模拟隧道围岩的泥岩相似材料及制备方法

1.本发明属于岩土工程技术领域，涉及一种模拟隧道围岩的泥岩相似材料，本发明还涉及上述模拟隧道围岩的泥岩相似材料的制备方法。


背景技术：

2.我国的泥岩地层分布非常广泛，在高速铁路隧道建设过程中，因泥岩特殊的工程地质和工程力学特性受到扰动，而造成隧道仰拱底鼓现象，此现象已成为影响高铁基础设施行车稳定、安全和管养维护的重要问题。
3.泥岩的力学性能较差，尤其是其具有大变形、低强度、易于风化和崩解等特点，是介于岩石和土体之间的一种特殊类型地质材料，被广泛的认定为“似岩非岩、似土非土”，属于通常意义的软岩之一。泥岩大多是厚层致密块状结构，无明显层理，大多结构面和裂缝处于闭合状态，其工程性质极其复杂多变，遇水易发生崩解、膨胀及软化现象，这是泥岩隧道产生仰拱底鼓的直接诱因。
4.当下，针对泥岩隧道的现场监测、数值模拟与模型试验三者相结合的归纳总结性研究尚不多见；同时，天然泥岩本身存在大量孔隙、微裂纹及节理等缺陷为水分在岩体内赋存和运移提供了便利条件，由于泥岩具有地域性和离散性，很难实现现场取样并进行室内试验。因此，采用研发泥岩相似材料的方法来进行室内试验，这在研究仰拱底鼓模型试验中显的尤为重要。在模型试验过程中相似材料的选取与制备非常重要，是试验结果与预期是否一致的关键要素之一。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种模拟隧道围岩的泥岩相似材料，能够替代天然泥岩，用以室内试验。
6.本发明的另一目的是，提供上述模拟隧道围岩的泥岩相似材料的制备方法。
7.本发明所采用的第一种技术方案是，模拟隧道围岩的泥岩相似材料，按质量百分比由以下组分组成，河砂23％～28％，膨润土11.5％～14％，重晶石粉45％～54.55％，铁粉0.1％～5.45％，石灰2.97％～6.94％，石膏2.97％～6.94％，上述组分质量百分比之和为100％。
8.本发明第一种技术方案的特征还在于，
9.石灰和石膏质量相同。
10.铁粉粒径小于150μm。
11.膨润土为钠基膨润土且粒径小于45μm。
12.河砂粒径小于2mm。
13.重晶石粉粒径小于12μm。
14.石灰粒径小于45μm。
15.石膏粒径小于250μm。
16.本发明所采用的另一技术方案是，模拟隧道围岩的泥岩相似材料的制备方法，具体步骤如下：
17.步骤1，按质量百分比分别称取河砂23％～28％，膨润土11.5％～14％，重晶石粉45％～54.55％，铁粉0.1％～5.45％，石灰2.97％～6.94％，石膏2.97％～6.94％，上述组分质量百分比之和为100％，将称取的上组材料组分混合并搅拌均匀，形成混合粉料，
18.步骤2，加入水并搅拌均匀，得到混合物料，将混合物料倒入模具中，将塑料膜覆盖在混合物料上，覆盖密实，并静置不少于24h。
19.本发明另一种技术方案的特征还在于，
20.混合粉料和水的质量比为9～18:1～2。
21.本泥岩相似材料取材简单、成本较低、成型工艺简便，能够满足原状样的主要性能，可用来模拟的泥岩种类较多，解决了不能进行现场原位试验的弊端，可为有关泥岩隧道仰拱底鼓现象的预防及防治加以技术指导和规避。
附图说明
22.图1为本发明模拟隧道围岩的泥岩相似材料的确定泥岩相似材料比例所做的11组试验结果对比图；
23.图2为本发明模拟隧道围岩的泥岩相似材料的确定泥岩相似材料试验1～试验3的试验结果对比图；
24.图3为本发明模拟隧道围岩的泥岩相似材料的确定泥岩相似材料试验4～试验5的试验结果对比图；
25.图4为本发明模拟隧道围岩的泥岩相似材料的确定泥岩相似材料试验6～试验7的试验结果对比图；
26.图5为本发明模拟隧道围岩的泥岩相似材料的确定泥岩相似材料试验8～试验9的试验结果对比图；
27.图6为本发明模拟隧道围岩的泥岩相似材料的确定泥岩相似材料试验10～试验11的试验结果对比图。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
29.本发明模拟隧道围岩的泥岩相似材料，按质量百分比由以下组分组成：河砂23％～28％，膨润土11.5％～14％，重晶石粉45％～54.55％，铁粉0.1％～5.45％，石灰2.97％～6.94％，石膏2.97％～6.94％，上述组分质量百分比之和为100％。
30.本发明的模拟隧道围岩的泥岩相似材料中河砂、膨润土、重晶石、铁粉、石灰和石膏选取的各组分处理方式分别如下：
31.1.河砂过2mm的筛网，取筛下物；2.膨润土过0.045mm的筛网，取筛下物；3.重晶石过0.012mm的筛网，取筛下物；4.铁粉过0.150mm的筛网，取筛下物；5.石灰过0.045mm的筛网，取筛下物；6.石膏过0.250mm的筛网，取筛下物。
32.本发明的模拟隧道围岩的泥岩相似材料中各材料所起到作用分别如下：
33.河砂、膨润土：属于主要材料，河砂作为主要的骨料直接对材料强度产生影响，同
时河砂和膨润土的加入会改变材料的变形模量、内摩擦角。随着河砂含量的增大，变形模量和内摩擦角随之增大；随着膨润土含量的减小，变形模量和内摩擦角随之减小。
34.重晶石和铁粉：属于调节配重的材料，具有粒径小、强度低，加入后对其他材料参数影响不大的特点。
35.石灰、石膏：作为胶结材料强度和弹模较低，以粉粒为主，具有较高的黏结力。
36.本发明的模拟隧道围岩的泥岩相似材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
37.步骤1、按质量百分比分别称取如下原料：
38.河砂23％～28％，膨润土11.5％～14％，重晶石粉45％～54.55％，铁粉0.1％～5.45％，石灰2.97％～6.94％，石膏2.97％～6.94％，上述组分质量百分比之和为100％。
39.步骤2、将称取的河砂、膨润土、重晶石、铁粉、熟石灰以及石膏混合并搅拌均匀，形成混合粉料。
40.步骤3、加入水搅拌均匀，其中混合粉料与水的质量比为9:1，得到所需的混合物料，将塑料薄膜覆盖在所得混合物料上，覆盖密实，并静置24h以上，使该混合物料中所含水分迁移均匀即可得到泥岩相似材料。
41.通过对各组分材料之间的比重调节，进行直剪实验，获取泥岩相似材料的粘聚力c和内摩擦角从而获取该模拟泥岩隧道围岩相似材料的最佳配比，如图1所示，设置了11组实验，直剪试验中所用的环刀内侧全部均匀的涂抹适量凡士林，便于该相似材料在进行直剪试验时，试样能够顺利脱模至剪切盒内。
42.具体试验泥岩相似材料比例及性能指标数据如表1所示；
[0043][0044]
表1泥岩相似材料配料比及粘聚力和内摩擦角
[0045]
通过表1可以得知，试验共分为5个阶段，第一阶段进行了三次试验，试验1至3的其余成分固定，仅改变石灰与石膏的比例，三次试验石灰和石膏的比例分别为3:7、5:5和7:3，
通过图2可知，当石灰与石膏之间的比例为5:5时，制备的泥岩相似材料的粘聚力值为最小，内摩擦力值为最大，当粘聚力值越小时，在进行泥岩模拟实验相似比的计算时的相似度越高，所以将石灰与石膏的比例固定为5:5，进行第二阶段的试验；
[0046]
第二阶段的试验分为两次试验，分别为试验4和试验5，两次试验区别在于试验4中的成分添加了铁粉，而试验5中并没有添加铁粉，通过试验数据可知，添加铁粉的试验4的粘聚力值更小，也就说明铁粉在制备泥岩相似材料时是需要添加的；第三阶段和第四阶段的四组试验与第二阶段的两组试验是位于平行关系，主要是为了通过三组试验数据测试出河砂和膨润土以及河砂、膨润土和重晶石的较佳比例，通过图3-5可知，当(河砂+膨润土)：(重晶石+铁粉)的比例为0.4:0.6，河砂和膨润土的比例为14:7时，制备的泥岩相似材料的粘聚力c值为最小，内摩擦力值为最大；
[0047]
此时将第二阶段至第四阶段中粘聚力值最小的试验比例，即试验4的制备泥岩相似材料比例用作第五阶段的试验比例，第五阶段分为试验10和试验11，相比试验4的比例，试验10和试验11增大了成分中重晶石的比例，铁粉依旧为一组试验添加，一组试验不添加，由图6可知，当添加铁粉且减小铁粉含量时，制备的泥岩相似材料的粘聚力c为最小，内摩擦角为最大。
[0048]
在进行仰拱底鼓模型试验时，泥岩的粘聚力越小，在进行相似比的计算时更易接近泥岩相似材料的力学参数，由试验可以看出本技术方案记载的组分及其含量能够获得符合仰拱底鼓模型试验的泥岩相似材料，其粘聚力c值以及内摩擦角值与真实泥岩的相关指标最为接近，故本技术提供的方案能够理想的制备得到泥岩相似材料。
[0049]
实施例1：
[0050]
步骤1，按质量百分比分别称取河砂260g(23％)，膨润土130g(11.5％)，重晶石粉616.4g(54.55％)，1.1g铁粉(0.1％)，石灰44.2g(3.91％)，78.4g石膏(6.94％)，上述组分质量百分比之和为100％，将称取的材料均匀混合并搅拌制成粉料；
[0051]
步骤2，质量比为9:1的水倒入制料筒中搅拌均匀，将筒口用塑料薄膜覆盖密封，并静置24h，待混合物料中所含水分迁移均匀即可得到泥岩相似材料。
[0052]
实施例2
[0053]
步骤1，按质量百分比分别称取河砂260g(28％)，膨润土130g(14％)，重晶石粉417.8g(45％)，铁粉28.7g(3.09％)，石灰64.4g(6.94％)，石膏27.6g(2.97％)，上述组分质量百分比之和为100％，将称取的材料均匀混合并搅拌制成粉料；
[0054]
步骤2，质量比为18:2的水倒入制料筒中搅拌均匀，将筒口用塑料薄膜覆盖密封，并静置25h，待混合物料中所含水分迁移均匀即可得到泥岩相似材料。
[0055]
实施例3
[0056]
步骤1，按质量百分比分别称取河砂260g(25％)，膨润土130g(12.5％)，重晶石粉514.8g(49.5％)，铁粉56.7g(5.45％)，石灰30.9g(2.97％)，石膏47.6g(4.58％)，上述组分质量百分比之和为100％，将称取的材料均匀混合并搅拌制成粉料；
[0057]
步骤2，质量比为13.5:1.5的水倒入制料筒中搅拌均匀，将筒口用塑料薄膜覆盖密封，并静置26h，待混合物料中所含水分迁移均匀即可得到泥岩相似材料。
[0058]
实施例4
[0059]
步骤1，按质量百分比分别称取河沙260g(23.42％)，膨润土140g(12.61％)，重晶
石粉540g(48.65％)，铁粉60g(5.41％)，熟石灰32.9g(2.97％)，石膏77g(6.94％)，上述组分质量百分比之和为100％，将称取的材料均匀混合并搅拌制成粉料；
[0060]
步骤2，将质量比为10:1.1的水倒入制料筒中搅拌均匀，将筒口用塑料薄膜覆盖密封，并静置24h，待混合物料中所含水分迁移均匀即可得到泥岩相似材料。
[0061]
实施例5
[0062]
步骤1，按质量百分比分别称取河沙240g(24.79％)，膨润土117.3g(12.12％)，重晶石粉500.1g(51.67％)，铁粉27.8g(2.87％)，熟石灰44g(4.55％)，石膏44g(4.55％)，上述组分质量百分比之和为100％，将称取的材料均匀混合并搅拌制成粉料；
[0063]
步骤2，质量比为15:1.6的水倒入制料筒中搅拌均匀，将筒口用塑料薄膜覆盖密封，并静置28h，待混合物料中所含水分迁移均匀即可得到泥岩相似材料。