CN107664594A - 一种结构性黄土物理模型及制作方法 - Google Patents

一种结构性黄土物理模型及制作方法 Download PDF

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成玉祥
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Abstract

本发明提供一种结构性黄土物理模型及制作方法，包括以下步骤：现场获取与拟开展试验原状土样同层的扰动土样，风干磨碎成散土，过筛，形成模拟黄土粉尘；制作模型箱，由下至上依次铺设粗砂层、模拟黄土粉尘层、针刺无纺土工布、砂层，将监测需要的传感器埋设在模拟黄土粉尘层相应的位置上，砂层中布置有孔水管；根据所述模拟黄土粉尘层厚度变化计算每个循环的土层孔隙度，根据土层孔隙度计算Na2CO3水溶液的量，通过所述孔水管分30次加入0.1g/LNa2CO3水溶液；根据需要施加边界条件和影响条件，用同步埋设的所述传感器监测土体中的应力应变变化规律，模拟滑坡等地质灾害的形成过程。本发明的有益效果使实验结果更加可靠、可信。

Description

一种结构性黄土物理模型及制作方法
技术领域
本发明属于地质灾害分析技术领域，尤其是涉及一种结构性黄土物理模型及制作方法。
背景技术
开展物理模型试验是目前地质灾害机理研究领域采用的常用研究手段。物理模型的构建常用方法有两种：一种是现场取得原状土块，再在室内施加相应的边界条件和影响条件。这种方法与现场物理模型试验一样，无法克服的问题是研究所必须的传感器或者监测设备无法安装在预期的监测位置，因此实验过程只能监测表面位移，内部的应力应变无法监测，进而导致只能观察现象，无法探究本质。另一种就是采用分层夯实法，分层夯实的过程中一般以干密度来控制其密实度，使其与原状土密实度尽量相近。在填土的过程中将必要的传感器或者监测设备埋设在预期位置，这样可以获得大量的监测数据。可是在黄土填筑过程中，无法解决以下两个问题：一是无法保证黄土的均匀性，导致作用在土压力传感器上的应力偏差较大，不能准确反映黄土体里的应力分布特征；二是原状黄土和重塑黄土在力学性质上有很大差别，黄土在填筑的过程中结构完全被破坏，即使我们试验过程中干密度等于原状土干密度，最后得出的结论也存在很大误差。
为了克服现有模型制作方法存在的技术问题，本专利提出一种新的结构性黄土物理模型制作方法，采用本专利的方法建立的黄土物理模型，黄土物理力学性质和原状黄土更为接近，而且能够在模型制作的同时，将必须的传感器安置在必要的位置上，为黄土地质灾害物理模型试验研究提供了一种重要的试验方法。
该模型制作方法具有明确的制作流程，确保制作成的黄土物理模型密度均匀，力学性质参数可以控制，为黄土地质灾害成因机理分析提供可靠依据。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、操作简单、实验结果更加可靠可信的结构性黄土物理模型及制作方法，尤其适合室内物理模型试验，在实验室模拟再现“黄土化”过程，再造黄土结构。
本发明的技术方案是：
一种结构性黄土物理模型的制作方法，包括以下步骤：
(1)现场获取与拟开展试验原状土样同层的扰动土样，风干磨碎成散土，过筛，形成模拟黄土粉尘；
(2)根据实验需要制作模型箱，下部铺设粗砂层，将步骤(1)中得到的所述模拟黄土粉尘分层铺设在所述粗砂层的上方，形成模拟黄土粉尘层，同步将监测需要的传感器埋设在相应的位置上，在所述模拟黄土粉尘层上方铺一层针刺无纺土工布，所述针刺无纺土工布上部覆盖砂层，所述砂层中布置有孔水管，所述孔水管上端与水箱连接；
(3)通过所述孔水管分次加入Na2CO3水溶液，Na2CO3水溶液缓慢渗入模型土样中，每次渗完以后，静置后风干，模拟水分自然扩散和蒸发。
(4)根据需要施加边界条件和影响条件，用同步埋设的所述传感器监测土体中的应力应变变化规律，模拟地质灾害的形成过程。
一种结构性黄土物理模型，通过所述的结构性黄土物理模型的制作方法制得。
本发明具有的优点和积极效果是：
本发明避免了目前采用分层夯实法制作黄土物理模型试验过程中存在的密度差异引起的误差问题，也解决了监测传感器的布置问题。同时制作出的黄土物理模型在物理力学性质上与原装黄土非常接近，消除了现有制作方法导致黄土结构破坏引起的误差。因此，采用本专利的制作方法，在黄土地质灾害模型试验中得出的实验结果更加可靠、可信。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是不同含水率本专利制作土样与原状样压缩系数比较曲线图。
图3是不同含水率本专利制作土样与原状样粘聚力比较曲线图。
图4是不同含水率本专利制作土样与原状样内摩擦角比较曲线图。
图中：
1-模型箱，2-粗砂层，3-模拟黄土粉尘层，4-针刺无纺土工布，5-砂层，6-孔水管
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。
如图1所示，本发明的一种结构性黄土物理模型及制作方法，包括以下步骤：
(1)现场获取与拟开展试验原状土样同层的扰动土样，然后风干磨碎成散土并过1mm筛，形成模拟黄土粉尘；
(2)根据实验需要制作模型箱1，下部铺设粗砂层2，厚10cm，有利于上部下渗水分的排出。将步骤(1)中得到的模拟黄土粉尘分层铺设在模型箱中粗砂层2的上方，模拟粉尘堆积过程，形成模拟黄土粉尘层3，同步将监测需要的传感器埋设在相应的位置上。填铺完成后，在模拟黄土粉尘层3上方铺一层针刺无纺土工布4，使得上部渗水能够均匀进入黄土中，针刺无纺土工布4上部覆盖砂层5，厚10cm，砂层5中布置有孔水管6，孔水管6上端与水箱连接；
(3)在干旱、半干旱地区大气粉尘堆积物发生次生碳酸盐化，获得“粒状”或“斑状”结构而演变成黄土的过程也称之为“黄土化”，黄土化作用是黄土结构形成的关键所在，其本质是黄土颗粒的胶结过程。而黄土的胶结物质除了其中的粘土矿物以外，还有可溶岩。同时黄土化过程是在碱性环境下完成的，还有黄土自重应力的压实作用。综合考虑多方面的因素我们设计了8种工况，通过实验得知：如图2-图4所示，分30次加入0.1g/LNa2CO3水溶液固结胶结而成的土样，在物理力学性质上与原状土样最为接近，本专利推荐的就为该种方案。
根据土层厚度变化计算每个循环的土层孔隙度，根据土层空隙度计算Na2CO3水溶液的量，缓慢渗入模型土样中。每次渗完以后，静置后风干，模拟水分自然扩散和蒸发。
(4)30次循环结束后，物理模型就制作完成了，然后根据需要施加边界条件和影响条件，用同步埋设的监测设备监测土体中的应力应变变化规律，模拟地质灾害的形成过程。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (7)

1.一种结构性黄土物理模型的制作方法，其特征在于：
所述结构性黄土物理模型的制作方法包括以下步骤：
(1)现场获取与拟开展试验原状土样同层的扰动土样，风干磨碎成散土，过筛，形成模拟黄土粉尘；
(2)根据实验需要制作模型箱，下部铺设粗砂层，将步骤(1)中得到的所述模拟黄土粉尘分层铺设在所述粗砂层的上方，形成模拟黄土粉尘层。同步将监测需要的传感器埋设在相应的位置上，在所述模拟黄土粉尘层上方铺一层针刺无纺土工布，所述针刺无纺土工布上部覆盖砂层，所述砂层中布置有有孔水管，所述有孔水管上端与水箱连接；
(3)通过所述有孔水管分次加入Na2CO3水溶液，Na2CO3水溶液缓慢渗入模型土样中，每次渗完以后，静置后风干，模拟水分自然扩散和蒸发。
(4)根据需要施加边界条件和影响条件，用同步埋设的所述传感器监测土体中的应力应变变化规律，模拟滑坡等地质灾害的形成过程。
2.根据权利要求1所述的一种结构性黄土物理模型的制作方法，其特征在于：步骤(3)中的所述Na2CO3水溶液为0.1g/L的Na2CO3水溶液，且分30次加入。
3.根据权利要求1或2所述的一种结构性黄土物理模型的制作方法，其特征在于：根据所述模拟黄土粉尘层厚度变化计算每个循环的土层孔隙度，根据土层空隙度计算所述Na2CO3水溶液的量。
4.根据权利要求1所述的一种结构性黄土物理模型的制作方法，其特征在于：步骤(1)中所述的过筛，为过1mm筛。
5.根据权利要求1所述的一种结构性黄土物理模型的制作方法，其特征在于：步骤(2)中所述的粗砂层厚10cm，所述砂层厚10cm。
6.根据权利要求1所述的一种结构性黄土物理模型的制作方法，其特征在于：步骤(2)中所述传感器为应力传感器、应变传感器或含水率监测传感器能够和实验同步进行。
7.一种结构性黄土物理模型，其特征在于：通过权利要求1-6中任一项所述的结构性黄土物理模型的制作方法制得。
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