一种可模拟天然原状土结构特性的人工结构性土及其制备方法

1.本发明涉及岩土工程技术领域，更具体地说是涉及一一种可模拟天然原状土结构特性的人工结构性土及其制备方法。


背景技术：

2.黄土的结构性即包括土颗粒及孔隙的大小、形状和分布，又包括土骨架颗粒之间的相互胶结作用。天然沉积的黄土具有大孔隙、垂直节理发育等特点，其上覆层形成重度的速度小于已沉积土颗粒间胶结作用形成的速度，形成了黄土的欠压密性。结构性黄土天然状态下会保持较高的结构强度，所谓结构强度指的是土颗粒在相互接触处由于胶结作用而引起的附加强度，这里的胶结作用主要是指由化学胶结效应而形成的硅酸盐、碳酸盐、硫酸盐、游离铁等沉淀物，使土体处于亚稳定状态；一旦浸水，颗粒间的胶结作用会迅速破坏，在一定的压力作用下支架孔隙被挤压填充，也就是产生了湿陷性。天然黄土的结构性会对工程性质产生不良的影响，发生如路基不均匀沉降、黄土滑坡、基坑滑塌、建筑物倾斜甚至倒塌等灾害。
3.土工试验主要分为室内试验和现场试验。现场试验受到天气影响、试验条件简陋、变量难以控制等因素的影响，相比而言室内试验较为普遍。现场取原状样做室内试验理论上较为合理，但是取样过程中会产生温度变化、应力释放等自然扰动；取样结束后运输、储存和制样等均会发生不可避免人为扰动，特别是对于结构性较弱的黄土，这些扰动足以破坏其结构性，且无法恢复。另外，原状土中会含有的虫洞、植被根茎、砾石等对其结构的均匀性产生不良影响。因此半个多世纪以来国内外众多学者都在寻求人工制备结构性土的方法。一些学者通过高温烧结加快化学反应速率制备了结构性土，还有研究者通过向晒干、碾碎、过筛的黄土中加入微量胶结物制成人工结构性黄土则可以消除以上原状土的诸多不利因素，得到较为均匀的结构性土，添加的胶结物质主要有水泥、石灰、石膏、氯化钙、氧化钙、无机固化剂等。但是以上方法所制备的结构性土在中、高含水量下依旧保持较高水平的结构强度，制备出的结构性土与天然原状土的结构性及力学性质差异较大。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种可模拟天然原状土的结构性土及其制备方法。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种可模拟天然原状土结构特性的人工结构性土，其特征在于，所述结构性土中包含路液固化剂roadyes tm
。
7.优选地，所述路液固化剂常温下为深棕色液态物质，ph值4.5-6，挥发率《1％，密度1.05-1.10g/cm3，具有无毒无害、成型后无色无味、可生物降解。
8.一种可模拟天然原状土结构特性的人工结构性土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.(1)采用黄土作为原材料，对所取土样进行常规土工试验，获取具体物理力学指标；
10.(2)取回的土样风干、破碎、碾压后过0.5mm筛，备用；
11.(3)将路液固化剂roadyes
tm
按一定比例稀释后均匀喷洒在土料中；
12.(4)先将土料和roadyes
tm
混合均匀，放入冰柜中预冷2小时，再与冰粒混合均匀，然后放在特制的环刀制样器中压制成型，从而制得样品；
13.(5)制样结束后，将上述样品放入冰柜复冻1小时，再放入保湿缸中养护14d以上，使土颗粒间的胶结作用充分发挥；
14.(6)养护完成后，获得人工模拟天然状态的结构性土。
15.优选地，所述步骤(3)中路液固化剂roadyes
tm
的含量为0.01％-0.30％。
16.更优选地，所述步骤(3)中路液固化剂roadyes
tm
的含量为0.15％。
17.优选地，所述步骤(4)中的冰粒为无气水在-20℃时所结冰块经碎冰机破碎后过0.5mm筛的碎冰屑。
18.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种可模拟天然原状土结构特性的人工结构性土及其制备方法，其使用roadyes
tm
作为胶结物，其在常温下为深棕色液态物质，ph值4.5-6，挥发率《1％，密度1.05-1.10g/cm3，具有无毒无害、成型后无色无味、可生物降解、施工简单等优点，采用roadyes tm
制备的人工结构性土在全含水量范围内与天然原状土的结构性及力学性质更为相似，该方法更具有优势。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
20.图1附图为本发明所用土料的颗粒级配粒径曲线；
21.图2附图为路液固化剂(roadyes
tm
)实物图
22.图3附图为原状土的结构强度qs定义示意图；1代表原状黄土，2代表重塑黄土，3代表原状黄土与重塑黄土应力差-剪切位移曲线(结构特性曲线)应力-剪切位移关系曲线图；
23.图4附图为不同竖向应力条件下三种结构性土与天然原状土的结构强度qs对比图；a为竖向应力＝100kpa下三种结构性土与天然原状土的qs对比图；b为竖向应力＝200kpa下三种结构性土与天然原状土的qs对比图；c为竖向应力＝300kpa下三种结构性土与天然原状土的qs对比图；d为竖向应力＝400kpa下三种结构性土与天然原状土的qs对比图；
24.图5附图为不同含水量条件下三种结构性土的应变结构性参数m
p
对比图；a为含水量＝3％下三种结构性土的应变结构性参数m
p
对比图；b为含水量＝＝11％下三种结构性土的应变结构性参数m
p
对比图；c为含水量＝18％下三种结构性土的应变结构性参数m
p
对比图；d为含水量＝25％下三种结构性土的应变结构性参数m
p
对比图；
25.图6附图为本发明所制备的具有均匀大孔隙的结构性土。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.实施例中所采用的路液固化剂roadyes tm
为江苏路业建设有限公司从国外引进并代理生产的抗水强基纳米新型材料。
28.实施例1
29.一种可模拟天然原状土结构特性的人工结构性土的制备方法，包括如下步骤：
30.(1)采用黄土作为原材料，对所取土样进行常规土工试验，获取具体物理力学指标；
31.(2)取回的土样风干、破碎、碾压后过0.5mm筛，备用；
32.(3)将路液固化剂roadyes
tm
按一定比例稀释后均匀喷洒在土料中；
33.(4)先将土料和roadyes
tm
混合均匀，放入冰柜中预冷2小时，再与冰粒混合均匀，然后放在特制的环刀制样器中压制成型，从而制得样品；
34.(5)制样结束后，将上述样品放入冰柜复冻1小时，再放入保湿缸中养护14d以上，使土颗粒间的胶结作用充分发挥；
35.(6)养护完成后，获得人工模拟天然状态的结构性土。
36.对比例1
37.一种可模拟天然原状土的结构性土的制备方法，包括如下步骤：
38.(1)获取原材料：采用黄土作为原材料；
39.(2)采取回的土样风干、破碎、碾压后过0.5mm筛备用；
40.(3)采将水泥按一定比例与土料均匀混合；
41.(4)采将土料、水泥、及适量冰粒混合均匀后放在特制的环刀制样器中压制成型，从而制得样品；
42.(5)采制样结束后，将其放入保湿缸中养护14d以上，使土颗粒间的胶结作用充分发挥；
43.(6)采养护完成后，获得结构性土。
44.对比例2
45.一种可模拟天然原状土的结构性土的制备方法，包括如下步骤：
46.(1)获取原材料：采用黄土作为原材料；
47.(2)取回的土样风干、破碎、碾压后过0.5mm筛备用；
48.(3)将石灰按一定与土料均匀混合；
49.(4)将土料、石灰、及适量冰粒混合均匀后放在特制的环刀制样器中压制成型，从而制得样品；
50.(5)制样结束后，将其放入保湿缸中养护14d以上，使土颗粒间的胶结作用充分发挥；
51.(6)养护完成后，获得结构性土。
52.以下对三种不同胶结合物所获得的结构性土进行对比
53.(1)基于天然原状土的结构强度确定胶结物的含量
54.1)试验方案
55.试验所用土料的物理指标如表1
56.表1试验所用土料的物理指标
[0057][0058]
通过筛析法(粒径为0.075mm-0.5mm)与密度计法(粒径小于0.075mm)共同确定颗粒级配情况见图1，颗粒分析结果见表2，级配良好。
[0059]
表2渭南市黄土颗粒分析
[0060][0061]
为了突出采用roadyes tm
作为胶结物的结构性土在中、高含水量下的所具有的优势，通过分别添加常用的胶结物水泥、石灰做对照试验，采用固结快剪试验确定出与天然原状土具有相似结构强度的胶结物含量以制备结构性土，具体操作按gb/t50123-1999《土工试验方法与标准》实施，具体方案如表3。固结快剪试验中含水量、干密度控制与天然原状土相同，分别为11.0％、1.31g/cm3。
[0062]
表3固结快剪试验试验方案
[0063][0064]
2)定义结构强度
[0065]
以同一剪切位移下原状土与对应的重塑土的剪应力差来表示原状土的结构特性。结构特性曲线的峰值点定义为原状土的结构性度qs(见图3)。
[0066]
3)三种胶结物的含量的确定
[0067]
通过试验，不同胶结物含量下，路液固化剂、水泥、石灰三种胶结物的结构性土试样的结构强度qs，如表4及图4。
[0068]
表4三种胶结物的结构性土的结构强度qs[0069][0070][0071]
随着水泥和石灰含量的的增大，土的结构强度逐渐增大，且明显可以看出水泥作为胶结物时，随着其含量的增大，其结构强度增大幅度大于石灰。roadyes
tm
作为胶结物时，随着其含量的增大，土的结构强度先增大后减小。在roadyes
tm
含量增大到0.25％时，结构强度达到峰值。竖向应力为100kpa、200kpa、300kpa、400kpa时，本发明所取天然原状土的结构强度分别为50.45kpa、40.78kpa、32.66kpa、23.33kpa，通过对比可以发现：不同竖向应力下，3％的水泥、4％的石灰以及0.15％的roadyes tm
的试样与天然原状土具有相似的结构强度，并选择该三种胶结物含量制备结构性土展开对比分析。
[0072]
(2)最优胶结物种类的确定
[0073]
1)试验方案
[0074]
为了对比0.15％roadyes
tm
、3％水泥、4％石灰三种不同胶结物制备的结构性土的力学性质及结构性差异，以此含量来制备不同胶结物的结构性土，对比不同胶结物的结构性土的结构性随含水量的变化规律，具体方案如表5表5侧限压缩试验方案
[0075][0076]
2)结构性本构关系的选择
[0077]
国内外学者对结构性土本构模型的研究也取得了明显的成效。提出了多种类型的结构性土本构关系模型。对结构性土本构模型的建立的理论基础主要有损伤理论、扰动状态理论、边界面理论及综合结构势理论。基于本试验特点，采用陈存礼推荐的考虑结构强度的应变结构性参数m
p
，具体公式如下：
[0078][0079]
式中ey、er、es分别为同一竖向应力p下原状土、重塑土、饱和原状土的孔隙比；m1表示土的可变性；m2表示土的可稳性。土颗粒联结越强，重塑土在荷载的作用下变形越大，m2越小；浸水后变形越大，m1越大。即土的结构性越强，m
p
越大。
[0080]
3)不同胶结物土的结构性参数差异对比
[0081]
由图5可知，随着竖向应力的增大，三种不同胶结物的结构性土的应变结构性参数m
p
在不同的含水量下明显不同。
[0082]
在含水量为3％、11％时，roadyes
tm
作为胶结物的结构性土的应变结构性参数m
p
随竖向应力的增大，其增幅明显高于水泥和石灰；水泥和石灰作为胶结物时差距则较小，说明roadyes
tm
作为胶结物时试样的结构强度发挥较大作用。
[0083]
随着竖向应力的增大，含水量为18％时，roadyes
tm
作为胶结物的结构性土的应力结构性参数m
p
低于水泥和石灰，接近1(结构未完全破坏)；含水量为25％时，其应变结构性参数m
p
小于1(结构已完全破坏)，符合以往研究天然原状结构性土的普遍规律。相同条件下，水泥和石灰作为胶结物的结构性土的m
p
均大于1.25，说明该两种结构性土即使在较高的含水量下也不能被水、荷充分破坏，仍保留一定的结构强度。
[0084]
综上所述，相对于现有技术，本技术的有益效果为：使用roadyes
tm
作为胶结物制备的结构性土在较大含水量范围内与天然原状土的结构性及力学性质更为相似，该方法更具有优势。
[0085]
4)机理分析
[0086]
分析原因，roadyes
tm
可以与土中的不溶性矿物、难溶性矿物及难溶性盐发生一系列复杂的化学反应，生成粒径小于0.005mm的黏粒和粒径小于0.002mm的胶粒，这些生成物粒径小、比表面大、表面能大，因此具有胶体的化学性质。其中最主要的化学反应是土中的sio2、ca(oh)2及al2o3在roadyes
tm
的催化下生成cao
·
sio2·
h2o凝胶和al2o3·
3h2o凝胶。当含水量较低时，这些凝胶一方面可以把周围的土颗粒强有力的胶粘在一起，另一方面易成为土粒公共水化膜的一部分，使土颗粒形成新的离子间连接力，使得结构性土具有更高的抗剪、抗弯、抗拉能力。而含水量较高时，凝胶微粒在土颗粒间又可以起到关键的润滑作用，使土颗粒间产生了新的有效润滑，消除了土颗粒间的摩擦力，使试样更容易被压缩，研究认为同等压实能，由于该润滑作用可使土的密度提升5％-7％。而水泥与石灰作为胶结物的结构性土产生细微的差异是由于水泥水化反应的胶结物cao
·
sio2·
h2o的水敏性优于石灰的反应物caco3。
[0087]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0088]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的
一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种可模拟天然原状土结构特性的人工结构性土，其特征在于，所述结构性土中包含路液固化剂roadyes
tm
。2.根据权利要求1所述的一种可模拟天然原状土结构特性的人工结构性土，其特征在于，所述路液固化剂常温下为深棕色液态物质，ph值4.5-6，挥发率<1％，密度1.05-1.10g/cm3，具有无毒无害、成型后无色无味、可生物降解。3.一种可模拟天然原状土的结构性土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采用黄土作为原材料，对所取土样进行常规土工试验，获取具体物理力学指标；(2)取回的土样风干、破碎、碾压后过0.5mm筛，备用；(3)将路液固化剂roadyes
tm
按一定比例稀释后均匀喷洒在土料中；(4)先将土料和roadyes
tm
混合均匀，放入冰柜中预冷2小时，再与冰粒混合均匀，然后放在特制的环刀制样器中压制成型，从而制得样品；(5)制样结束后，将上述样品放入冰柜复冻1小时，再放入保湿缸中养护14d以上，使土颗粒间的胶结作用充分发挥；(6)养护完成后，获得人工模拟天然状态的结构性土。4.根据权利要求3所述的一种可模拟天然原状土结构特性的人工结构性土的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中路液固化剂roadyes
tm
的含量为0.01％-0.30％。5.根据权利要求3或4任一所述的一种可模拟天然原状土结构特性的人工结构性土的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中路液固化剂roadyes
tm
的含量为0.15％。6.根据权利要求3或4任一所述的一种可模拟天然原状土结构特性的人工结构性土的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中的冰粒为无气水在-20℃时所结冰块经碎冰机破碎后过0.5mm筛的碎冰屑。

技术总结
本发明公开了一种可模拟天然原状土结构特性的人工结构性土及其制备方法，其特征在于，所述结构性土中包含路液固化剂Roadyes


技术研发人员：李宏儒 梁恒楠 槐江波
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：2022.04.15
技术公布日：2023/10/15