CN102305845A - 一种区域非饱和土抗剪强度的快速测定的方法 - Google Patents

Abstract

一种区域非饱和土抗剪强度的快速测定的方法，解决了现实工程中基质吸力难以量测，非饱和土抗剪强度公式在工程实践中不宜推广的技术问题，本发明的关键是通过实地测量区域内土样的含水量得到土水特性曲线、或通过搜集各区域经过实地测量已经绘制得到的水土特性曲线，经过曲线拟合确定该区域与基质吸力有关的参数，并经过实验进一步提出没有基质吸力相的非饱和土抗剪强度公式，避免去实地测量基质吸力带来的不便。本方法在使用时，只需给定当前土体的常规特性和饱和度就可以快速简便的确定出土的抗剪强度。

Description

一种区域非饱和土抗剪强度的快速测定的方法

技术领域

本发明涉及一种区域非饱和土抗剪强度的判断方法，属于土木工程技术领域，特别是一种区域非饱和土抗剪强度的快速测定的方法。

背景技术

在很多岩土工程设计中，如边坡稳定分析、基坑开挖支护设计、挡土墙设计等，土的抗剪强度是一个非常重要的工程指标。尽管我们遇到的土大多数处于非饱和状态，但土的非饱和力学性质却常常被忽略。通常非饱和土的抗剪强度可以通过改进直剪实验或非饱和三轴实验来确定。但是，通过实验确定非饱和土的抗剪强度需要很长的时间，占用很多实验设备，费用十分昂贵，这对于实际工程设计与施工非常不利。非饱和土力学的发展，提出了一系列的非饱和土抗剪强公式，但是这些公式大多都将基质吸力作为单独一个变量考虑，而实际工程中基质吸力的测试无论从实际操作性上还是精度上都是非常困难的。因此有必要提出一套能快速判断区域内非饱和土抗剪强度的方法，以实现本领域技术人员一直渴望但未能解决的快速判断非饱和土抗剪强度的技术问题。

发明内容

本发明要解决现实工程中基质吸力难以量测，非饱和土抗剪强度公式在工程实践中不宜推广的技术问题，设计了一种区域非饱和土抗剪强度的快速测定的方法，借助经验土水特性曲线及配套参数项，只需测量目标土样的体积含水量及饱和内摩擦角就能得出目标土样的抗剪强度，实现了快速判定区域非饱和土抗剪强度，以解决本领域技术人员一直渴望但未能解决的快速判断非饱和土抗剪强度的技术问题。

本发明为实现发明目的采用的技术方案是，一种区域非饱和土抗剪强度的快速测定的方法，上述方法中包括测定土体饱和粘聚力c′、测定土体总应力σ、测定土体孔隙气压力u_a、以及根据综合基质吸力条件判定的土体粘聚力c_f，以上测量参数借助软件程序综合分析得出非饱和土的抗剪强度，关键是：

设计制作标准化土样的土水特性曲线数据库模块：土样按地域位置、土质类型、孔隙比、埋深为特征项，根据土样外界环境压力和含水量的对应关系绘制出土水特性曲线以及配套的修正参考特征，修正参考特征包括体积含水量θ、饱和内摩擦角

特征项和土水特性曲线组成土样的数据集；将所有能收集到的、加上必要补充测试获得的土样数据集汇编，并将以上土样数据集汇编的土水特性曲线及配套特征项参数按照身份标识进行编码排序、数字化规范处理成为专用经验数据模块，借助于配备以上专用经验数据模块的计算机系统，区域非饱和土抗剪强度的快速测定的方法包括以下步骤：

A、采集并确定目标非饱和土样的采集地点、土质类型，测量出目标土样的孔隙比、及埋深，对目标非饱和土样身份标识码和能够确定的特征项赋值、并组成数组存入中间存储器；

B、根据目标非饱和土样的地点和土质类型代码在专用经验数据模块中进行索引，调出符合条件的土样数据组、并得到一组土水特性曲线，存入中间存储器中；

C、根据步骤A中确定的埋深参数对步骤B中得到的一组土水特性曲线进一步进行筛选，得到一组按照孔隙比排序的土水特性曲线，存入中间存储器；

D、取出上述一组按照孔隙比排序的土水特性曲线中的孔隙比，并对每个曲线对应的孔隙比进行赋值，与步骤A中测量的孔隙比依次进行比较，找出差值的模最小的一个土水特性曲线，并将此土水特性曲线存入中间存储器中；

E、用常规手段测量非饱和土样的体积含水量θ′、饱和内摩擦角

与步骤D中找到的土水特性曲线对应的修正参考特征进行比较，通过求二者的差值，再求算数平均值得出修正值，按照修正值得出目标土样的土水特性曲线，存储在中间存储器中；

F、调出目标土样的土水特性曲线，借助拟合软件找出拟合参数，并借助经验公式计算得出由基质吸力引起的粘聚力c_f。

本发明的关键是建立专用经验数据模块：通过将搜集或进行补充测量得到的土水特性曲线、及包括体积含水量θ、饱和内摩擦角

在内的配套修正参考特征建立专用经验数据库，并将包括土样的地域位置、土质类型、孔隙比及埋深在内的特征项作为索引参数一并存储在专用经验数据库中，计算机根据目标非饱和土样的特征项在专用经验数据模块中搜索得到一个与目标非饱和土样的特征项最接近的土水特性曲线及其配套的修正参考特征，并根据实地测量的目标非饱和土样的体积含水量θ′及饱和内摩擦角

与上述检索到的土水特性曲线的体积含水量θ、饱和内摩擦角

进行进行比较、计算得出修正值，按照修正值得出目标土样的土水特性曲线；目标土样的土水特性曲线确定后，借助拟合软件确定该目标土水特性曲线的拟合参数、并借助经验公式计算得出由基质吸力引起的粘聚力c_f。

本发明专利的有益效果是，克服了实际工程设计中基质吸力相难以测试的问题，利用现有已经测量过的土样及其配套土水特性曲线建立经验数据库，在测定目标土样的抗剪强度时，只需根据目标土体的常规特性在专用经验数据模块中检索到合适的土水特性曲线及其相关参数，将检索到的土水特性曲线中的参数与目标土体实际测量的数据进行比较、计算形成目标土样的土水特性曲线，并得出该条曲线的拟合参数、代入配套公式即可计算出当前土体的抗剪强度，省去了测量基质吸力的步骤，大大提高了测量速度，在工程设计中更为实用。

具体实施方式

一种区域非饱和土抗剪强度的快速测定的方法，上述方法中包括测定土体饱和粘聚力c′、测定土体总应力σ、测定土体孔隙气压力u_a、以及根据综合基质吸力条件判定的土体粘聚力c_f，以上测量参数借助软件程序综合分析得出非饱和土的抗剪强度，其关键是：

设计制作标准化土样的土水特性曲线数据库模块：土样按地域位置、土质类型、孔隙比、埋深为特征项，根据土样外界环境压力和含水量的对应关系绘制出土水特性曲线以及配套的修正参考特征，修正参考特征包括体积含水量θ、饱和内摩擦角

特征项和土水特性曲线组成土样的数据集；将所有能收集到的、加上必要补充测试获得的土样数据集汇编，并将以上土样数据集汇编的土水特性曲线及配套特征项参数按照身份标识进行编码排序、数字化规范处理成为专用经验数据模块，借助于配备以上专用经验数据模块的计算机系统，区域非饱和土抗剪强度的快速测定的方法包括以下步骤：

A、采集并确定目标非饱和土样的采集地点、土质类型，测量出目标土样的孔隙比、及埋深，对目标非饱和土样身份标识码和能够确定的特征项赋值、并组成数组存入中间存储器；

B、根据目标非饱和土样的地点和土质类型代码在专用经验数据模块中进行索引，调出符合条件的土样数据组、并得到一组土水特性曲线，存入中间存储器中；

C、根据步骤A中确定的埋深参数对步骤B中得到的一组土水特性曲线进一步进行筛选，得到一组按照孔隙比排序的土水特性曲线，存入中间存储器；

D、取出上述一组按照孔隙比排序的土水特性曲线中的孔隙比，并对每个曲线对应的孔隙比进行赋值，与步骤A中测量的孔隙比依次进行比较，找出差值的模最小的一个土水特性曲线，并将此土水特性曲线存入中间存储器中；

E、用常规手段测量非饱和土样的体积含水量θ′、饱和内摩擦角

与步骤D中找到的土水特性曲线对应的修正参考特征进行比较，通过求二者的差值，再求算数平均值得出修正值，按照修正值得出目标土样的土水特性曲线，存储在中间存储器中；

F、调出目标土样的土水特性曲线，借助拟合软件找出拟合参数，并借助经验公式计算得出由基质吸力引起的粘聚力c_f。

上述的步骤F中，拟合参数中包括残余体积含水率θ_r、饱和体积含水率θ_s以及拟合参数α和n。

上述的步骤还包括：G、将得到的目标土样的土水特性曲线与对应的修正参考特征、特征项形成向量，存储在专用经验数据模块中，更新土水特性曲线数据库模块。

上述的步骤C中，用埋深参数对土水特性曲线组进行筛选时，将目标土样的埋深参数加上一个误差值形成一个埋深参数范围，用此埋深参数范围对步骤B中的一组土水特性曲线进行筛选。

本发明的关键是建立专用经验数据模块：通过将搜集或进行补充测量得到的土水特性曲线、及包括体积含水量θ、饱和内摩擦角在内的配套修正参考特征建立专用经验数据库，并将包括土样的地域位置、土质类型、孔隙比及埋深在内的特征项作为索引参数一并存储在专用经验数据库中，计算机根据目标非饱和土样的特征项在专用经验数据模块中搜索得到一个与目标非饱和土样的特征项最接近的土水特性曲线及其配套的修正参考特征，并根据实地测量的目标非饱和土样的体积含水量θ′及饱和内摩擦角

与上述检索到的土水特性曲线的体积含水量θ、饱和内摩擦角

进行进行比较、计算得出修正值，按照修正值得出目标土样的土水特性曲线；目标土样的土水特性曲线确定后，借助拟合软件确定该目标土水特性曲线的拟合参数、并借助经验公式计算得出由基质吸力引起的粘聚力c_f。

本发明专利的有益效果是，克服了实际工程设计中基质吸力相难以测试的问题，利用现有已经测量过的土样及其配套土水特性曲线建立经验数据库，在测定目标土样的抗剪强度时，只需根据目标土体的常规特性在专用经验数据模块中检索到合适的土水特性曲线及其相关参数，将检索到的土水特性曲线中的参数与目标土体实际测量的数据进行比较、计算形成目标土样的土水特性曲线，并得出该条曲线的拟合参数、代入配套公式即可计算出当前土体的抗剪强度，省去了测量基质吸力的步骤，大大提高了测量速度，在工程设计中更为实用。

本发明在具体实施时，首先需要通过实地测量区域内土样的含水量得到土水特性曲线、或通过搜集各区域经过实地测量已经绘制得到的土水特性曲线，将区域内的土水特性曲线进行分析、总结提出没有基质吸力相的非饱和土抗剪强度公式并存入专用经验数据模块中：公式是：

其中：α，n分别为van Genuten公式的参数，通过土水特性实验曲线拟合确定，θ为土样的体积含水率，θ_r，θ_s分别为残余体积含水率和饱和体积含水率。如令

上式可写成：

令为基质吸力提高了的非饱和土粘聚力，则非饱和土抗剪强度公式可以简化为

即：

c_t为总粘聚力。

Claims (4)

1.一种区域非饱和土抗剪强度的快速测定的方法，上述方法中包括测定土体饱和粘聚力c′、测定土体总应力σ、测定土体孔隙气压力u_a、以及根据综合基质吸力条件判定的土体粘聚力c_f，以上测量参数借助软件程序综合分析得出非饱和土的抗剪强度，其特征在于：

设计制作标准化土样的土水特性曲线数据库模块：土样按地域位置、土质类型、孔隙比、埋深为特征项，根据土样外界环境压力和含水量的对应关系绘制出土水特性曲线以及配套的修正参考特征，修正参考特征包括体积含水量θ、饱和内摩擦角

特征项和土水特性曲线组成土样的数据集；将所有能收集到的、加上必要补充测试获得的土样数据集汇编，并将以上土样数据集汇编的土水特性曲线及配套特征项参数按照身份标识进行编码排序、数字化规范处理成为专用经验数据模块，借助于配备以上专用经验数据模块的计算机系统，区域非饱和土抗剪强度的快速测定的方法包括以下步骤：

A、采集并确定目标非饱和土样的采集地点、土质类型，测量出目标土样的孔隙比、及埋深，对目标非饱和土样身份标识码和能够确定的特征项赋值、并组成数组存入中间存储器；

B、根据目标非饱和土样的地点和土质类型代码在专用经验数据模块中进行索引，调出符合条件的土样数据组、并得到一组土水特性曲线，存入中间存储器中；

C、根据步骤A中确定的埋深参数对步骤B中得到的一组土水特性曲线进一步进行筛选，得到一组按照孔隙比排序的土水特性曲线，存入中间存储器；

D、取出上述一组按照孔隙比排序的土水特性曲线中的孔隙比，并对每个曲线对应的孔隙比进行赋值，与步骤A中测量的孔隙比依次进行比较，找出差值的模最小的一个土水特性曲线，并将此土水特性曲线存入中间存储器中；

E、用常规手段测量非饱和土样的体积含水量θ′、饱和内摩擦角与步骤D中找到的土水特性曲线对应的修正参考特征进行比较，通过求二者的差值，再求算数平均值得出修正值，按照修正值得出目标土样的土水特性曲线，存储在中间存储器中；

F、调出目标土样的土水特性曲线，借助拟合软件找出拟合参数，并借助经验公式计算得出由基质吸力引起的粘聚力c_f。

2.根据权利要求1所述的一种区域非饱和土抗剪强度的快速测定的方法，其特征在于：所述的步骤F中，拟合参数中包括残余体积含水率θ_r、饱和体积含水率θ_s以及拟合参数α和n。

3.根据权利要求1所述的一种区域非饱和土抗剪强度的快速测定的方法，其特征在于：所述的步骤还包括：G、将得到的目标土样的土水特性曲线与对应的修正参考特征、特征项形成向量，存储在专用经验数据模块中，更新土水特性曲线数据库模块。

4.根据权利要求1所述的一种区域非饱和土抗剪强度的快速测定的方法，其特征在于：所述的步骤C中，用埋深参数对土水特性曲线组进行筛选时，将目标土样的埋深参数加上一个误差值形成一个埋深参数范围，用此埋深参数范围对步骤B中的一组土水特性曲线进行筛选。