CN111222192B - 一种基于数值计算的湿陷性地层湿陷变形量的评价方法 - Google Patents

一种基于数值计算的湿陷性地层湿陷变形量的评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于数值计算的湿陷性地层湿陷变形量的评价方法，包含如下步骤：步骤一：根据工程地质勘测资料，获得场地的地层岩性、湿陷性地层的深度和拟建建筑物的位置，然后建立几何模型，对场地土样开展室内试验，获取各层土体的原始物理力学参数；步骤二：依据步骤一建立的几何模型和获取的各层土体的原始物理力学参数，建立数值计算模型。本发明在湿陷性土上建设建（构）筑物的变形计算中，既考虑了因为修建建（构）筑物而产生的附加压力作用，又解决了室内试验条件下，湿陷性土参数确定不准确问题，进而可以更为合理的得到因修建建筑物且浸水导致的湿陷性土参数取值，能够稳定、安全且准确的对湿陷性土变形进行评价。

Description

一种基于数值计算的湿陷性地层湿陷变形量的评价方法
技术领域
本发明涉及土木工程技术领域，具体涉及一种基于数值计算的湿陷性地层湿陷变形量的评价方法。
背景技术
湿陷性土未受水浸湿时一般强度较高，压缩性较小，但在一定压力下受水浸湿，土结构迅速破坏，产生显著附加下沉，强度也迅速降低，对建筑物危害很大。我国的湿陷性黄土分布很广，主要分布在甘肃、宁夏、陕西、山西及河南等地。在湿陷性土场地上进行工程项目建设，需要准确评估湿陷变形量，但常规计算分析方法无法考虑湿陷性土的特殊性，导致计算的湿陷性土的变形量不准确，从而无法准确确定工程处理措施。
发明内容
为了克服现有不能准确确定湿陷性土在精细化数值模拟分析，无法确定计算模型及土体采用的本构关系，使得湿陷性土不能准确确定湿陷变形情况的问题，本发明提供一种基于数值计算的湿陷性地层湿陷变形量的评价方，本发明在湿陷性土上建设建（构）筑物的变形计算中，既考虑了因为修建建（构）筑物而产生的附加压力作用，又解决了室内试验条件下，湿陷性土参数确定不准确问题，进而可以更为合理的得到因修建建筑物且浸水导致的湿陷性土参数取值，能够稳定、安全且准确的对湿陷性土变形进行评价。
本发明采用的技术方案为：
一种基于数值计算的湿陷性地层湿陷变形量的评价方法，包含如下步骤：
步骤一：根据工程地质勘测资料，获得场地的地层岩性、湿陷性地层的深度和拟建建筑物的位置，然后建立几何模型，对场地土样开展室内试验，获取各层土体的原始物理力学参数；
步骤二：依据步骤一建立的几何模型和获取的各层土体的原始物理力学参数，建立数值计算模型，对几何模型中湿陷性地层的竖向位移及应力进行判定并选择等效竖向应力；
步骤三：根据步骤二得到湿陷性土层内的等效竖向应力，将其作为实际压力值对湿陷性土进行室内压缩试验；
步骤四：根据步骤三确定的压力值进行室内压缩试验，将等效竖向应力设置为试验的法向应力，得到该压力下对应的湿陷系数；
步骤五：根据步骤四得到对应于上覆压力的湿陷系数，得到该层湿陷性土在浸水状态下的等效变形量值；
步骤六：根据步骤五得到的等效变形量值，以等效变形量为目标值，以等效模量为反演值，可得到在步骤四确定的等效竖向应力下，湿陷性地层模量的等效值；
步骤七：步骤六中得到的湿陷性地层模量的等效值评价湿陷性土的湿陷变形情况。
所述的步骤一中，土体的原始物理力学参数至少包括各土层的重度、抗剪强度参数、模量及泊松比。
所述的步骤二中，建立数值计算模型，然后确定数值计算模型的边界，然后进行网格划分、边界约束，进行地应力的计算分析，对几何模型中湿陷性地层的竖向位移及应力进行判定并选择。
所述的步骤三中，得到湿陷性土层的等效竖向应力的方法为：将应力等值线按至少1条/m进行设置，等效竖向应力值取各等值线数值的平均值，根据该应力值及室内压缩试验土样面积，计算得到作用于土样上的竖向压力值，得到湿陷性土层的等效竖向应力。
所述的步骤四中，依据确定的湿陷压力进行室内压缩试验，得到该地层对应的等效湿陷系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为湿陷系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为土样加压稳定后，在浸水（饱和）作用下，高度的变化值；
Figure DEST_PATH_IMAGE005
土样的原始高度。
所述的步骤三和步骤四中所述的室内压缩试验为浸水状态下室内压缩试验。
所述的步骤五中，等效变形量值的计算方法为：将位移等值线按至少1条/m进行设置，等效变形量取各位移等值线数值的平均值。
所述的步骤一中，几何模型包括上覆土层、湿陷性土层、下伏土层、上部建筑物、地面、上土层分界线、下土层分界线、室内试验土样取样位置和模型边界，所述的地面下方依次为上覆土层、湿陷性土层和下伏土层，湿陷性土层分别通过上土层分界线和下土层分界线与上覆土层和下伏土层分割，所述的上部建筑物设在地面上方，所述的地面下方两侧均设有模型边界；所述的室内试验土样取样位置位于湿陷性土层内。
本发明有益效果是：
（1）本发明解决了湿陷性黄土变形量计算困难的问题，且工程运用简便、快捷。
（2）本发明考虑因素全面，计算包含了所有地层，考虑了包括建筑物、地层及湿陷引发的变形等全面的外部条件。
（3）本发明通过引入等效模量概念，能反映整个地层的应力、变形情况，而非仅考虑地层某一深度的情况。
（4）本发明的计算方法采用室内试验与数值模拟联合获得，既可以反映湿陷性土饱和状态下的变形，又能反映在不同含水量下的变形，适用范围广。
（5）本发明通过等效模量反映的等效变形计算结果，可以有效反映出由于湿陷产生的附加变形，从而指导工程设计施工，避免工程风险。
以下将结合附图进行进一步的说明。
附图说明
图1是本发明适用湿陷性黄土上部修建建（构）筑物的示意图。
图2是本发明数值计算得到土层应力值分布示意图。
图3是本发明数值计算得到土层变形量值分布示意图。
图中，附图标记为：1、上覆土层；2、湿陷性土；201、应力等值线；202、位移等值线；3、下伏土层2；4、上部建筑物；5、地面；6、上土层分界线；7、下土层分界线；8、室内试验土样取样位置；9、模型边界。
具体实施方式
实施例1：
为了克服现有不能准确确定湿陷性土在精细化数值模拟分析，无法确定计算模型及土体采用的本构关系，使得湿陷性土不能准确确定湿陷变形情况的问题。本发明提供如图1-3所示的一种基于数值计算的湿陷性地层湿陷变形量的评价方法。本发明在湿陷性土上建设建（构）筑物的变形计算中，既考虑了因为修建建（构）筑物而产生的附加压力作用，又解决了室内试验条件下，湿陷性土参数确定不准确问题，进而可以更为合理的得到因修建建筑物且浸水导致的湿陷性土参数取值，能够稳定、安全且准确的对湿陷性土变形进行评价。
一种基于数值计算的湿陷性地层湿陷变形量的评价方法，包含如下步骤：
步骤一：根据工程地质勘测资料，获得场地的地层岩性、湿陷性地层2的深度和拟建建筑物的位置，然后建立几何模型，对场地土样开展室内试验，获取各层土体的原始物理力学参数；
步骤二：依据步骤一建立的几何模型和获取的各层土体的原始物理力学参数，建立数值计算模型，对几何模型中湿陷性地层2的竖向位移及应力进行判定并选择等效竖向应力；
步骤三：根据步骤二得到湿陷性土层2内的等效竖向应力，将其作为实际压力值对湿陷性土进行室内压缩试验；
步骤四：根据步骤三确定的压力值进行室内压缩试验，将等效竖向应力设置为试验的法向应力，得到该压力下对应的湿陷系数；
步骤五：根据步骤四得到对应于上覆压力的湿陷系数，得到该层湿陷性土在浸水状态下的等效变形量值；
步骤六：根据步骤五得到的等效变形量值，以等效变形量为目标值，以等效模量为反演值，可得到在步骤四确定的等效竖向应力下，湿陷性地层2模量的等效值；
步骤七：步骤六中得到的湿陷性地层2模量的等效值评价湿陷性土的湿陷变形情况。
本发明通过引入等效模量概念，能反映整个地层的应力、变形情况，而非仅考虑地层某一深度的情况。本发明的计算方法采用室内试验与数值模拟联合获得，既可以反映湿陷性土饱和状态下的变形，又能反映在不同含水量下的变形，适用范围广。本发明通过等效模量反映的等效变形计算结果，可以有效反映出由于湿陷产生的附加变形，从而指导工程设计施工，避免工程风险。
本发明解决了湿陷性黄土变形量计算困难的问题，且工程运用简便、快捷。本发明考虑因素全面，计算包含了所有地层，考虑了包括建筑物、地层及湿陷引发的变形等全面的外部条件。
本发明在湿陷性土上建设建（构）筑物的变形计算中，既考虑了因为修建建（构）筑物而产生的附加压力作用，又解决了室内试验条件下，湿陷性土参数确定不准确问题，进而可以更为合理的得到因修建建筑物且浸水导致的湿陷性土参数取值，能够稳定、安全且准确的对湿陷性土变形进行评价。
实施例2：
基于实施例1的基础上，本实施例中所述的步骤一中，土体的原始物理力学参数至少包括各土层的重度、抗剪强度参数、模量及泊松比。
优选的，所述的步骤二中，建立数值计算模型，然后确定数值计算模型的边界9，然后进行网格划分、边界约束，进行地应力的计算分析，对几何模型中湿陷性地层2的竖向位移及应力进行判定并选择。
优选的，所述的步骤三中，得到湿陷性土层的等效竖向应力的方法为：将应力等值线201按至少1条/m进行设置，等效竖向应力值取各等值线201数值的平均值，根据该应力值及室内压缩试验土样面积，计算得到作用于土样上的竖向压力值，得到湿陷性土层的等效竖向应力。
优选的，所述的步骤四中，依据确定的湿陷压力进行室内压缩试验，得到该地层对应的等效湿陷系数；
Figure 156262DEST_PATH_IMAGE001
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为湿陷系数；
Figure 807823DEST_PATH_IMAGE004
为土样加压稳定后，在浸水（饱和）作用下，高度的变化值；
Figure 181035DEST_PATH_IMAGE005
土样的原始高度。
优选的，所述的步骤三和步骤四中所述的室内压缩试验为浸水状态下室内压缩试验。
优选的，所述的步骤五中，等效变形量值的计算方法为：将位移等值线202按至少1条/m进行设置，等效变形量取各位移等值线202数值的平均值。
优选的，所述的步骤一中，几何模型包括上覆土层1、湿陷性土层2、下伏土层3、上部建筑物4、地面5、上土层分界线6、下土层分界线7、室内试验土样取样位置8和模型边界9，所述的地面5下方依次为上覆土层1、湿陷性土层2和下伏土层3，湿陷性土层2分别通过上土层分界线6和下土层分界线7与上覆土层1和下伏土层3分割，所述的上部建筑物4设在地面5上方，所述的地面5下方两侧均设有模型边界9；所述的室内试验土样取样位置8位于湿陷性土层2内。
本发明实施的具体过程为：
步骤一：根据工程地质勘测资料，获得场地的地层岩性、湿陷性地层2的深度、拟建建（构）筑物的位置，建立几何模型，依据《土工试验方法标准GB/T50123-2019》对土样开展常规室内试验，获取各层土体的原始物理力学参数；
步骤二：依据步骤一，确定数值计算模型的边界，建立数值计算模型，进行网格划分、边界约束，采用步骤一中获得的土层的物理力学参数进行地应力的计算分析，对模型尤其是湿陷性地层2的竖向、水平向的位移及应力进行判定评价；
步骤三：依据步骤二计算得到的湿陷性土层2内的等效竖向应力，将其作为实际压力值对湿陷性土进行室内压缩试验；
步骤四：根据步骤三确定的压力值进行浸水状态下室内压缩试验，将等效竖向应力设置为试验的法向应力，得到该压力下对应的湿陷系数；
步骤五：根据步骤四得到对应于上覆压力的等效湿陷系数，计算出该层湿陷性土在浸水状态下的等效变形量值；
步骤六：根据步骤五计算出的等效变形量值，以等效变形量为目标值，以等效模量为反演值，计算得到在步骤四确定的等效竖向应力下，湿陷性地层模量的等效值，从准确的评价湿陷性土的湿陷变形情况。
本发明解决了湿陷性黄土变形量计算困难的问题，且工程运用简便、快捷。本发明考虑因素全面，计算包含了所有地层，考虑了包括建筑物、地层及湿陷引发的变形等全面的外部条件。本发明通过引入等效模量概念，能反映整个地层的应力、变形情况，而非仅考虑地层某一深度的情况。本发明的计算方法采用室内试验与数值模拟联合获得，既可以反映湿陷性土饱和状态下的变形，又能反映在不同含水量下的变形，适用范围广。本发明通过等效模量反映的等效变形计算结果，可以有效反映出由于湿陷产生的附加变形，从而指导工程设计施工，避免工程风险。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。本发明没有详细叙述的方法及步骤均为本行业的公知技术和常用方法，这里不再一一叙述。

Claims (4)

1.一种基于数值计算的湿陷性地层湿陷变形量的评价方法，其特征在于：包含如下步骤：
步骤一：根据工程地质勘测资料，获得场地的地层岩性、湿陷性地层的深度和拟建建筑物的位置，然后建立几何模型，对场地土样开展室内试验，获取各层土体的原始物理力学参数；所述的步骤一中，几何模型包括上覆土层(1)、湿陷性地层(2)、下伏土层(3)、上部建筑物(4)、地面(5)、上土层分界线(6)、下土层分界线(7)、室内试验土样取样位置(8)和模型边界(9)，所述的地面(5)下方依次为上覆土层(1)、湿陷性地层(2)和下伏土层(3)，湿陷性地层(2)分别通过上土层分界线(6)和下土层分界线(7)与上覆土层(1)和下伏土层(3)分割，所述的上部建筑物(4)设在地面(5)上方，所述的地面(5)下方两侧均设有模型边界(9)；所述的室内试验土样取样位置(8)位于湿陷性地层(2)内；
步骤二：依据步骤一建立的几何模型和获取的各层土体的原始物理力学参数，建立数值计算模型，对几何模型中湿陷性地层的竖向位移及应力进行判定并选择等效竖向应力；
步骤三：将步骤二得到的湿陷性地层内的等效竖向应力作为实际压力值对湿陷性土进行室内压缩试验；所述的步骤三中，得到湿陷性地层的等效竖向应力的方法为：将应力等值线(201)按至少1条/m进行设置，等效竖向应力值取各等值线(201)数值的平均值，根据等效竖向应力值及室内压缩试验土样面积，计算得到作用于土样上的竖向压力值，得到湿陷性地层的等效竖向应力；
步骤四：根据步骤三确定的实际压力值进行室内压缩试验，将等效竖向应力设置为试验的法向应力，得到该压力下对应的湿陷系数；所述的步骤四中，依据确定的实际压力值进行室内压缩试验，得到该地层对应的湿陷系数；
Figure FDA0004072603120000021
其中：δs为湿陷系数；
Δhp为土样加压稳定后，在浸水作用下，高度的变化值；
h0土样的原始高度；
步骤五：根据步骤四得到对应于上覆压力的湿陷系数，计算得到该层湿陷性土在浸水状态下的等效变形量值；所述的步骤五中，等效变形量值的计算方法为：将位移等值线(202)按至少1条/m进行设置，等效变形量取各位移等值线(202)数值的平均值；
步骤六：根据步骤五得到的等效变形量值，以等效变形量为目标值，以等效模量为反演值，得到在步骤二确定的等效竖向应力下，湿陷性地层模量的等效值；
步骤七：步骤六中得到的湿陷性地层模量的等效值评价湿陷性土的湿陷变形情况。
2.根据权利要求1所述的一种基于数值计算的湿陷性地层湿陷变形量的评价方法，其特征在于：所述的步骤一中，土体的原始物理力学参数至少包括各土层的重度、抗剪强度参数、模量及泊松比。
3.根据权利要求1所述的一种基于数值计算的湿陷性地层湿陷变形量的评价方法，其特征在于：所述的步骤二中，建立数值计算模型，然后确定数值计算模型的边界，然后进行网格划分、边界约束，进行地应力的计算分析，对几何模型中湿陷性地层的竖向位移及应力进行判定并选择。
4.根据权利要求1所述的一种基于数值计算的湿陷性地层湿陷变形量的评价方法，其特征在于：所述的步骤三和步骤四中所述的室内压缩试验为浸水状态下室内压缩试验。
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