[发明专利]一种模拟天津粉质黏土的动力试验用模型土及配制方法

说明书

本发明属于土力学试验领域，提供一种模拟天津粉质黏土的有关动力模型试验用模型土及其配制方法。模型土包括以下质量百分比含量的组分：锯末18％，河砂27％，粉质黏土55％，含水率为50％。制备方法包括以下步骤：(1)按配比称取锯末、河砂与粉质黏土；(2)将各组分混合均匀后加水并拌合均匀，与现有技术相比，本发明制备得到的模型土与天津粉质黏土在不同围压下满足主要相似关系，创建并根据函数量化分析得到模型土与原型土的G/G_max‑γ动力特性曲线相似度较高。另外，通过调节锯末、河砂与粉质黏土的配比及含水率能够进行其他有关动力模型试验土质的模拟，可通过本发明创建的函数量化分析判定其它模型土的配比。

技术领域

本发明属于土力学试验领域，涉及一种土木工程及地下工程使用的模型土，特别涉及一种模拟天津地区粉质黏土的动力试验用模型土技术。

背景技术

目前为止地震作用下地下结构与土、上部结构的相互作用理论并未成熟，为更好还原地震作用下隧道与上部结构的动力响应，在相关结构抗震设计时常常需要进行地震模拟振动台试验而提供一定试验资料；上部结构-土-隧道相互作用体系的的振动台模拟试验中的一个关键问题是体系各部分之间的加速度相似比应相互匹配，因此模型土的设计至关重要。

一般情况下，工程试验中的模型土应具有以下的性质：(1)关于相似材料的选取方面，应考虑选择获取方便且成本较为合理的材料；(2)相似材料的性质应比较稳定，在模型土配制及向模型箱装填过程中不随周围温度等环境的变化而发生变化；(3)模型土便于配制及振动台装填；(4)有关模型土与原型土动力学参数的相似比可通过改变模型土各材料的配比进行调控。

国内外一些学者对模型土的配制进行了一定的研究，部分总结如下。

尚守平等以动剪切模量做为主要相似指标，采用在原型土里添加锯末来降低动剪切模量，加速度相似比S_a的目标值为1，而实际值为4.65，并未考虑模型土与原型土G/G_max-γ动力特性曲线相似性。

陈红娟等基于结构与土周期相似比一致的原则，以土的卓越周期作为相似指标，场地土的卓越周期T＝4h/v_s，由相似理论计算可知模型土的剪切波速比原型场地小很多，故在原型土里添加锯末以降低剪切波速，目标值S_lS_ρ/S_E＝1，实际结果为0.15，并未考虑模型土与原型土G/G_max-γ动力特性曲线相似性。

王志佳以粉质黏土为原型土，以模型土与原型土的参考应变γ_r相似比为1及二者的G/G_max-γ曲线相似作为相似指标，模型土材料为粘土、河砂和水，最终得到与粉质黏土的G/G_max-γ曲线相似的模型土，且参考应变相似比为0.95，基本满足所设定相似目标，但并未考虑土与地下管线的加速度相似比是否一致。

土的复杂多样性以及力学性态参数较多导致模型土的配制较为困难，目前为止有关振动台动力特性试验模型土的配制方面，多数研究者以满足主要相似关系为目标，但所得试验结果往往未能较好满足预期目标，尤其在模型土与原型土的G/G_max-γ动力特性曲线的相似性方面考虑较少，且并未做严格的定量分析。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟天津地区粉质黏土的动力模型试验用模型土及其配制方法，所发明的模型土针对天津地区粉质黏土特有的力学性质，综合考虑了模型土与原型粉质黏土动剪切模量比-剪应变动力特性曲线的相似性以及模型土与原型土的主要相似关系，使上部结构-土-隧道相互作用体系各部分的原型与模型的加速度相似比相匹配，能够更好还原地震作用下隧道与上部结构的动力响应；另外，通过调节锯末、河砂与粉质黏土的配比及含水率以及采用本发明创建的模型土配比判定方法能够进行其他有关动力模型试验土质的模拟。