CN110210173A - 一种冰碛土物理力学参数的快速估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种冰碛土物理力学参数的快速估算方法，通过前期大量现场试验及室内测试的数据分析，总结出含水率、孔隙比及粘粒含量与其他物理力学参数的统计关系。首先在冰碛土堆积体的新鲜断面进行含水率、天然密度和粘粒含量的简易测试，再根据参数间的试验数据统计关系式估算出孔隙比、压缩指标、剪切强度、抗压强度、渗透性和膨胀性等其他相对复杂的工程力学指标，从而可快速进行场地稳定性的初步评价；再根据评价结果，有针对性地选取危险场址进行详细勘查。本发明与以往技术相比，可节省勘查评估的工期，减少参数测试的种类和流程，降低经济成本，对于藏东南高寒、高海拔、地形条件恶劣的海洋性冰川区的冰碛土勘查评估具有显著的适用性优势。

Description

一种冰碛土物理力学参数的快速估算方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，尤其涉及一种冰碛土物理力学参数的快速估算方法。

背景技术

受印度洋暖湿气流影响，藏东南林芝市境内的帕隆藏布流域发育海洋性冰川区，活跃的冰川进退造就了数量众多，规模宏大的巨厚冰碛物。

作为一种混杂堆积的不连续工程介质，冰碛土不仅是藏东南地区大多数滑坡的地质载体，而且是冰川泥石流和冰湖溃决灾害链的主要物质来源，容易在水动力条件下变形失稳而形成滑坡、泥石流、地面塌陷等地质灾害。在加快推进川藏铁路规划建设的背景下，G318国道沿线的高陡冰碛体边坡对拟建川藏铁路、川藏高速公路的路基、隧道及桥梁影响甚大，是川藏走廊交通干线建设和运营中难以回避的问题。

海洋性冰川区的冰碛土常呈现出颗粒级配宽、不均匀系数大、渗透性强、强度差异性大等特征，是一类性质特殊的工程岩土体。

本领域现有的技术中，大体是通过对单个工点的堆积体地形特征进行局部测绘，或通过数值模拟分析堆积体在不同受力工况下的变形趋势，或选取个别工程力学参数直接进行现场测试，均没有开展全套物理力学参数的原位内测试，也没有探求各个参数之间相互影响的数值统计关系式(土工基础，2013,27(3)：16-20；岩石力学与工程学报，2009,28(1)：138-143；地质灾害与环境保护，2007,18(4)：47-51；冰川冻土，2014,36(5)：1176-1183；冰川冻土，1980，S1：80-83；山地学报，2002，S1:129-132；岩土工程技术，2008,04:213-217；路基工程，2010,04:78-80))，研究成果仅直接服务于所研究的单个工点和单项指标，因此很难应用于其他类似或相邻的工点。

当前，冰碛土的物理力学参数研究尚不充分，由于尚未形成严格的推导理论和成熟的经验数据，冰碛土的物理力学参数只能依靠现场原位试验和室内样品测试进行取值，每个工点均需单独开展专项研究，耗费工期长、测试种类和流程复杂、经济成本高。因此，有必要开展全套的物理力学参数现场及室内测试，进而分析各个参数间的相互影响关系，总结出由基本参数推导复杂参数的经验数据关系式，从而进行冰碛土物理力学参数的快速估算。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种冰碛土物理力学参数的快速估算方法及其应用，旨在解决目前海洋性冰川区冰碛土物理力学参数研究尚不充分、尚未形成有效的经验数据关系，每个工点均需单独开展专项研究的问题，可节省勘查评估的工期，减少参数测试种类和流程，降低经济成本。

本发明采用如下技术方案：

估算前，首先在野外选定冰碛土堆积体的新鲜断面，现场进行含水率、天然密度和粘粒含量的简易测试；再根据发明人通过大量室内外试验测试得到的数据统计关系式，估算出孔隙比的数值，进而通过参数间的统计关系式估算出压缩、剪切、抗压、渗透性和膨胀性等其他相对复杂的工程力学指标，从而可快速进行场地稳定性的初步评价；再根据评价结果，有针对性地选取危险场址进行测试和采样，利用详细勘查手段获得其剪切强度、固结压缩性及承载力指标等力学参数。

一种冰碛土物理力学参数的快速估算方法，具体包括以下步骤：

步骤一，首先选定冰碛土堆积体的新鲜断面，在现场进行含水率ω、天然密度ρ、和粘粒含量d_c的简易测试，界定其有效取值范围，并计算出颗粒分析中的不均匀系数C_u和曲率系数C_c，其中ω和d_c的单位为％，ρ的单位是g/cm³；

步骤二，由孔隙比e与天然密度ρ的试验关系式，估算孔隙比的数值，其关系式为：e＝-0.87ρ+2.17，相关系数R²＝0.97，其中e为无量纲数；

步骤三，由压缩指标与孔隙比e的实验关系式，估算压缩参数的取值，其关系式为：压缩系数a_v＝0.4466e+0.0195，相关系数R²＝0.93；压缩模量E_s＝-7.758e+10.375，相关系数R²＝0.89，其中a_v单位为MPa^-1，E_s单位为MPa；

步骤四，由孔隙比e和含水率ω的实验关系式估算剪切强度和抗压强度指标。关系式分别为：粘聚力C＝20.34e-4.49ω+29.97，相关系数R²＝0.61；内摩擦角相关系数R²＝0.55；无侧限抗压强度q_u＝-4.20e+0.59ω+7.71，相关系数R²＝0.63。其中，C和q_u的单位为kPa，的单位为度(°)。

步骤五，由垂直渗透系数k_T、只有膨胀率δ和粘粒含量d_c的试验关系式，估算渗透性和膨胀性的取值，其关系式分别为：k_T＝0.4138d_c ²-2.8799d_c+8.6479，相关系数R²＝0.87；δ＝-0.2906d_c ²+2.1319d_c+0.7884，相关系数R²＝0.76；其中k_T单位为cm/s，δ单位为％。

进一步的技术方案是，还包括步骤六、根据步骤2-步骤5得到的孔隙比e、剪切强度、抗压强度、含水率ω、渗透系数k_T、自由膨胀率δ、粘粒含量d_c，可快速进行场地稳定的初步评价；再根据评价结果，针对性地选取高危险性场址，开展所需要的详细勘查工作，从而简化总体勘查工作量。

优选的是，所述冰碛土物理力学参数的快速估算方法，其应用于藏东南海洋性冰川区帕隆藏布流域冰碛土物理力学参数的野外估算，或者藏东南地质灾害调查中冰碛物边坡稳定性评价的快速估算；或者川藏铁路和川藏公路林芝段沿线的冰碛土地基和冰碛物边坡的工程力学参数的初步估算。

本发明的有益效果：

(1)本发明提供的一种冰碛土物理力学参数的快速估算方法，所述物理力学参数间的数据统计关系式均是发明人通过现场试验和室内测试及数据推导得到的。

(2)估算出的全套冰碛土物理力学参数取值，可适用于藏东南海洋性冰川区帕隆藏布流域冰碛土物理力学参数的野外估算、藏东南地质灾害调查中冰碛物边坡稳定性评价的快速估算、川藏铁路和川藏公路沿线(林芝段)的冰碛土地基和冰碛物边坡的工程力学参数初步估算。

(3)本发明通过对藏东南海洋性冰川区冰碛土开展大量的现场试验和室内测试及数据推导，得到了全套的冰碛土物理力学参数间的数据统计关系，总结出由基本参数推导复杂参数的经验关系式，从而可实现对冰碛土全套的物理力学参数的快速估算。解决了目前冰碛土物理力学参数研究尚不充分、尚未形成有效的经验数据关系、每个工点均需单独开展专项研究的问题，克服了以往技术研究成果仅能服务于所研究的单个工点和单项指标、很难应用于其他类似或相邻的工点的缺陷。所述快速估算方法可节省勘查评估的工期，减少参数测试的种类和流程，降低经济成本。建议测试所需的施工占地小、开挖和扰动工作量少，快捷方便，对于藏东南高寒、高海拔、地形条件恶劣的海洋性冰川区的冰碛土工程勘查和评估具有显著的适用性优势。

附图说明

图1为本发明的快速估算方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。

如图1所示，本发明的一种冰碛土物理力学参数的快速估算方法，包括以下步骤：

步骤一，首先选定冰碛土堆积体的新鲜断面，在现场进行含水率ω、天然密度ρ和粘粒含量d_c的简易测试，界定其有效取值范围，并计算出颗粒分析中的不均匀系数C_u和曲率系数C_c，其中ω和d_c的单位为％，ρ的单位为g/cm³。

步骤二，由孔隙比e与天然密度ρ的试验关系式，估算孔隙比的数值，其关系式为：e＝-0.87ρ+2.17，其中e为无量纲数。

步骤三，由压缩指标与孔隙比e的试验关系式，估算压缩参数的取值，其关系式为：压缩系数a_v＝0.4466e+0.0195；压缩模量E_s＝-7.758e+10.375，其中a_v单位为MPa^-1，E_s单位为MPa。

步骤四，由孔隙比e和含水率ω估算剪切强度和抗压强度指标。关系式分别为：粘聚力C＝20.34e-4.49ω+29.97；内摩擦角无侧限抗压强度q_u＝-4.20e+0.59ω+7.71。其中，C和q_u的单位为kPa，的单位为度(°)。

步骤五，由垂直渗透系数k_T、自由膨胀率δ与粘粒含量d_c的试验关系式，估算渗透性和膨胀性的取值，其关系式分别为：k_T＝0.4138d_c ²-2.8799d_c+8.6479；δ＝-0.2906d_c ²+2.1319d_c+0.7884；其中k_T单位为cm/s，δ单位为％。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

实施例：

1)某冰碛土堆积体位于藏东南林芝市波密县松宗镇境内，国道G318从堆积体下方通过。坡面宽度1650m，斜坡长度68m，前缘坡高50m，坡向190°，坡度47.2°，前缘高程3108m～3158m，为陡坡微地貌。堆积体物质组成为冰碛土，顶部分布有冰漂砾，粒径1-30cm，母岩岩性主要以松宗组片麻岩为主，水理性质为遇水软化。冰碛垄坡脚处见一水沟，水流湍急，主要为冰川融水补给。植被主要为灌丛类为主，覆盖率为70％以上。坡脚处发育有小型滑坡，可见明显的滑动，主要变形迹象为风化剥落，厚约3m，面积为2924m²，体积为8772m³。主要诱发因素为斜坡中部人类开挖公路，其次为主沟流水对坡脚的侵蚀作用。

由于紧邻国道，坡面较陡，且地理位置较偏远，不便开展全面的勘查施工，优选采用本发明的一种冰碛土物理力学参数的快速估算方法，步骤如下：

A、首先选择坡坡面侧后方一处因岩土体崩滑而出露的新鲜断面，分别利用便携式含水率测量计、试坑灌水法和现场筛分法等简易测试手段，测得该冰碛土的含水率ω＝5.57％，天然密度ρ＝2.04g/cm³，粘粒含量d_c＝3.14％。

B、由孔隙比e与天然密度ρ的试验关系式e＝-0.87ρ+2.17，可立即估算出该冰碛土的孔隙比e＝0.40。

C、由压缩指标与孔隙比e的试验关系式立即估算出：压缩系数a_v＝0.4466e+0.0195＝0.20MPa^-1；压缩模量E_s＝-7.758e+10.375＝7.27MPa，根据相关手册可判定为中等压缩性土。

D、由剪切强度和抗压强度指标关系式立即估算出：粘聚力C＝20.34e-4.49ω+29.97＝13.1kPa；内摩擦角无侧限抗压强度q_u＝-4.20e+0.59ω+7.71＝9.32kPa；

E、由垂直渗透系数k_T、自由膨胀率δ与粘粒含量d_c的试验关系式立即估算出：k_T＝0.4138d_c ²-2.8799d_c+8.6479＝3.69cm/s；δ＝-0.2906d_c ²+2.1319d_c+0.7884＝4.61％。

由此，即可得到常规岩土工程勘查及边坡稳定性评估所需的全套物理力学参数的取值，按照勘查评估规范及相关手册，即可快速进行边坡稳定性的初步评价，然后根据评价结果，再决定是否有必要对该工点的堆积体进行详细勘查工作和测试手段。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种冰碛土物理力学参数的快速估算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，首先在野外选定冰碛土堆积体的新鲜断面，现场进行含水率ω、天然密度ρ和粘粒含量d_c的简易测试，界定其有效取值范围，并计算出颗粒分析中的不均匀系数C_u和曲率系数C_c，其中ω和d_c的单位为％，ρ的单位为g/cm³；

步骤二，由孔隙比e与天然密度ρ的试验关系式，估算孔隙比的数值，其关系式为：e＝-0.87ρ+2.17，相关系数R²＝0.97，其中e为无量纲数；

步骤三，由压缩指标与孔隙比e的试验关系式，估算压缩参数的取值，其关系式为：压缩系数a_v＝0.4466e+0.0195，相关系数R²＝0.93；压缩模量E_s＝-7.758e+10.375，相关系数R²＝0.89，其中a_v单位MPa^-1，E_s单位为MPa；

步骤四，由孔隙比e和含水率ω的试验关系式，估算剪切强度和抗压强度指标，关系式分别为：粘聚力C＝20.34e-4.49ω+29.97，相关系数R²＝0.61；内摩擦角相关系数R²＝0.55；无侧限抗压强度q_u＝-4.20e+0.59ω+7.71，相关系数R²＝0.63，其中C和q_u的单位为kPa，的单位为度(°)；

步骤五，由垂直渗透系数k_T、自由膨胀率δ与粘粒含量d_c的试验关系式，估算渗透性和膨胀性的取值，其关系式分别为：k_T＝0.4138d_c ²-2.8799d_c+8.6479，相关系数R²＝0.87；δ＝-0.2906d_c ²+2.1319d_c+0.7884，相关系数R2＝0.76；其中k_T单位为cm/s，δ单位为％。

2.根据权利要求1所述的一种冰碛土物理力学参数的快速估算方法，其特征在于，还包括步骤六、根据步骤2-步骤5得到的孔隙比e、剪切强度、抗压强度、含水率ω、渗透系数k_T、自由膨胀率δ、粘粒含量d_c，可快速进行场地稳定性的初步评价；再根据评价结果，针对性地选取高危险性场址，开展所需要的详细勘查工作，从而简化总体勘查工作量。

3.根据权利要求1所述的一种冰碛土物理力学参数的快速估算方法，其特征在于，所述冰碛土物理力学参数的快速估算方法，其应用于藏东南海洋性冰川区帕隆藏布流域冰碛土物理力学参数的野外估算，或者藏东南地质灾害调查中冰碛物边坡稳定性评价的快速估算；或者川藏铁路和川藏公路林芝段沿线的冰碛土地基和冰碛物边坡的工程力学参数的初步估算。