模拟上海地区软土地基的模型土

摘要

一种模拟上海地区软土地基的模型土，其采用的原料包括粉煤灰、红粉砂、粘土、高岭土、重晶石粉、机油和水，其重量份数分别为，煤灰25，红粉砂215～230，粘土100～123，高岭土40～50，重晶石粉71～80，机油52～60，水130～140。本发明可通过调节材料种类、材料比重、拌和比例、重晶石粉投料量、油水比例等参数来控制其密度和强度，以满足更多的需要，从而解决了利用相似模拟试验手段研究软土地基特性的一系列问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种试验用模型粘土，特别涉及一种按照相似理论用来模拟上海地区软土地基的试验用人工模型土。

背景技术

由于土壤本身的复杂性，使得模型试验在土壤力学的研究中，发展的比较缓慢。目前，各国学者正针对着土壤的复杂性，从各种不同的角度来设法突破这一障碍。其目的是想通过人为的办法控制土壤的性质，使之在需要的方面实现模型土壤与原型土壤间恰当的比例。

人工土壤一般是指粒状固体和非水液体的混合物。对人工土壤提出的要求是：

①土壤的强度特性不应随时间、湿度、温度的变化而变化，亦即应具有性能上的稳定性；

②土壤混合物应能代表较大范围的土壤类别和土壤条件。例如通过油液控制能较容易实现液态和固态，或改变其强度特性，使之与自然土壤接近；

③经扰动后能很快地恢复原状，即物理性能的重现性好。

关于人工土的研制，国外的一些科研机构早在上个世纪中期就开展这方面的工作，并总结了一些原则配方：

①将玻璃珠(φ0.005～0.040英寸)同硅化物胶液混合成人工土，并通过添加油液降低其强度；也可将玻璃珠掺于砂的混合物，这时人工土的摩擦性质随砂含量的变化而呈正比的变化；

②将铸造砂同机油混合物构成人工土(例如可取机油10～19％)；

③采用粘土、砂土、滑油的混合物。当滑油采用锭子油时，由于锭子油具有很好的长期稳定性，故其浓度不致引起内聚力的显著变化；

④采用粘土、沙土、乙烯乙二醇的混合物。优点是通过改变乙烯乙二醇的浓度可以提供不同的内聚力。但缺点是：1)具有吸湿性，从而改变土壤相对湿度，影响土壤性质；2)乙醇易于土壤固结，造成土壤性质异变。在这种混合物中，增加粘土百分比使摩擦角增大，增加乙烯乙二醇使摩擦角减少；

⑤在人工土内同时加入某种材料和粘结剂可以改变人工土的密度；

此外，在日本，曾经这样配制模型土：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。

与此同时，我国国内的一些科研单位近些年来也开展了对模型土的研制工作，并取得了相应的进展，如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。

此外，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。福州大学陈孝贤(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。西南交通大学何川、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。

但是，以上所述方法有一定的局限性，尤其是较适合于强度相对而言比较高的土层，而不适于象上海这样的软土地区。

发明内容

本发明的目的是提供一种按照相似理论可用来模拟上海地区软土地基的试验用人工模型土。

本发明模型试验所参照的原状粘土取自具有代表性的上海地区第四层淤泥质粘土层，根据试验结果，其密度为1.73g/cm³，粘聚力21.4kPa，内摩擦角为10.586°，无侧限抗压强度31.4kPa。根据相似理论的推导，要求原型土体材料与模型土体材料的强度相似比C_σ、密度相似比C_ρ以及几何相似比C₁必须满足关系式：C_σ＝C_ρC_ι。如果能保证原型土体材料与模型土体材料的密度接近、内摩擦角相等，则强度相似比就等于几何相似比。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种模拟上海地区软土地基的模型土，其采用的原料包括粉煤灰、红粉砂、粘土、高岭土、重晶石粉、机油和水，其重量份数分别为，

煤灰     25，

红粉砂   215～230，

粘土     100～123，

高岭土   40～50，

重晶石粉 71～80，

机油     52～60，

水       130～140。

其中，所述粉煤灰可采用普通电厂废弃物粉煤灰；所述粘土为取自上海地区第四层淤泥质软粘土；

作为本发明的一种优选方式，所述红粉砂的目数为100目。

作为本发明的另一优选方式，所述高岭土的目数为800目。

作为本发明的再一优选方式，所述重晶石粉的目数为500目。

作为本发明的再一优选方式，所述机油采用二冲程机油。

作为本发明的再一优选方式，所述模型土中，粉煤灰、红粉砂、粘土、高岭土、重晶石粉、机油和水重量份数分别为25、225、119、45、75、56、137。

上述模型土的制备方法为，先把烘干的粉煤灰、红粉砂、粘土粉混合拌匀，再将称量好的高岭土、重晶石粉加入，经充分拌和后，加入机油并使之与粉末充分结合，最后加入一定剂量洁净的水，与上述拌和物充分搅拌均匀后，再静置12小时，最后可得稳定性能的人工模型土。

本发明利用粉煤灰、粘土、红粉砂、高岭土和重晶石粉为原材料，采用拌和均匀，并与机油以及水充分搅拌均匀的方法，制备的人工模型土，且操作简单易行。本发明采用的洁净自来水为水相，二冲程机油为油相，具有安全无毒的优点，且拌和时可选择性强，操作简单，无复杂的后处理过程。本发明可通过调节材料种类、材料比重、拌和比例、重晶石粉投料量、油水比例等参数来控制其密度和强度，以满足更多的需要，从而解决了利用相似模拟试验手段研究软土地基特性的一系列问题。 

具体实施方式

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

实施例1

采用粉煤灰25g、南京六合产红粉砂225 g与取自上海地区第四层的干粘土粉100g拌和，再加入高岭土40g、重晶石粉80g，经再次拌和后，加入52g二冲程机油并使之与拌和物充分结合，最后加入140g洁净的自来水，油水比例为1∶2.692，经过充分搅拌后，再静置12小时。所得模型土的密度为1.727g/cm³，粘聚力为4.25kPa，内摩擦角为11.145°。

   粉煤灰  红粉砂 粘土 高岭土  重晶石 机油  水   25  225 100 40  80 52  140

实施例2

采用粉煤灰25g、南京六合产红粉砂225g与取自上海地区第四层的干粘土粉110g拌和，再加入高岭土40g、重晶石粉80g，经再次拌和后，加入52g二冲程机油并使之与拌和物充分结合，最后加入135g洁净的自来水，油水比例为1∶2.596，经过充分搅拌后，再静置12小时。所得模型土的密度为1.731g/cm³，粘聚力为6.166kPa，内摩擦角为10.564°。

  粉煤灰 红粉砂 粘土 高岭土 重晶石 机油  水  25 225 110 40 80 52  135

实施例3

采用粉煤灰25g、南京六合产红粉砂215g与取自上海地区第四层的干粘土粉110g拌和，再加入高岭土40g、重晶石粉80g，经再次拌和后，加入52g二冲程机油并使之与拌和物充分结合，最后加入130g洁净的自来水，油水比例为1∶2.5，经过充分搅拌后，再静置12小时。所得模型土的密度为1.748g/cm³，粘聚力为6.868kPa，内摩擦角为11.808°。

  粉煤灰  红粉砂 粘土 高岭土 重晶石 机油  水  25  215 110 40 80 52  130

实施例4

采用粉煤灰25g、南京六合产红粉砂220g与取自上海地区第四层的干粘土粉110g拌和，再加入高岭土40g、重晶石粉80g，经再次拌和后，加入50g二冲程机油并使之与拌和物充分结合，最后加入131g洁净的自来水，油水比例为1∶2.5，经过充分搅拌后，再静置12小时。所得模型土的密度为1.738g/cm³，粘聚力为6.617kPa，内摩擦角为10.895°。

  粉煤灰  红粉砂 粘土  高岭土 重晶石 机油  水  25  225 107  40 80 56  140

实施例5

采用粉煤灰25g、南京六合产红粉砂225g与取自上海地区第四层的干粘土粉113g拌和，再加入高岭土40g、重晶石粉80g，经再次拌和后，加入52g二冲程机油并使之与拌和物充分结合，最后加入133g洁净的自来水，油水比例为1∶2.558，经过充分搅拌后，再静置12小时。所得模型土的密度为1.741g/cm³，粘聚力为6.467kPa，内摩擦角为10.897°。

  粉煤灰  红粉砂  粘土 高岭土  重晶石 机油  水  25  225  113 40  80 52  133

实施例6

采用粉煤灰25g、南京六合产红粉砂225g与取自上海地区第四层的干粘土粉117g拌和，再加入高岭土40g、重晶石粉80g，经再次拌和后，加入52.4g二冲程机油并使之与拌和物充分结合，最后加入136g洁净的自来水，油水比例为1∶2.595，经过充分搅拌后，再静置12小时。所得模型土的密度为1.738g/cm³，粘聚力为4.061kPa，内摩擦角为11.560°。

  粉煤灰  红粉砂  粘土  高岭土 重晶石  机油  水  25  225  117  40 80  52.4  136

实施例7

采用粉煤灰25g、南京六合产红粉砂225g与取自上海地区第四层的干粘土粉115g拌和，再加入高岭土40g、重晶石粉80g，经再次拌和后，加入55g二冲程机油并使之与拌和物充分结合，最后加入140g洁净的自来水，油水比例为1∶2.545，经过充分搅拌后，再静置12小时。所得模型土的密度为1.739g/cm³，粘聚力为5.112kPa，内摩擦角为10.398°。

  粉煤灰  红粉砂  粘土  高岭土  重晶石  机油  水  25  225  115  40  80  55  140

实施例8

采用粉煤灰25g、南京六合产红粉砂225g与取自上海地区第四层的干粘土粉117g拌和，再加入高岭土45g、重晶石粉75g，经再次拌和后，加入54g二冲程机油并使之与拌和物充分结合，最后加入136g洁净的自来水，油水比例为1∶2.519，经过充分搅拌后，再静置12小时。所得模型土的密度为1.757g/cm³，粘聚力为5.816kPa，内摩擦角为10.897°。

  粉煤灰  红粉砂 粘土  高岭土  重晶石  机油  水  25  225 117  45  75  54  136

实施例9

采用粉煤灰25g、南京六合产红粉砂220g与取自上海地区第四层的干粘土粉120g拌和，再加入高岭土45g、重晶石粉80g，经再次拌和后，加入55.2g二冲程机油并使之与拌和物充分结合，最后加入135g洁净的自来水，油水比例为1∶2.446，经过充分搅拌后，再静置12小时。所得模型土的密度为1.748g/cm³，粘聚力为5.362kPa，内摩擦角为10.789°。

  粉煤灰  红粉砂  粘土  高岭土  重晶石  机油  水  25  220  120  45  80  55.2  135

实施例10

采用粉煤灰25g、南京六合产红粉砂225g与取自上海地区第四层的干粘土粉117g拌和，再加入高岭土45g、重晶石粉78g，经再次拌和后，加入58g二冲程机油并使之与拌和物充分结合，最后加入136g洁净的自来水，油水比例为1∶2.345，经过充分搅拌后，再静置12小时。所得模型土的密度为1.757g/cm³，粘聚力为6.041kPa，内摩擦角为10.647°。

  粉煤灰  红粉砂  粘土 高岭土  重晶石  机油  水  25  225  117 45  78  58  136

实施例11

采用粉煤灰25g、南京六合产红粉砂225g与取自上海地区第四层的干粘土粉117g拌和，再加入高岭土45g、重晶石粉80g，经再次拌和后，加入60g二冲程机油并使之与拌和物充分结合，最后加入136g洁净的自来水，油水比例为1∶2.267，经过充分搅拌后，再静置12小时。所得模型土的密度为1.743g/cm³，粘聚力为5.551kPa，内摩擦角为10.926°。

  粉煤灰  红粉砂  粘土 高岭土  重晶石  机油  水  25  225  117 45  80  60  136

实施例12

采用粉煤灰25g、南京六合产红粉砂225g与取自上海地区第四层的干粘土粉117g拌和，再加入高岭土50g、重晶石粉75g，经再次拌和后，加入58.2g二冲程机油并使之与拌和物充分结合，最后加入137.4g洁净的自来水，油水比例为1∶2.361，经过充分搅拌后，再静置12小时。所得模型土的密度为1.744g/cm³，粘聚力为5.916kPa，内摩擦角为10.98°。

   粉煤灰  红粉砂  粘土  高岭土 重晶石  机油  水   25  225  117  50 75  58.2  137.4

实施例13

采用粉煤灰25g、南京六合产红粉砂230g与取自上海地区第四层的干粘土粉117g拌和，再加入高岭土45g、重晶石粉75g，经再次拌和后，加入58.2g二冲程机油并使之与拌和物充分结合，最后加入137.5g洁净的自来水，油水比例为1∶2.363，经过充分搅拌后，再静置12小时。所得模型土的密度为1.753g/cm³，粘聚力为6.091kPa，内摩擦角为11.262°。

  粉煤灰  红粉砂  粘土  高岭土  重晶石  机油  水  25  230  117  45  75  58.2  137.5

实施例14

采用粉煤灰25g、南京六合产红粉砂225g与取自上海地区第四层的干粘土粉123g拌和，再加入高岭土45g、重晶石粉75g，经再次拌和后，加入58g二冲程机油并使之与拌和物充分结合，最后加入137g洁净的自来水，油水比例为1∶2.362，经过充分搅拌后，再静置12小时。所得模型土的密度为1.757g/cm³，粘聚力为6.167kPa，内摩擦角为10.397°。

  粉煤灰  红粉砂  粘土  高岭土  重晶石  机油  水  25  225  123  45  75  58  137

实施例15

采用粉煤灰25g、南京六合产红粉砂223g与取自上海地区第四层的干粘土粉117g拌和，再加入高岭土45g、重晶石粉75g，经再次拌和后，加入56g二冲程机油并使之与拌和物充分结合，最后加入136g洁净的自来水，油水比例为1∶2.429，经过充分搅拌后，再静置12小时。所得模型土的密度为1.751g/cm³，粘聚力为6.167kPa，内摩擦角为10.730°。

  粉煤灰 红粉砂 粘土  高岭土 重晶石 机油  水  25 223 117  45 75 56  136

实施例16

采用粉煤灰25g、南京六合产红粉砂225g与取自上海地区第四层的干粘土粉115g拌和，再加入高岭土45g、重晶石粉75g，经再次拌和后，加入56g二冲程机油并使之与拌和物充分结合，最后加入136.7g洁净的自来水，油水比例为1∶2.441，经过充分搅拌后，再静置12小时。所得模型土的密度为1.748g/cm³，粘聚力为5.966kPa，内摩擦角为10.814°。

  粉煤灰 红粉砂 粘土 高岭土  重晶石 机油  水  25 225 115 45  75 56  136.7

实施例17

采用粉煤灰25g、南京六合产红粉砂225g与取自上海地区第四层的干粘土粉117g拌和，再加入高岭土45g、重晶石粉77g，经再次拌和后，加入56g二冲程机油并使之与拌和物充分结合，最后加入136g洁净的自来水，油水比例为1∶2.429，经过充分搅拌后，再静置12小时。所得模型土的密度为1.753g/cm³，粘聚力为6.066kPa，内摩擦角为10.231°。

  粉煤灰  红粉砂  粘土  高岭土  重晶石  机油  水  25  225  117  45  77  56  136

实施例18

采用粉煤灰25g、南京六合产红粉砂225g与取自上海地区第四层的干粘土粉117g拌和，再加入高岭土45g、重晶石粉73g，经再次拌和后，加入58g二冲程机油并使之与拌和物充分结合，最后加入137g洁净的自来水，油水比例为1∶2.362，经过充分搅拌后，再静置12小时。所得模型土的密度为1.738g/cm³，粘聚力为5.112kPa，内摩擦角为10.897°。

  粉煤灰  红粉砂  粘土  高岭土  重晶石  机油  水  25  225  117  45  73  58  137

实施例19

采用粉煤灰25g、南京六合产红粉砂225g与取自上海地区第四层的干粘土粉119g拌和，再加入高岭土45g、重晶石粉75g，经再次拌和后，加入56g二冲程机油并使之与拌和物充分结合，最后加入137g洁净的自来水，油水比例为1∶2.446，经过充分搅拌后，再静置12小时。所得模型土的密度为1.746g/cm³，粘聚力为6.046kPa，内摩擦角为10.375°。

  粉煤灰 红粉砂 粘土 高岭土 重晶石 机油  水  25 225 119 45 75 56  137

实施例20

采用粉煤灰25g、南京六合产红粉砂225g与取自上海地区第四层的干粘土粉117g拌和，再加入高岭土45g、重晶石粉71g，经再次拌和后，加入56g二冲程机油并使之与拌和物充分结合，最后加入137g洁净的自来水，油水比例为1∶2.446，经过充分搅拌后，再静置12小时。所得模型土的密度为1.749g/cm³，粘聚力为5.413kPa，内摩擦角为10.897°。

    粉煤灰  红粉砂  粘土  高岭土  重晶石  机油 水    25  225  117  45  71  56 137

实施例21

采用粉煤灰25g、南京六合产红粉砂225g与取自上海地区第四层的干粘土粉120g拌和，再加入高岭土47g、重晶石粉77g，经再次拌和后，加入56g二冲程机油并使之与拌和物充分结合，最后加入137g洁净的自来水，油水比例为1∶2.446，经过充分搅拌后，再静置12小时。所得模型土的密度为1.751g/cm³，粘聚力为6.467kPa，内摩擦角为10.564°。

  粉煤灰  红粉砂  粘土  高岭土  重晶石  机油  水  25  225  120  47  77  56  137

实施例22

采用粉煤灰25g、南京六合产红粉砂225g与取自上海地区第四层的干粘土粉118g拌和，再加入高岭土43g、重晶石粉75g，经再次拌和后，加入56g二冲程机油并使之与拌和物充分结合，最后加入136g洁净的自来水，油水比例为1∶2.429，经过充分搅拌后，再静置12小时。所得模型土的密度为1.749g/cm³，粘聚力为5.866kPa，内摩擦角为10.730°。

  粉煤灰  红粉砂  粘土  高岭土  重晶石  机油  水  25  225  118  43  75  56  136

实施例23

采用粉煤灰25g、南京六合产红粉砂225g与取自上海地区第四层的干粘土粉116g拌和，再加入高岭土45g、重晶石粉76g，经再次拌和后，加入58g二冲程机油并使之与拌和物充分结合，最后加入136g洁净的自来水，油水比例为1∶2.345，经过充分搅拌后，再静置12小时。所得模型土的密度为1.745g/cm³，粘聚力为6.067kPa，内摩擦角为10.730°。

  粉煤灰  红粉砂  粘土  高岭土  重晶石  机油  水  25  225  116  45  76  58  136

实施例24

采用粉煤灰25g、南京六合产红粉砂225g与取自上海地区第四层的干粘土粉117g拌和，再加入高岭土45g、重晶石粉74g，经再次拌和后，加入58g二冲程机油并使之与拌和物充分结合，最后加入135g洁净的自来水，油水比例为1∶2.328，经过充分搅拌后，再静置12小时。所得模型土的密度为1.748g/cm³，粘聚力为6.317kPa，内摩擦角为10.730°。

  粉煤灰  红粉砂  粘土  高岭土  重晶石  机油  水  25  225  117  45  74  58  135

上述24个实施例与相似理论要求的理论值基本吻合，验证了本发明技术方案的正确性。