一种利用剪切模量变化计算软土结构性扰动度的方法
阅读：913发布：2020-05-13
专利汇可以提供一种利用剪切模量变化计算软土结构性扰动度的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种利用 剪切模量 变化计算软土结构性扰动度的方法。取样前现场原位剪切 波速 测试，获得原位剪切波速，取不同深度的土样并标记，对所取不同深度的土样，在待其应 力 释放后和重塑后分别用弯曲元剪切波速测试装置进行测试，获得取样扰动后无 应力 状态的剪切波速和土体重塑后的剪切波速，计算取样前的土体平均有效应力和上覆有效应力，计算得到各深度取样导致的土体结构性扰动度。本发明测试步骤简单，测试结果准确，通过分离在取样过程中土体结构性扰动(不可恢复扰动)和应力状态改变(可恢复扰动)这两个影响因子，可分别在现场和室内计算取样过程造成的土体结构性扰动程度。，下面是一种利用剪切模量变化计算软土结构性扰动度的方法专利的具体信息内容。
1.一种利用剪切模量变化计算软土结构性扰动度的方法，其特征在于步骤如下：
1)取样前在拟取样场地利用跨孔法进行现场原位剪切波速测试，获得该场地不同深度处的取样扰动前的原位剪切波速Vs0；
2)在取样场地按照拟定深度钻孔取不同深度的土样，在取样筒上标记所取土样深度；
3)对所取不同深度的土样，待其应力释放后分别用弯曲元剪切波速测试装置进行测试，获得取样扰动后无应力状态的剪切波速Vs1；
4)对所取不同深度的土样，将其重塑使得土体结构性降到最低，再分别用弯曲元剪切波速测试装置进行测试，获得土体重塑后的剪切波速Vs2；
5)计算取样前的土体平均有效应力σ′m0和取样前的土体上覆有效应,力σ′v0；
6)计算得到各深度取样导致的土体结构性扰动度SD。
2.根据权利要求1所述的一种利用剪切模量变化计算软土结构性扰动度的方法，其特征在于：所述步骤5)中取样前的土体平均有效应力σ′m0采用以下公式计算：
其中，γ′为上覆土的有效重度，z为土体取样前深度，K0为土体侧压力系数。
3.根据权利要求1所述的一种利用剪切模量变化计算软土结构性扰动度的方法，其特征在于：所述步骤5)中取样前的土体上覆有效应力σ′v0采用以下公式计算：
σ′v0＝γ′z
其中，γ′为上覆土的有效重度，z为土体取样前深度。
4.根据权利要求1所述的一种利用剪切模量变化计算软土结构性扰动度的方法，其特征在于：所述的各深度取样导致的土体结构性扰动度SD采用以下公式计算：
其中，n是拟合常数，k是超固结比OCR的指数，σ′m0是取样前的土体平均有效应力，σ′v0是取样前的土体上覆有效应力。
一种利用剪切模量变化计算软土结构性扰动度的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及土体扰动计算方法，具体涉及了一种利用剪切模量变化计算软土结构性扰动度的方法。
背景技术
[0002] 目前对于土体物理力学性质评价主要通过现场原位试验和室内试验两部分。室内试验具有经济、灵活和易于控制的优点，但在现有取样过程中，虽然经过了很多研究和改进，仍不可避免的会对土体造成扰动。为了减小取样扰动对室内试验结果的影响，准确测试土体物理力学性质指标，除了改进取样设备和提高技术水平尽量减小扰动外，还应建立取样对土样结构性扰动度的定量评价体系。钻孔取样造成土样扰动主要可分为应力释放和土体结构性扰动两部分，前者造成的扰动可恢复，而后者不可恢复。现有取样扰动计算方法主要基于室内固结试验，试验耗时较长且如果结果不理想容易错过再次取样的机会。也有通过剪切波速为指标评价取样扰动的方法，这种方法可在现场进行取样扰动评价，具有无损检测且耗时短的优点。但需注意，剪切波速综合反映应力水平和结构性，并没有与结构扰动直接关联，未能将应力释放和土体结构性扰动区分开。室内试验中可通过各类试验装置使土样恢复原位应力状态水平以消除应力释放因素对室内试验结果的影响，而软粘土取样时造成的结构性扰动则导致土体颗粒结构损伤，在室内试验时无法恢复。综上所述，在岩土勘察领域缺少一套对取样过程造成土体结构性扰动的定量计算方法与测试技术。
发明内容
[0003] 本发明的目的是针对现有方法计算取样过程导致的土体结构性扰动度的不足之处，提供了一种利用剪切模量变化计算软土结构性扰动度的方法，从而实现采用应力归一化后的小应变剪切模量指标计算取样过程导致的土体结构性扰动度。土体小应变剪切模量是综合表征土体结构性和应力水平状态的一个物理量，具有无损检测和室内与现场原位协同测试的突出优势。影响小应变剪切模量的主要因素是有效应力和土体微观结构性(颗粒接触数目、方向性和接触形式)，分别对应取样扰动时的应力水平状态和土体结构性，土体应力水平越高，土体结构性越强，则小应变剪切模量越大。小应变剪切模量具有明确的物理意义，现场原位值和室内试验值易于测定，对取样过程造成的土体扰动较为敏感，且整个测试过程对试验土样的扰动极小。
[0004] 本发明采用的技术方案包括以下步骤：
[0005] 1)取样前在拟取样场地利用跨孔法进行现场原位剪切波速测试，获得该场地不同深度处的取样扰动前的原位剪切波速Vs0；
[0006] 2)在取样场地按照拟定深度钻孔取不同深度的土样，在取样筒上标记所取土样深度；
[0007] 3)对所取不同深度的土样，待其应力释放后分别用弯曲元剪切波速测试装置进行测试，由于所测试样是取样后应力状态为零的土样，因此获得取样扰动后无应力状态的剪切波速Vs1；
[0008] 4)对所取不同深度的土样，将其重塑使得土体结构性降到最低，再分别用弯曲元剪切波速测试装置进行测试，获得土体重塑后的剪切波速Vs2，，即土体结构度扰动度SD＝100％的剪切波速Vs2；
[0009] 5)计算取样前的土体平均有效应力σ'm0和取样前的土体上覆有效应力σ'v0；
[0010] 6)计算得到各深度取样导致的土体结构性扰动度SD。
[0012] 本发明应力释放和重塑步骤的取样扰动既可以是狭义的钻孔取样扰动，也可以是包含钻孔取样扰动、运输储存扰动和土样制备扰动等广义的取样扰动，上述扰动均可以用本发明方法计算土体结构性扰动度。
[0013] 所述步骤5)中取样前的土体平均有效应力σ'm0采用以下公式计算：
[0014]
[0015] 其中，γ'为上覆土的有效重度，z为土体取样前深度，K0为土体侧压力系数。
[0016] 一般情况对于软土，K0为土体侧压力系数取0.5，公式可化简为
[0017] 对于应力释放后的土体的平均有效应力σ'm1和重塑后的土体的平均有效应力σ'm2，由于此时土体均处于无应力状态，因此两者的平均有效应力可取值为1kpa，即σ'm1＝σ'm2＝1kPa。
[0018] 所述步骤5)中取样前的土体上覆有效应力σv'0采用以下公式计算：
[0019] σ′v0＝γ′z
[0020] 其中，γ'为上覆土的有效重度，z为土体取样前深度。
[0021] 其中若对于取样前的土体超固结比OCR0，对于正常固结土，超固结比OCR0＝1。对于应力释放后的土体的超固结比OCR1和重塑后的土体的超固结比OCR1和OCR2均采用以下公式计算：
[0022]
[0023] 其中，σ'v0为土体取样前上覆有效应力，γ'为上覆土的有效重度，z为土体取样前深度。
[0024] 只有应力归一化后的模量，才能够单独表征土体结构性，以往计算方法将应力水平和土体结构性综合评价而未能分离取样过程中应力状态改变(可恢复扰动)和土体结构性扰动(不可恢复扰动)两个影响因子，本发明方法是采用应力归一化后的小应变剪切模量指标计算取样过程导致的土体结构性扰动度，具体原理如下：
[0025] 本发明土体结构性扰动度SD的计算公式是，先利用小应变剪切模量公式推导出应力水平归一化后的可表征土体结构性强弱及损伤程度的参数A来评价取样过程导致的土体结构性扰动度。
[0026] 首先，对于软粘土，小应变剪切模量有以下公式：
[0027] Gmax＝AF(e)(σ'm)n(OCR)k
[0028] 其中，Gmax是小应变剪切模量；A是反应土体结构性的参数，其大小可用来表征土体结构性的强弱及损伤程度；σ'm是平均有效应力；n是拟合常数；k是超固结比OCR的指数，与土体塑性指数相关；F(e)是孔隙比函数，一般对于软粘土可认为是恒定值。
[0029] 接着利用小应变剪切模量公式推导出应力水平归一化后的可表征土体结构性强弱及损伤程度的参数A来评价取样过程导致的土体结构性扰动度，根据上述公式变换推导可得土体结构性参数A：
[0030]
[0031] 其中，Gmax是小应变剪切模量；A是反应土体结构性的参数，其大小可用来表征土体结构性的强弱及损伤程度；σ'm是平均有效应力；n是拟合常数；k是超固结比OCR的指数，与土体塑性指数相关；F(e)是孔隙比函数，一般对于软粘土可认为是恒定值。
[0032] 接着，根据弹性体中波的传播理论导出的公式Gmax＝ρVs2，ρ表示土体密度，Vs表示剪切波速，土体小应变剪切模量可由其剪切波速和土体密度推导得到，测量原状土、取样扰动土、重塑土的剪切波速可推导出小应变剪切模量，通过土体结构性参数A的变化幅值评价取样扰动度。推导如下：
[0033]
[0034]
[0035] 其中，A0、σ'm0、OCR0、Vs0分别为取样扰动前的土体结构性参数、平均有效应力、超固结比、剪切波速；A1、σ'm1、OCR1、Vs1分别为取样扰动后的土体结构性参数、平均有效应力、超固结比、剪切波速；A2、σ'm2、OCR2、Vs2分别为重塑后的土体结构性参数、平均有效应力、超固结比、剪切波速。
[0036] 根据上述推论，OCR0＝1，OCR1＝OCR2＝σ'v0，σ'm1＝σ'm2＝1kPa，所述的各深度取样导致的土体结构性扰动度SD可简化为以下公式计算：
[0037]
[0038] 其中，n是拟合常数；k是超固结比OCR的指数；σ'm0是取样前的土体平均有效应力；σ'v0取样前的土体上覆有效应力。
[0039] 本发明获得的各深度取样导致的土体结构性扰动度SD可以用于定性评判钻孔取样对土体结构性扰动的程度，为以后进行的室内试验提供参考。
[0040] 具体实施中针对于不同性质的软土土样选取不同的参数使土体结构性扰动度计算更准确。
[0041] 本发明的有益效果是：
[0042] 本方法计算明确，测试步骤简单，测试结果准确，在整个测试过程中未对测试土样造成扰动即无损检测的优点。通过分离在取样过程中土体结构性扰动(不可恢复扰动)和应力状态改变(可恢复扰动)这两个影响因子，可分别在现场和室内计算而评判取样过程造成土体结构性扰动程度。
[0043] 尤其是本发明采用将计算指标应力归一化而不是直接使用小应变剪切模量的方法，不仅起到了准确定量计算取样前后土体结构性强弱的作用，还起到了正确定性评价取样过程对土体结构性扰动的效果。对所取土样后续的室内试验有重要的指导意义。
[0046] 图2是本发明实施例原位剪切波速、取样扰动后无应力状态土样和重塑后土样剪切波速图。
[0047] 图3是本发明实施例土体结构性扰动度SD计算结果图。
具体实施方式
[0048] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
[0049] 本实施例为某地铁基坑施工现场勘查，在现场钻孔取样后通过室内试验评价土体物理力学性质指标，故对钻孔取样质量要求较高，取样过程对土体结构性扰动度需足够小。利用本发明方法计算取样过程对土体结构性扰动程度。
[0050] 本发明方法的具体实施步骤如下：
[0051] (1)取样前在拟取样场地利用跨孔法进行现场原位剪切波速测试，获得该场地不同深度处的取样扰动前原位剪切波速Vs0(图2)，此时应注意剪切波速测试深度应大于拟取样的最大深度；
[0052] 得到深度为4m，7m，10m，13m，16m，19m，22m，25m处土体的原位剪切波速值Vs1分别为67.7m/s，91.7m/s，104.1m/s，109.0m/s，126.2m/s，151.0m/s，154.9m/s，167.5m/s。
[0053] (2)在取样场地按照拟定深度钻孔取不同深度的土样，在取样筒上标记所取土样深度；
[0054] (3)对所取不同深度的土样，待其应力释放后分别用弯曲元剪切波速测试装置进行测试，由于所测试样是取样后应力状态为零的土样，故此次测试结果为取样扰动后无应力状态的剪切波速Vs1(图2)；
[0055] 利用便携式压电陶瓷弯曲元剪切波速测试装置对各深度土样进行测试。将取出的部分土体制备为长度为L的柱型试样，试样的长径比应大于3，在试样两端分别插入激励弯曲元和接收弯曲元，记录弯曲元压电陶瓷的插入深度l。由激励弯曲元激发信号后由接收弯曲元接收信号，记录剪切波在试样中的传播时间t，即可获得试样剪切波速 (图1)；
[0056] 得到取样前深度为4m，7m，10m，13m，16m，19m，22m，25m处土样取样扰动后的剪切波速值Vs1分别为37.2m/s，46.6m/s，50.6m/s，50.1m/s，55.1m/s，66.0m/s，65.8m/s，71.4m/s。
[0057] (4)对所取不同深度的土样，将其重塑以使其土体结构性降到最低值，分别用弯曲元剪切波速测试装置进行测试，此次测试结果为土体重塑且土体结构度扰动度SD＝100％的剪切波速Vs2(图2)；
[0058] 得到深度为4m，7m，10m，13m，16m，19m，22m，25m处土体的重塑剪切波速值Vs2分别为24.1m/s，29.7m/s，24.3m/s，25.5m/s，20.4m/s，29.0m/s，38.1m/s，39.7m/s。
[0059] (5)计算取样前的土体平均有效应力 其中γ'为上覆土的有效重度；z为土体取样前深度；K0为土体侧压力系数。公式可化简为
[0060] (6)采用以下公式计算取样前的土体上覆有效应力σv'0：
[0061] σ′v0＝γ′z
[0062] 其中γ'为上覆土的有效重度；z为土体取样前深度；
[0063] (7)定量计算各深度取样导致的土体结构性扰动度SD，公式化简如下：
[0064]
[0065] 对于本实施例所用软粘土，拟合常数n取值为0.57，超固结比系数k为0.24。
[0066] 本实施例土体结构性扰动度SD计算结果见表1。
[0067] 表1本实施例中土体结构性扰动度SD计算结果
[0068]
[0069] 图1可见，本实施例取样深度4m处取样扰动后无应力状态土样和重塑土样测试信号中激励时间和剪切波初达时间清晰明确，可准确计算对应土样的剪切波速。土体结构性扰动度SD最终根据其在土体中的深度绘制如图3所示，表1和图3中可见，与以往土体扰动随着深度的增加而增加相比，本实施例土样随着取样深度的增加，土体结构性扰动度SD有减小的趋势，表明本发明方法通过分离土体结构性扰动和应力状态改变这两个影响因子，将应力状态对剪切模量的影响归一化后，通过计算土体结构性扰动度SD评价取样过程对土体结构扰动的程度，对所取土样后续的室内试验具有重要意义。
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