CN110082225A - 一种细粒土低压力下饱和慢剪强度的估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种细粒土低压力下饱和慢剪强度的估算方法，包括以下步骤：步骤1：获取细粒土常规压力下饱和慢剪强度参数；步骤2：获取细粒土饱和慢剪强度变化指数η；步骤3：根据步骤1和步骤2确定细粒土低压力下饱和慢剪强度τ _fd；本发明与传统的方法更加合理，计算结果更全面准确，减少了制样数量、节约了人力物力、降低了试验成本、节省了试验时间、提高了试验效率。

Description

一种细粒土低压力下饱和慢剪强度的估算方法

技术领域

本发明涉及岩石工程技术领域，具体涉及一种细粒土低压力下饱和慢剪强度的估算方法。

背景技术

土体抗剪强度是反映土体力学性质的重要指标之一，已有研究成果表明，土体在常规压力下(50～300kPa)，抗剪强度与法向压力呈线性关系，即法向压力越大，抗剪强度越高；通过Coulomb抗剪强度公式对试验获得的常规压力下抗剪强度与法向压力的对应关系进行线性拟合，得出抗剪强度参数：黏聚力c和内摩擦角其中c为直线与纵轴的截距，为直线的倾角。

土体抗剪强度的试验方法主要有直剪试验和三轴剪切试验两种；直剪试验方法又分为快剪、固结快剪和慢剪；其中，对于饱和土样的慢剪试验是剪切试样先在法向压力下固结稳定后，再采用0.02mm/min或更低的剪切速率进行剪切试验。目的是消除试样在剪切过程中孔隙水压力的影响，由此获得的抗剪强度参数视为饱和土样有效抗剪强度参数，即有效黏聚力c′和有效内摩擦角目前慢剪试验研究表明，饱和状态下扰动细粒土在低法向压力σ(≤50kPa)下的抗剪强度和法向压力的关系与常规压力段线性关系不同，呈现明显的非线性。而且试验还发现，没有法向压力时饱和扰动细粒土的有效黏聚力c′近似为0；是导致抗剪强度与法向压力关系曲线在低压力段具有明显非线性的原因。

同时，实际工程中关于雨水浸润下的边坡稳定、挡土墙墙背土压力和地基承载力等方面研究，尤其考虑雨水渗流条件下的不利影响时，均涉及不同地表深度处(表层、浅层到深层范围内即低应力和常规应力下)土体有效抗剪强度参数c′和的取值问题。通常的做法有两种，一是只开展常规压力下慢剪或三轴排水剪切试验，以常规压力下测得的有效抗剪强度参数作为全压力(低压力和常规压力下)范围内抗剪强度参数值。二是开展全压力段下的慢剪或三轴固结排水剪切试验，采用非线性方程确定抗剪强度包线，以此获得不同有效压力下的有效抗剪强度参数。但前者由于忽略低压力下土体抗剪强度与法向压力非线性变化，使得计算结果存在较大偏差，且基于此方法获得的评估结果也是偏于危险的。后者由于低压力和常规压力下的全部试样均须测试，所需测试试样数量多、人力和物力投入大，且慢剪或三轴固结排水剪切试验耗时长、效率低下。

发明内容

本发明提供一种减少测试试样数量、节约试验时间、降低人力物力投入，提高试验效率的细粒土低压力下饱和慢剪强度的估算方法。

本发明采用的技术方案是：一种细粒土低压力下饱和慢剪强度的估算方法，包括以下步骤：

步骤1：获取细粒土常规压力下饱和慢剪强度参数c′和

步骤2：获取细粒土饱和慢剪强度变化指数η：

步骤3：根据步骤1和步骤2确定细粒土低压力下饱和慢剪强度τ_fd：

进一步的，步骤1具体过程如下：

S1：进行常规压力下细粒土试样饱和慢剪试验，获得不同常规压力下饱和细粒土的剪应力和剪切位移关系曲线；

S2：根据步骤S1得到的曲线得到抗剪强度τ_f，以抗剪强度为纵坐标，以法向应力σ′为横坐标得到τ_f～σ′散点图；

S3：采用Coulomb有效抗剪强度公式对步骤S2得到的散点图进行线性拟合，得到常规压力下细粒土饱和慢剪强度参数c′和

进一步的，所述步骤S1中细粒土试样中扰动细粒土按照《铁路工程土工试验规程》制备，采用压样法制样，然后采用24h真空法饱和。

本发明的有益效果是：

(1)本发明原理清晰明确，计算结果准确全面；基于细粒土饱和慢剪强度与有效法向应力关系，在低压力下呈现非线性；常规压力下表现为线性关系，建立了能反映上述不同压力段下二者关系的复合指数强度方程，与传统的方法更加合理，计算结果更全面准确；

(2)本发明只需要利用常规直剪试验装置开展细粒土饱和慢剪试验，测得的常规压力下抗剪强度与有效法向应力的少量数据，即可较为精确的估算出低压力下的抗剪强度；避免了因工程需要全压力段有效法向应力与抗剪强度关系的试验数据，而逐级开展全压力段慢剪试验，所以减少了制样数量、节约了人力物力、降低了试验成本、节省了试验时间、提高了试验效率。

附图说明

图1为本发明方法原理中法向应力与抗剪强度关系示意图。

图2为本发明实施例1中常规压力下τ_f～σ′散点图。

图3为本发明实施例1中基于某细粒土常规压力下饱和慢剪强度对低压力下饱和慢剪强度的预测图。

图4为本发明验证例一中对低压力下饱和慢剪强度的验证效果图。

图5为本发明实施例2中常规压力下τ_f～σ′散点图。

图6为本发明实施例2中基于某细粒土常规压力下饱和慢剪强度对低压力下饱和慢剪强度的预测图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

一种细粒土低压力下饱和慢剪强度的估算方法，包括以下步骤：

步骤1：获取细粒土常规压力下饱和慢剪强度参数c′和

其中c′为有效黏聚力，为有效内摩擦角；步骤1具体过程如下：

S1：进行常规压力下细粒土试样饱和慢剪试验，获得不同常规压力下饱和细粒土的剪应力和剪切位移关系曲线；细粒土试样中扰动细粒土按照《铁路工程土工试验规程》制备，采用压样法制样，然后采用24h真空法饱和。

S2：根据步骤S1得到的曲线得到抗剪强度τ_f，以抗剪强度为纵坐标，以法向应力σ′为横坐标得到常规压力下τ_f～σ′散点图；

S3：采用Coulomb有效抗剪强度公式对步骤S2得到的散点图进行线性拟合，得到常规压力下饱和细粒土有效抗剪强度参数c′和

步骤2：获取细粒土饱和慢剪强度变化指数η：

步骤3：根据步骤1和步骤2确定细粒土低压力下饱和慢剪强度τ_fd：

原理如下：

浸水饱和后土体在常规压力段，破裂面上慢剪强度与有效法向压力基本满足Coulomb线性关系，可采用Coulomb公式进行表达：

但试验研究表明，对应浸水饱和的细粒土，在低压力段，破裂面上慢剪强度与有效法向应力的关系曲线呈现明显的非线性，这与常规压力段两者呈现的线性关系不同，如图1所示。

据此，提出既能反映细粒土低压力下饱和慢剪强度与法向压力关系曲线呈现非线性，又能涵盖常规应力段Coulomb线性关系的复合指数强度公式(2)，即由Coulomb线性方程部分和指数函数部分(1-e^-ησ')乘积构成：

式中：η为饱和慢剪强度变化指数，且为正值。

当法向应力σ′超过一定值σ_cr时，因η为正值，e^-ησ'→0，1-e^-ησ'→1，复合指数强度公式(2)即与Coulomb公式(1)近似一致。

式(2)对法向应力求导，得强度包线斜率表达式：

当σ′＝0时，土体有效内摩擦角用表示，即初始有效内摩擦角，由(3)得：

所以指数复合模型中的η为：

由此可知，已知土体初始有效内摩擦角即可求得η值，但实际上σ′→0时的抗剪强度试验很难开展。研究表明，通常在和π/2之间，所以近似取其中，

所以：

将式(6)代入式(2)得下式：

即：

最后，通过已获得的细粒土常规压力下饱和慢剪强度参数c′和利用上式即可确定细粒土低压力下的饱和慢剪强度。

实施例1

一种细粒土低压力下饱和慢剪强度的估算方法，包括以下步骤：

步骤1：获取细粒土常规压力下饱和慢剪强度参数c′和

S1：进行常规压力下细粒土试样饱和慢剪试验，获得不同常规压力下饱和细粒土的剪应力和剪切位移关系曲线；

具体包括以下步骤：

A、扰动细粒土制备：按照《铁路工程土工试验规程》(TB10102-2010)，根据试验所需土样数量，将现场取回的细粒土(颗粒粒径小于0.075mm质量占总质量50％以上的土)经自然风干后碾散，并过2mm筛；充分制备试验所需某一初始含水率下的细粒土：首先，按照拟定的初始含水率计算加水量，将过筛后的细粒土平铺于大尺寸搪瓷盘内，用喷雾器喷洒所需加水量并充分拌匀；然后装入保湿容器内浸润一昼夜，保证土样含水率拌合均匀，随后测定浸润后土样的含水率，测定结果与规范要求的含水率差值不得大于±1％。

B、采用压样法制样：将拌合均匀的土样，按照某一干密度，计算称取所需湿土的质量，并倒入装有环刀(环刀内径61.8mm，高20mm)的压样器内，以静压力方式将土样全部压入环刀内。

C、试样饱和：采用24h真空法饱和(抽真空至少1h)，且饱和过程中保持体积不变。

D、开展常规压力下饱和细粒土试样慢剪试样：采用直接施加荷载方式，开展法向应力σ(慢剪条件下法向应力即有效应力σ′)分别为75kPa、100kPa、200kPa、300kPa四级常规压力下慢剪强度试验。其中法向应力固结时间及剪切速率按照《铁路工程土工试验规程》(TB10102—2010)控制。由此获得不同常规压力下饱和细粒土的剪应力和剪切位移关系曲线，并取关系曲线峰值对应的剪应力作为该法向应力下饱和细粒土的抗剪强度τ_f；无峰值时，取剪切位移4mm时对应的剪应力为相应抗剪强度τ_f；以抗剪强度τ_f为纵坐标，以法向应力σ′为横坐标绘制常规压力下τ_f～σ′散点图。

E、采用Coulomb有效抗剪强度公式对τ_f～σ′散点图进行线性拟合，获取常规压力下细粒土饱和慢剪强度参数c′和

步骤2：获取细粒土饱和慢剪强度变化指数η：

步骤3：根据步骤1和步骤2确定细粒土低压力下饱和慢剪强度τ_fd：

式中：σ′为法向应力。

本实施例按步骤1测定细粒土试样，其粒径在0.005～0.075mm颗粒占56.14％，低于0.005mm颗粒占43.56％，其余粒径在0.075mm以上颗粒占3％的细粒土，制备成初始含水率为16％，干密度为1.8g/cm³的压实土样，采用真空饱和后，开展常规压力段慢剪试验；获得了常规压力段τ_f～σ′散点图。获得了有效抗剪强度参数c′和分别为28.8kPa和19.2°；如图2所示。按照步骤2计算强度变化指数η＝0.049。按照步骤3采用复合指数强度公式获得了细粒土低压下的饱和慢剪强度，如图3所示。

为了证明本发明方法的效果，设置验证例一：

按照《铁路工程土工试验规程》(TB 10102—2010)对该土样相同状态下进行低压力(分别为5kPa、15kPa、30kPa、50kPa四级荷载)下τ_f～σ′散点图；如图4所示三角形散点所示；可见，本发明方法预测低压力段下抗剪强度与实测值非常接近，具体见表1所示。

表1.实测值与预测值对比

实施例2

一种细粒土低压力下饱和慢剪强度的估算方法，包括以下步骤：

步骤1：获取细粒土常规压力下饱和慢剪强度参数c′和

S1：进行常规压力下细粒土试样饱和慢剪试验，获得不同常规压力下饱和细粒土的剪应力和剪切位移关系曲线；

具体包括以下步骤：

A、扰动细粒土制备：按照《铁路工程土工试验规程》(TB10102-2010)，根据试验所需土样数量，将现场取回的细粒土(颗粒粒径小于0.075mm质量占总质量50％以上的土)经自然风干后碾散，并过2mm筛；充分制备试验所需某一初始含水率下的细粒土：首先，按照拟定的初始含水率计算加水量，将过筛后的细粒土平铺于大尺寸搪瓷盘内，用喷雾器喷洒所需加水量并充分拌匀；然后装入保湿容器内浸润一昼夜，保证土样含水率拌合均匀，随后测定浸润后土样的含水率，测定结果与规范要求的含水率差值不得大于±1％。

B、采用压样法制样：将拌合均匀的土样，按照某一干密度，计算称取所需湿土的质量，并倒入装有环刀(环刀内径61.8mm，高20mm)的压样器内，以静压力方式将土样全部压入环刀内。

C、试样饱和：采用24h真空法饱和(抽真空至少1h)，且饱和过程中保持体积不变。

D、开展常规压力下饱和细粒土试样慢剪试样：采用直接施加荷载方式，开展法向应力σ(慢剪条件下法向应力即有效应力σ′)分别为55kPa、100kPa、180kPa三级常规压力下慢剪强度试验。其中法向应力固结时间及剪切速率按照《铁路工程土工试验规程》(TB10102—2010)控制。由此获得不同常规压力下饱和扰动细粒土的剪应力和剪切位移关系曲线，并取关系曲线峰值对应的剪应力作为该法向应力下饱和细粒土的抗剪强度τ_f；无峰值时，取剪切位移4mm时对应的剪应力为相应抗剪强度τ_f；以抗剪强度τ_f为纵坐标，以法向应力σ′为横坐标绘制常规压力下τ_f～σ′散点图。

E、采用Coulomb有效抗剪强度公式对τ_f～σ′散点图进行线性拟合，获取常规压力下细粒土饱和慢剪强度参数c′和

步骤2：获取细粒土饱和慢剪强度变化指数η：

步骤3：根据步骤1和步骤2确定细粒土低压力下饱和慢剪强度τ_fd：

式中：σ′为法向应力。

本实施例按步骤1测定细粒土试样，开展细粒土常规压力段饱和慢剪试验；获得了常规压力段τ_f～σ′散点图。获得了有效抗剪强度参数c′和分别为19.2kPa和21°；如图5所示。按照步骤2计算强度变化指数η＝0.069。按照步骤3采用复合指数强度公式获得了细粒土低压下的饱和慢剪强度，如图6所示。

为了证明本发明方法的效果，设置验证例二：

图6中三角形散点为实施例2中土样相同状态下进行低压力(0kPa、4.5kPa、11.5kPa、22.1kPa四种)下试验测得τ_f～σ′散点图；可见，本发明方法预测低压力段下抗剪强度与实测值非常接近，具体见表2所示。

表2.实测值与预测值对比

本发明原理清晰明确，计算结果准确全面；基于细粒土饱和慢剪强度与有效法向应力关系，在低压力下呈现非线性；常规压力下表现为线性关系，建立了能反映上述不同压力段下二者关系的复合指数强度方程，较传统的只能单一反映常规压力段下细粒土饱和慢剪强度与有效法向应力线性关系的Coulomb公式更加合理，且计算结果更全面准确。只需要利用常规直剪试验装置开展细粒土饱和慢剪试验，测得的常规压力下抗剪强度与有效法向应力的少量数据，即可较为精确的估算出低压力下的抗剪强度；避免了因工程需要全压力段有效法向应力与抗剪强度关系的试验数据，而逐级开展全压力段慢剪试验，所以减少了制样数量、节约了人力物力、降低了试验成本、节省了试验时间、提高了试验效率。

Claims (3)

1.一种细粒土低压力下饱和慢剪强度的估算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取细粒土常规压力下饱和慢剪强度参数c′和

其中，c′为有效黏聚力，为有效内摩擦角；

步骤2：获取细粒土饱和慢剪强度变化指数η：

步骤3：根据步骤1和步骤2确定细粒土低压力下饱和慢剪强度τ_fd：

式中：σ′为法向应力。

2.根据权利要求1所述的一种细粒土低压力下饱和慢剪强度的估算方法，其特征在于，步骤1具体过程如下：

S1：进行常规压力下细粒土试样饱和慢剪试验，获得不同常规压力下饱和细粒土的剪应力和剪切位移关系曲线；

S2：根据步骤S1得到的曲线得到抗剪强度τ_f，以抗剪强度为纵坐标，以法向应力σ′为横坐标得到τ_f～σ′散点图；

S3：采用Coulomb有效抗剪强度公式对步骤S2得到的散点图进行线性拟合，得到常规压力下细粒土饱和慢剪强度参数c′和

3.根据权利要求2所述的一种细粒土低压力下饱和慢剪强度的估算方法，其特征在于，所述步骤S1中细粒土试样中扰动细粒土按照《铁路工程土工试验规程》制备，采用压样法制样，然后采用24h真空法饱和。