐灰色粘性土。

所述的重晶石粉的目数为400目。

所述的膨润土的目数为400目。

所述的洗衣粉为市售洗衣服。

所述的EPE珍珠棉泡颗粒的直径为2-3mm，由废弃EPE珍珠棉泡沫包装材料粉碎制成。

所述的粘土，重晶石粉，膨润土，洗衣粉，EPE珍珠棉泡颗粒和水的重量份数分别为为192、292、95、36、10、261。

上述模型土的制备方法为，收集废旧EPE珍珠棉泡沫包装材料或者在珍珠棉泡沫生产厂家收集下脚料产品，放入泡沫粉碎机粉碎成直径2-4mm颗粒以备用。将上海地区第五层褐灰色粘性土晒干，压碎、过2mm筛以备用。将各成分按照规定的配比称量好，首先将泡沫颗粒放入搅拌机中，其次将上海地区第五层褐灰色粘性土、重晶石粉、膨润土、洗衣粉放入搅拌机中，最后将水放入搅拌机中充分搅拌。充分搅拌完毕后即可获得稳定的模型土。

本发明与现有技术相比具有以下显著优点：

1.压缩模量低，力学参数变化范围广

上海地区第五层褐灰色粘性土(简称上海⑤号粘土)压缩模量范围在2.18MPa-3.89MPa，50m深度内压缩模量加权平均值在3.02MPa-6.4MPa范围变化，压缩模量相对较低，在此基础上继续降低压缩模量是非常困难的，而本发明压缩模量范围在0.76MPa-0.92MPa，最低可降到0.76MPa，粘聚力范围在最低可以降到0.86KPa-4.55kpa，最低可降到0.86kpa。而内摩擦角范围在18.5°-22.8°，密度的范围在1550kg/m³-1717kg/m³，基本维持与原状土相近。

2.成本低廉，绿色环保低碳，减少污染

所使用的主要原料均为市场或工厂定型产品，价格低廉，容易获得，特别是其中的EPE珍珠棉泡沫颗粒，可以从废弃的EPE珍珠棉泡沫包装材料经简单加工获得。十分满足我国节能减排，发展循环经济，建设节约型社会的要求。且所有材料无毒副作用，对人体无害，不污染环境。

3.操作方便，力学性质稳定

将模型土各成分按配比规定称量好后，按文中所述顺序依次放入搅拌机中充分搅拌即可。模型土搅拌完后无须静止一段时间即可使用且模型土均匀性好，力学性质稳定，可多次重复使用。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

下面结合具体实施实例进一步说明本发明，应当理解下面所举实例只是为了解释本发明，并不包括本发明的所有内容。

实施实例1

称量经过粉碎的直径2-3mm的EPE珍珠棉泡沫颗粒10g放入搅拌机中。称量经过晒干，压碎并过2mm筛的上海⑤层粘土429g放入搅拌机中。称量上海中油企发粉体材料有限公司生产的细度为400目重晶石粉429g放入搅拌机中。称量中通矿业生产的细度为400目膨润土286g放入搅拌机中。称量上海和黄白猫有限公司生产的1.8kg装家庭用白猫洗衣粉71g放入搅拌机中。最后称量473g洁净水放入搅拌机中。充分搅拌后取出模型土。所得模型土压缩模量为0.83MPa

粘聚力为4.32kpa，内摩擦角为20.2°，密度为1700kg/m³。

上海⑤号粘土/g	重晶石粉/g	膨润土/g	洗衣粉/g	EPE珍珠棉泡沫/g	水/g
						429	857	286	71	10	473

实施实例2

称量经过粉碎的直径2-3mm的EPE珍珠棉泡沫颗粒10g放入搅拌机中。称量经过晒干，压碎并过2mm筛的上海⑤层粘土333g放入搅拌机中。称量上海中油企发粉体材料有限公司生产的细度为400目重晶石粉667g放入搅拌机中。称量中通矿业生产的细度为400目膨润土111g放入搅拌机中。称量上海和黄白猫有限公司生产的1.8kg装家庭用白猫洗衣粉56g放入搅拌机中。最后称量295g洁净水放入搅拌机中。充分搅拌后取出模型土。所得模型土压缩模量为0.76MPa

粘聚力为4.55kpa，内摩擦角为21.8°，密度为1550kg/m³。

上海⑤号粘土/g	重晶石粉/g	膨润土/g	洗衣粉/g	EPE珍珠棉泡沫/g	水/g
						333	667	111	56	10	295

实施实例3

称量经过粉碎的直径2-3mm的EPE珍珠棉泡沫颗粒10g放入搅拌机中。称量经过晒干，压碎并过2mm筛的上海⑤层粘土448g放入搅拌机中。称量上海中油企发粉体材料有限公司生产的细度为400目重晶石粉834g放入搅拌机中。称量中通矿业生产的细度为400目膨润土111g放入搅拌机中。称量上海和黄白猫有限公司生产的1.8kg装家庭用白猫洗衣粉56g放入搅拌机中。最后称量364g洁净水放入搅拌机中。充分搅拌后取出模型土。所得模型土压缩模量为0.92MPa

粘聚力为1.9kpa，内摩擦角为18.5°，密度为1667kg/m³。

上海⑤号粘土/g	重晶石粉/g	膨润土/g	洗衣粉/g	EPE珍珠棉泡沫/g	水/g
						448	834	111	56	10	363

实施实例4

称量经过粉碎的直径2-3mm的EPE珍珠棉泡沫颗粒10g放入搅拌机中。称量经过晒干，压碎并过2mm筛的上海⑤层粘土135g放入搅拌机中。称量上海中油企发粉体材料有限公司生产的细度为400目重晶石粉167g放入搅拌机中。称量中通矿业生产的细度为400目膨润土67g放入搅拌机中。称量上海和黄白猫有限公司生产的1.8kg装家庭用白猫洗衣粉25g放入搅拌机中。最后称量167g洁净水放入搅拌机中。充分搅拌后取出模型土。所得模型土压缩模量为0.85MPa

粘聚力为2.87kpa，内摩擦角为22.8°，密度为1550kg/m³。

上海⑤号粘土/g	重晶石粉/g	膨润土/g	洗衣粉/g	EPE珍珠棉泡沫/g	水/g
						135	167	67	25	10	167

实施实例5

称量经过粉碎的直径2-3mm的EPE珍珠棉泡沫颗粒10g放入搅拌机中。称量经过晒干，压碎并过2mm筛的上海⑤层粘土333g放入搅拌机中。称量上海中油企发粉体材料有限公司生产的细度为400目重晶石粉889g放入搅拌机中。称量中通矿业生产的细度为400目膨润土111g放入搅拌机中。称量上海和黄白猫有限公司生产的1.8kg装家庭用白猫洗衣粉56g放入搅拌机中。最后称量368g洁净水放入搅拌机中。充分搅拌后取出模型土。所得模型土压缩模量为0.9MPa

粘聚力为0.86kpa，内摩擦角为22.7°，密度为1717kg/m³。

上海⑤号粘土/g	重晶石粉/g	膨润土/g	洗衣粉/g	EPE珍珠棉泡沫/g	水/g
						333	889	111	56	10	368

实施实例6

称量经过粉碎的直径2-3mm的EPE珍珠棉泡沫颗粒10g放入搅拌机中。称量经过晒干，压碎并过2mm筛的上海⑤层粘土192g放入搅拌机中。称量上海中油企发粉体材料有限公司生产的细度为400目重晶石粉292g放入搅拌机中。称量中通矿业生产的细度为400目膨润土95g放入搅拌机中。称量上海和黄白猫有限公司生产的1.8kg装家庭用白猫洗衣粉36g放入搅拌机中。最后称量261g洁净水放入搅拌机中。充分搅拌后取出模型土。所得模型土压缩模量为0.85MPa

粘聚力为1.3kpa，内摩擦角为19.8°，密度为1650kg/m³。

上海⑤号粘土/g	重晶石粉/g	膨润土/g	洗衣粉/g	EPE珍珠棉泡沫/g	水/g
						192	292	95	36	10	261

Claims (6)

1.一种模拟软土地基的高压缩性相似模型土，其特征在于，其采用的原料包括经晒干，压碎并过2mm筛的粘土，重晶石粉，膨润土，洗衣粉，EPE珍珠棉泡颗粒和水，其重量份数分别为：

粘土              135-448，

重晶石粉          167-889，

膨润土            25-286，

洗衣粉            25-71，

EPE珍珠棉泡颗粒   10，

水                167-473，

其中，所述的粘土取自上海地区第五层褐灰色粘性土。

2.根据权利要求1所述的一种模拟软土地基的高压缩性相似模型土，其特征在于，所述的重晶石粉的目数为400目。

3.根据权利要求1所述的一种模拟软土地基的高压缩性相似模型土，其特征在于，所述的膨润土的目数为400目。

4.根据权利要求1所述的一种模拟软土地基的高压缩性相似模型土，其特征在于，所述的洗衣粉为市售洗衣服。

5.根据权利要求1所述的一种模拟软土地基的高压缩性相似模型土，其特征在于，所述的EPE珍珠棉泡颗粒的直径为2-3mm，由废弃EPE珍珠棉泡沫包装材料粉碎制成。

6.根据权利要求1所述的一种模拟软土地基的高压缩性相似模型土，其特征在于，所述的粘土，重晶石粉，膨润土，洗衣粉，EPE珍珠棉泡颗粒和水的重量份数分别为为192、292、95、36、10、261。