一种用于模拟胀缩性隧道围岩的相似材料及其制备方法
一种用于模拟胀缩性隧道围岩的相似材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明具体涉及一种用于模拟胀缩性隧道围岩的相似材料及其制备方法。 技术背景
[0002] 目前，在隧道工程建设中，工程常处于降水天气条件，干湿循环作用对隧道胀缩性 围岩有显著影响，围岩在取样与运输过程中会造成一定程度的破坏，其原有力学性质及变 形特征也会发生相应的改变，同时远距离取样代价较高；现阶段岩土试验中常使用膨润土 模拟隧道胀缩性围岩，但由于其遇水膨胀堵塞填料缝隙的性质，渗水实验难以进行，无法用 于模拟干湿循环作用下隧道胀缩性围岩。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是克服现有技术不足，提供一种用于模拟胀缩性隧道围岩的相似材 料及其制备方法，该相似材料具有较好的渗水性能，易于模拟胀缩性围岩在干湿循环作用 下的力学及变形特性，同时能够就地取材，提高资源利用率。
[0004] 本发明专利采取的技术方案为：
[0005] 一种用于模拟胀缩性隧道围岩的相似材料，不同渗透等级的组分配比如下：
[0006] 高渗透性膨胀土：粉煤灰96-105份，膨润土 11-17份，硅油8-10份；
[0007] 中渗透性膨胀土：粉煤灰95-104份，膨润土 17-25份，硅油8-11份；
[0008] 低渗透性膨胀土：粉煤灰96-105份，膨润土 25-30份，硅油9-12份。
[0009] 优选的，一种用于模拟胀缩性隧道围岩的相似材料，不同渗透等级的组分配比如 下：
[0010] 高渗透性膨胀土：粉煤灰100份，膨润土 11-13份，硅油8-9份；
[0011] 中渗透性膨胀土：粉煤灰100份，膨润土 17-19份，硅油8-10份；
[0012] 低渗透性膨胀土：粉煤灰100份，膨润土 25-27份，硅油9-11份。
[0013] 优选的，一种用于模拟胀缩性隧道围岩的相似材料，不同渗透等级的组分配比如 下：
[0014] 高渗透性膨胀土：粉煤灰100份，膨润土 12份，硅油9份；
[0015] 中渗透性膨胀土：粉煤灰100份，膨润土 18份，硅油10份；
[0016] 低渗透性膨胀土：粉煤灰100份，膨润土 25份，硅油11份。
[0017] -种用于模拟胀缩性隧道围岩的相似材料的制备方法，包括如下步骤：
[0018] (1)根据实际情况确定渗透等级；
[0019] (2)通过确定的渗透等级选择相应的原料的重量配比；
[0020] (3)加料及搅拌，使材料混合均匀，得到混合材料，其中，高渗透性膨胀土：粉煤灰 96-105份，膨润土 11-17份；中渗透性膨胀土：粉煤灰95-104份，膨润土 17-25份；低渗透 性膨胀土：粉煤灰96-105份，膨润土 25-30份；
[0021] (4)向混合材料中加入硅油，并搅拌均匀，得到所述相似材料；
[0022]向混合材料中加入硅油的目的是为了模拟实际围岩粘聚力，硅油使用量不宜过 大，硅油用量过大时，会显著降低材料渗透性，从而导致实验失败；硅油量过小可能到导致 相似材料粘聚力不足，进而在模拟开挖过程围岩过早破坏。
[0023] (5)将步骤（4)中制得的相似材料压实成型。
[0024] 优选的，步骤（4)中，高渗透性膨胀土中加入硅油8-10份，中渗透性膨胀土中加入 硅油8-11份，低渗透性膨胀土中加入硅油9-12份。
[0025] 优选的，所述粉煤灰过0· 5mm筛。
[0026] 优选的，所述膨润土过0· 5mm筛。
[0027] 优选的，所述压实成型的压实度的范围为90-95%。
[0028] 本发明的有益效果是：
[0029] 1、本发明可以配比不同渗透率的膨胀土进行模型实验。普通膨胀土相似材料用于 模型实验中，往往由于膨润土吸水膨胀堵塞渗水通道，严重降低材料渗水性能，最终导致实 验失败；而渗水性能良好的材料往往不具备胀缩性，无法模拟胀缩性围岩的变形和力学特 性。本发明中的相似材料，选取了在模型试验中很少采用的粉煤灰材料，并通过大量基础实 验，得出了一系列较为合理的配比，使得相似材料既能模拟干湿循环的现场情况，又能满足 胀缩性围岩的力学及变形特性，就地取材，便利节约。
[0030] 2、膨润土主要是由蒙脱石组成的岩石，其膨胀性极高。粉煤灰由煤粉燃烧产生， 其中未燃烧炭粒成疏松多孔结构，利于液体通过，具有高渗透性，同时还具有抑制膨胀的作 用，通过改变配比可调节相似材料渗透性能与膨胀等级。本发明中的相似材料能够通过粉 煤灰调节膨润土蒙脱石的含量，控制其渗透性以及膨胀能力，以满足干湿循环实验要求和 膨胀土的力学性质。
[0031] 3、为使相似材料达到预想性质，本发明使用了多个不同领域的常用材料，并通过 基础土工实验使其有机结合：膨润土决定材料胀缩性，粉煤灰改善材料渗透性并反作用于 胀缩性，硅油提升材料粘聚力，可为类似应用发明提供一定借鉴意义。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0033] 模拟膨胀围岩条件下隧道开挖模型实验，根据实验需要，选取多组具有不同渗透 系数与膨胀率的相似材料用于对比研宄：
[0034] 实施例1
[0035] 所述相似材料制备的具体步骤如下：
[0036] (1)选择无明显杂质以及较大固结块的膨胀土和粉煤灰；
[0037] (2)确定模型试验所要求的相似材料的渗透性，配置不同比例可用于对比实验；
[0038] (3)按重量份进行配比：粉煤灰100份和膨润土 11份；
[0039] (4)上料及搅拌，使得材料混合均匀；
[0040] (5)向搅拌均匀的材料中加入硅油，硅油的质量为粉煤灰与膨润土质量之和的 9% ；
[0041] (6)按照实验需要控制压实度使模型试验材料压实成型，在95%压实度情况下， 渗透系数为2. 7X l(T5cm/s。
[0042] 实施例2
[0043] 所述相似材料制备的具体步骤如下：
[0044] (1)选择无明显杂质以及较大固结块的膨胀土和粉煤灰；
[0045] (2)确定模型试验所要求的相似材料的渗透性，配置不同比例可用于对比实验；
[0046] (3)按重量份进行配比粉煤灰100份和膨润土 17份；
[0047] (4)上料及搅拌，使得材料混合均匀；
[0048] (5)向搅拌均匀的材料中加入硅油，质量为粉煤灰与膨润土质量之和的8% ;
[0049] (6)按照实验需要控制压实度使模型试验材料压实成型，在95 %压实度的情况 下，渗透系数分别为I. 6Xl(T5cm/s。
[0050] 实施例3
[0051] 所述相似材料制备的具体步骤如下：
[0052] (1)选择无明显杂质以及较大固结块的膨胀土和粉煤灰；
[0053] (2)确定模型试验所要求的相似材料的渗透性，配置不同比例可用于对比实验；
[0054] (3)按重量份进行配比粉煤灰100份和膨润土 25份；
[0055] (4)上料及搅拌，使得材料混合均匀；
[0056] (5)向搅拌均匀的材料中加入硅油，质量为粉煤灰与膨润土质量之和的7% ;
[0057] (6)按照实验需要控制压实度使模型试验材料压实成型，在95%压实度情况下， 渗透系数分别为I. lXl(T5cm/s。
[0058] 表1为三个实施例的配料组成及渗透性能，在具有膨胀土膨胀性能的前提下，满 足相关实验对其渗透性要求。
[0059] 表1不同渗透性膨胀土相似材料的配料组成及其渗透性能
[0060]
[0062] 由表1可见，随着相似材料渗透性能的提高，硅油的添加量减少，这是因为随着膨 润土含量增加，相似材料的粘聚力会明显提升，为达到需要强度的硅油量有所减少，同时膨 润土含量增加会降低相似材料渗透系数，过多添加硅油会导致材料渗透性能无法满足实验 要求。
[0063] 上述虽然对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对发明保护范围的限制， 所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出 创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种用于模拟胀缩性隧道围岩的相似材料，其特征在于：所述相似材料的不同渗透 等级的组分配比如下： 高渗透性膨胀土：粉煤灰96-105份，膨润土 11-17份，硅油8-10份； 中渗透性膨胀土：粉煤灰95-104份，膨润土 17-25份，硅油8-11份； 低渗透性膨胀土：粉煤灰96-105份，膨润土 25-30份，硅油9-12份。2. -种用于模拟胀缩性隧道围岩的相似材料，其特征在于：所述相似材料的不同渗透 等级的组分配比如下： 高渗透性膨胀土：粉煤灰100份，膨润土 11-13份，硅油9-10份； 中渗透性膨胀土：粉煤灰100份，膨润土 17-19份，硅油8-9份； 低渗透性膨胀土：粉煤灰100份，膨润土 25-27份，硅油9-11份。3. -种用于模拟胀缩性隧道围岩的相似材料，其特征在于：所述相似材料的不同渗透 等级的组分配比如下： 高渗透性膨胀土：粉煤灰100份，膨润土 12份，硅油9份； 中渗透性膨胀土：粉煤灰100份，膨润土 18份，硅油10份； 低渗透性：粉煤灰100份，膨润土 25份，硅油11份。4. 一种用于模拟胀缩性隧道围岩的相似材料的制备方法，包括如下步骤： (1) 根据实际情况确定渗透等级； (2) 通过确定的渗透等级选择相应的原料的重量配比； (3) 加料及搅拌，使材料混合均匀，得到混合材料，其中，高渗透性膨胀土：粉煤灰 96-105份，膨润土 11-17份；中渗透性膨胀土：粉煤灰95-104份，膨润土 17-25份；低渗透 性膨胀土：粉煤灰96-105份，膨润土 25-30份； (4) 向混合材料中加入硅油，并搅拌均勾，得到所述相似材料； (5) 将步骤（4)中制得的相似材料压实成型。5. 根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤（4)中，高渗透性膨胀土中加入 硅油8-10份，中渗透性膨胀土中加入硅油8-11份，低渗透性膨胀土中加入硅油9-12份。6. 根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述粉煤灰过0. 5mm筛。7. 根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述膨润土过0. 5mm筛。8. 根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤（5)中，所述压实成型的压实度 的范围为90-95%。
【专利摘要】本发明涉及一种用于模拟胀缩性隧道围岩的相似材料及其制备方法，所述相似材料的不同渗透等级的组分配比如下：高渗透性膨胀土：粉煤灰96-105份，膨润土11-17份，硅油8-10份；中渗透性膨胀土：粉煤灰95-104份，膨润土17-25份，硅油8-11份；低渗透性膨胀土：粉煤灰96-105份，膨润土25-30份，硅油9-12份。本发明可以配比不同渗透率的膨胀土进行模型实验，不仅能模拟干湿循环的现场情况，还能满足胀缩性围岩的力学及变形特性，就地取材，便利节约。膨润土主要是由蒙脱石组成的岩石，其膨胀性极高。粉煤灰中未燃烧炭粒成疏松多孔结构，具有高渗透性，同时还具有抑制膨胀的作用，通过改变配比可调节相似材料渗透性能与膨胀等级。
【IPC分类】C04B26/32, C04B14/10, C04B18/08
【公开号】CN104891873
【申请号】CN201510275315
【发明人】李术才, 吴昊天, 武科, 张文
【申请人】山东大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月26日
【技术领域】
[0001] 本发明具体涉及一种用于模拟胀缩性隧道围岩的相似材料及其制备方法。 技术背景
[0002] 目前，在隧道工程建设中，工程常处于降水天气条件，干湿循环作用对隧道胀缩性 围岩有显著影响，围岩在取样与运输过程中会造成一定程度的破坏，其原有力学性质及变 形特征也会发生相应的改变，同时远距离取样代价较高；现阶段岩土试验中常使用膨润土 模拟隧道胀缩性围岩，但由于其遇水膨胀堵塞填料缝隙的性质，渗水实验难以进行，无法用 于模拟干湿循环作用下隧道胀缩性围岩。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是克服现有技术不足，提供一种用于模拟胀缩性隧道围岩的相似材 料及其制备方法，该相似材料具有较好的渗水性能，易于模拟胀缩性围岩在干湿循环作用 下的力学及变形特性，同时能够就地取材，提高资源利用率。
[0004] 本发明专利采取的技术方案为：
[0005] 一种用于模拟胀缩性隧道围岩的相似材料，不同渗透等级的组分配比如下：
[0006] 高渗透性膨胀土：粉煤灰96-105份，膨润土 11-17份，硅油8-10份；
[0007] 中渗透性膨胀土：粉煤灰95-104份，膨润土 17-25份，硅油8-11份；
[0008] 低渗透性膨胀土：粉煤灰96-105份，膨润土 25-30份，硅油9-12份。
[0009] 优选的，一种用于模拟胀缩性隧道围岩的相似材料，不同渗透等级的组分配比如 下：
[0010] 高渗透性膨胀土：粉煤灰100份，膨润土 11-13份，硅油8-9份；
[0011] 中渗透性膨胀土：粉煤灰100份，膨润土 17-19份，硅油8-10份；
[0012] 低渗透性膨胀土：粉煤灰100份，膨润土 25-27份，硅油9-11份。
[0013] 优选的，一种用于模拟胀缩性隧道围岩的相似材料，不同渗透等级的组分配比如 下：
[0014] 高渗透性膨胀土：粉煤灰100份，膨润土 12份，硅油9份；
[0015] 中渗透性膨胀土：粉煤灰100份，膨润土 18份，硅油10份；
[0016] 低渗透性膨胀土：粉煤灰100份，膨润土 25份，硅油11份。
[0017] -种用于模拟胀缩性隧道围岩的相似材料的制备方法，包括如下步骤：
[0018] (1)根据实际情况确定渗透等级；
[0019] (2)通过确定的渗透等级选择相应的原料的重量配比；
[0020] (3)加料及搅拌，使材料混合均匀，得到混合材料，其中，高渗透性膨胀土：粉煤灰 96-105份，膨润土 11-17份；中渗透性膨胀土：粉煤灰95-104份，膨润土 17-25份；低渗透 性膨胀土：粉煤灰96-105份，膨润土 25-30份；
[0021] (4)向混合材料中加入硅油，并搅拌均匀，得到所述相似材料；
[0022]向混合材料中加入硅油的目的是为了模拟实际围岩粘聚力，硅油使用量不宜过 大，硅油用量过大时，会显著降低材料渗透性，从而导致实验失败；硅油量过小可能到导致 相似材料粘聚力不足，进而在模拟开挖过程围岩过早破坏。
[0023] (5)将步骤（4)中制得的相似材料压实成型。
[0024] 优选的，步骤（4)中，高渗透性膨胀土中加入硅油8-10份，中渗透性膨胀土中加入 硅油8-11份，低渗透性膨胀土中加入硅油9-12份。
[0025] 优选的，所述粉煤灰过0· 5mm筛。
[0026] 优选的，所述膨润土过0· 5mm筛。
[0027] 优选的，所述压实成型的压实度的范围为90-95%。
[0028] 本发明的有益效果是：
[0029] 1、本发明可以配比不同渗透率的膨胀土进行模型实验。普通膨胀土相似材料用于 模型实验中，往往由于膨润土吸水膨胀堵塞渗水通道，严重降低材料渗水性能，最终导致实 验失败；而渗水性能良好的材料往往不具备胀缩性，无法模拟胀缩性围岩的变形和力学特 性。本发明中的相似材料，选取了在模型试验中很少采用的粉煤灰材料，并通过大量基础实 验，得出了一系列较为合理的配比，使得相似材料既能模拟干湿循环的现场情况，又能满足 胀缩性围岩的力学及变形特性，就地取材，便利节约。
[0030] 2、膨润土主要是由蒙脱石组成的岩石，其膨胀性极高。粉煤灰由煤粉燃烧产生， 其中未燃烧炭粒成疏松多孔结构，利于液体通过，具有高渗透性，同时还具有抑制膨胀的作 用，通过改变配比可调节相似材料渗透性能与膨胀等级。本发明中的相似材料能够通过粉 煤灰调节膨润土蒙脱石的含量，控制其渗透性以及膨胀能力，以满足干湿循环实验要求和 膨胀土的力学性质。
[0031] 3、为使相似材料达到预想性质，本发明使用了多个不同领域的常用材料，并通过 基础土工实验使其有机结合：膨润土决定材料胀缩性，粉煤灰改善材料渗透性并反作用于 胀缩性，硅油提升材料粘聚力，可为类似应用发明提供一定借鉴意义。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0033] 模拟膨胀围岩条件下隧道开挖模型实验，根据实验需要，选取多组具有不同渗透 系数与膨胀率的相似材料用于对比研宄：
[0034] 实施例1
[0035] 所述相似材料制备的具体步骤如下：
[0036] (1)选择无明显杂质以及较大固结块的膨胀土和粉煤灰；
[0037] (2)确定模型试验所要求的相似材料的渗透性，配置不同比例可用于对比实验；
[0038] (3)按重量份进行配比：粉煤灰100份和膨润土 11份；
[0039] (4)上料及搅拌，使得材料混合均匀；
[0040] (5)向搅拌均匀的材料中加入硅油，硅油的质量为粉煤灰与膨润土质量之和的 9% ；
[0041] (6)按照实验需要控制压实度使模型试验材料压实成型，在95%压实度情况下， 渗透系数为2. 7X l(T5cm/s。
[0042] 实施例2
[0043] 所述相似材料制备的具体步骤如下：
[0044] (1)选择无明显杂质以及较大固结块的膨胀土和粉煤灰；
[0045] (2)确定模型试验所要求的相似材料的渗透性，配置不同比例可用于对比实验；
[0046] (3)按重量份进行配比粉煤灰100份和膨润土 17份；
[0047] (4)上料及搅拌，使得材料混合均匀；
[0048] (5)向搅拌均匀的材料中加入硅油，质量为粉煤灰与膨润土质量之和的8% ;
[0049] (6)按照实验需要控制压实度使模型试验材料压实成型，在95 %压实度的情况 下，渗透系数分别为I. 6Xl(T5cm/s。
[0050] 实施例3
[0051] 所述相似材料制备的具体步骤如下：
[0052] (1)选择无明显杂质以及较大固结块的膨胀土和粉煤灰；
[0053] (2)确定模型试验所要求的相似材料的渗透性，配置不同比例可用于对比实验；
[0054] (3)按重量份进行配比粉煤灰100份和膨润土 25份；
[0055] (4)上料及搅拌，使得材料混合均匀；
[0056] (5)向搅拌均匀的材料中加入硅油，质量为粉煤灰与膨润土质量之和的7% ;
[0057] (6)按照实验需要控制压实度使模型试验材料压实成型，在95%压实度情况下， 渗透系数分别为I. lXl(T5cm/s。
[0058] 表1为三个实施例的配料组成及渗透性能，在具有膨胀土膨胀性能的前提下，满 足相关实验对其渗透性要求。
[0059] 表1不同渗透性膨胀土相似材料的配料组成及其渗透性能
[0060]
[0062] 由表1可见，随着相似材料渗透性能的提高，硅油的添加量减少，这是因为随着膨 润土含量增加，相似材料的粘聚力会明显提升，为达到需要强度的硅油量有所减少，同时膨 润土含量增加会降低相似材料渗透系数，过多添加硅油会导致材料渗透性能无法满足实验 要求。
[0063] 上述虽然对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对发明保护范围的限制， 所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出 创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种用于模拟胀缩性隧道围岩的相似材料，其特征在于：所述相似材料的不同渗透 等级的组分配比如下： 高渗透性膨胀土：粉煤灰96-105份，膨润土 11-17份，硅油8-10份； 中渗透性膨胀土：粉煤灰95-104份，膨润土 17-25份，硅油8-11份； 低渗透性膨胀土：粉煤灰96-105份，膨润土 25-30份，硅油9-12份。2. -种用于模拟胀缩性隧道围岩的相似材料，其特征在于：所述相似材料的不同渗透 等级的组分配比如下： 高渗透性膨胀土：粉煤灰100份，膨润土 11-13份，硅油9-10份； 中渗透性膨胀土：粉煤灰100份，膨润土 17-19份，硅油8-9份； 低渗透性膨胀土：粉煤灰100份，膨润土 25-27份，硅油9-11份。3. -种用于模拟胀缩性隧道围岩的相似材料，其特征在于：所述相似材料的不同渗透 等级的组分配比如下： 高渗透性膨胀土：粉煤灰100份，膨润土 12份，硅油9份； 中渗透性膨胀土：粉煤灰100份，膨润土 18份，硅油10份； 低渗透性：粉煤灰100份，膨润土 25份，硅油11份。4. 一种用于模拟胀缩性隧道围岩的相似材料的制备方法，包括如下步骤： (1) 根据实际情况确定渗透等级； (2) 通过确定的渗透等级选择相应的原料的重量配比； (3) 加料及搅拌，使材料混合均匀，得到混合材料，其中，高渗透性膨胀土：粉煤灰 96-105份，膨润土 11-17份；中渗透性膨胀土：粉煤灰95-104份，膨润土 17-25份；低渗透 性膨胀土：粉煤灰96-105份，膨润土 25-30份； (4) 向混合材料中加入硅油，并搅拌均勾，得到所述相似材料； (5) 将步骤（4)中制得的相似材料压实成型。5. 根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤（4)中，高渗透性膨胀土中加入 硅油8-10份，中渗透性膨胀土中加入硅油8-11份，低渗透性膨胀土中加入硅油9-12份。6. 根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述粉煤灰过0. 5mm筛。7. 根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述膨润土过0. 5mm筛。8. 根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤（5)中，所述压实成型的压实度 的范围为90-95%。
【专利摘要】本发明涉及一种用于模拟胀缩性隧道围岩的相似材料及其制备方法，所述相似材料的不同渗透等级的组分配比如下：高渗透性膨胀土：粉煤灰96-105份，膨润土11-17份，硅油8-10份；中渗透性膨胀土：粉煤灰95-104份，膨润土17-25份，硅油8-11份；低渗透性膨胀土：粉煤灰96-105份，膨润土25-30份，硅油9-12份。本发明可以配比不同渗透率的膨胀土进行模型实验，不仅能模拟干湿循环的现场情况，还能满足胀缩性围岩的力学及变形特性，就地取材，便利节约。膨润土主要是由蒙脱石组成的岩石，其膨胀性极高。粉煤灰中未燃烧炭粒成疏松多孔结构，具有高渗透性，同时还具有抑制膨胀的作用，通过改变配比可调节相似材料渗透性能与膨胀等级。
【IPC分类】C04B26/32, C04B14/10, C04B18/08
【公开号】CN104891873
【申请号】CN201510275315
【发明人】李术才, 吴昊天, 武科, 张文
【申请人】山东大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月26日
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