CN111678810B - 一种基于直剪试验的压实土水平残余应力的估算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于直剪试验的压实土水平残余应力的估算方法，S1、选取路基施工现场的填料，根据设计含水率和压实度制备直剪试样；S2、根据土工试验规程，分别进行垂直压力p＝100kPa、200kPa、300kPa、400kPa的直剪试验，并记录剪应力τ与剪切位移x的测试数据；S3、绘制垂直压力p＝100kPa、200kPa、300kPa、400kPa下的剪应力τ与剪切位移x之间的关系曲线；S4、根据相应垂直压力p下的剪应力τ与剪切位移x之间的关系曲线，得到黏聚力分量c(x)和内摩擦角分量
Figure DDA0002545211660000011
的曲线；S5、根据黏聚力分量c(x)和内摩擦角分量
Figure DDA0002545211660000012
的曲线，确定抗剪能力的黏聚力特征值cm和内摩擦角特征值
Figure DDA0002545211660000013
S6、根据黏聚力特征值cm和内摩擦角特征值
Figure DDA0002545211660000014
估算压实土水平残余应力
Figure DDA0002545211660000015

Description

一种基于直剪试验的压实土水平残余应力的估算方法
技术领域
本发明属于路基压实土水平残余应力估算的技术领域，具体涉及一种基于直剪试验的压实土水平残余应力的估算方法。
背景技术
岩土工程中，土体的残余应力问题广泛存在，例如在路基填筑的碾压过程、挡土墙后填土经机械碾压后都会产生残余应力。岩土体作为各向异性的非线性散粒体系，具有产生残余应力的充分条件，宏观上的不均匀塑性变形成为岩土颗粒材料出现残余应力的主要原因，具体来说，这是由于岩土材料受内摩擦特性和离散性影响，在卸载时局部应力释放受其它部分约束，所以在体系内部产生残余应力。诸多理论研究及工程案例表明，经压实后的土体会产生残余应力，该力会影响压实土的应力状态分析，从而影响工程结构的安全性和耐久性。
因此，如何测定或估算路基压实土的残余应力，是进行工程结构受力分析及优化设计的关键。常规的测试方法是通过室内试验进行研究，但这种方法需要设计相对复杂的试验装置，如果采用土压力盒作压力传感器，还会因土压力盒自身的刚度与周围土体不匹配，而改变土体的初始应力场，产生匹配误差等问题。实际工程中，则是在路基施工填筑前，将土压力盒传感器埋入待测点，但这种方法需耗费大量人力及物力成本，也会存在匹配误差。除此之外，土压力盒的输出值也易受温湿度、埋设条件等因素的影响。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种基于直剪试验的压实土水平残余应力的估算方法，以解决常规测试方法需要复杂的试验装置，以及实际工程中采用土压力盒传感器测试需耗费大量人力及物力成本，且存在匹配误差的问题。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种基于直剪试验的压实土水平残余应力的估算方法，其包括：
S1、选取路基施工现场的填料，根据设计含水率和压实度制备直剪试样；
S2、根据土工试验规程，分别进行垂直压力p＝100kPa、200kPa、300kPa、400kPa的直剪试验，并记录剪应力τ与剪切位移x的测试数据；
S3、根据剪应力τ与剪切位移x的测试数据，绘制垂直压力p＝100kPa、200kPa、300kPa、400kPa下的剪应力τ与剪切位移x之间的关系曲线；
S4、根据相应垂直压力p下的剪应力τ与剪切位移x之间的关系曲线，得到反映抗剪强度的黏聚力分量c(x)和内摩擦角分量
Figure BDA0002545211640000021
的曲线；
S5、根据黏聚力分量c(x)和内摩擦角分量
Figure BDA0002545211640000022
的曲线，确定抗剪能力的黏聚力特征值cm和内摩擦角特征值
Figure BDA0002545211640000023
S6、根据黏聚力特征值cm和内摩擦角特征值
Figure BDA0002545211640000024
估算压实土水平残余应力σr：
Figure BDA0002545211640000025
优选地，S3中绘制垂直压力p＝100kPa、200kPa、300kPa、400kPa下的剪应力τ与剪切位移x之间的关系曲线，包括：
根据垂直压力p＝100kPa、200kPa、300kPa、400kPa下的剪应力τ和剪切位移x的测试数据，绘制以剪应力τ为纵坐标，剪切位移x为横坐标的对应垂直压力p下的剪应力与剪切位移关系曲线。
优选地，S4中根据相应垂直压力p下的剪应力τ与剪切位移x之间的关系曲线，得到反映抗剪强度的黏聚力分量c(x)和内摩擦角分量
Figure BDA0002545211640000026
的曲线，包括：
根据相应垂直压力p下的剪应力与剪切位移关系曲线，选取不同剪切位移x对应的剪应力τ及对应的垂直压力p，基于Coulomb强度理论进行线性回归，得到试样在不同剪切位移x下对应的黏聚力分量c(x)和内摩擦角分量
Figure BDA0002545211640000031
的变化曲线。
优选地，S5中根据黏聚力分量c(x)和内摩擦角分量
Figure BDA0002545211640000032
的曲线，确定抗剪能力的黏聚力特征值cm和内摩擦角特征值
Figure BDA0002545211640000033
包括：
根据黏聚力分量c(x)和内摩擦角分量
Figure BDA0002545211640000034
的曲线，以黏聚力分量c(x)的峰值点对应的剪切位移为特征剪切位移xm，取特征剪切位移xm下的黏聚力分量c(x)为特征值cm，内摩擦角分量
Figure BDA0002545211640000035
为特征值
Figure BDA0002545211640000036
本发明提供的基于直剪试验的压实土水平残余应力的估算方法，具有以下有益效果：
本发明基于常规的直剪试验，大大降低了试验时间及成本，能够简便、快捷的估算出路基压实土的水平残余应力，便于大规模工程推广应用。
本发明估算结果较为准确，与实测值的平均误差在10％以内，比采用常规直剪试验数据处理方法得到的黏聚力c、内摩擦角
Figure BDA0002545211640000037
得到的估算值误差小。
附图说明
图1为压实粉质黏土试样的黏聚力分量c(x)和内摩擦角分量
Figure BDA0002545211640000038
随剪切位移x的变化曲线。
图2为压实粉质黏土剪应力τ与剪切位移x关系曲线。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
根据本申请的一个实施例，参考图1和图2，本方案的基于直剪试验的压实土水平残余应力的估算方法，包括：
S1、选取路基施工现场的填料，根据设计含水率和压实度制备直剪试样；
S2、根据土工试验规程，分别进行垂直压力p＝100kPa、200kPa、300kPa、400kPa的直剪试验，并记录剪应力τ与剪切位移x的测试数据；
S3、根据剪应力τ与剪切位移x的测试数据，绘制垂直压力p＝100kPa、200kPa、300kPa、400kPa下的剪应力τ与剪切位移x之间的关系曲线；
S4、根据相应垂直压力p下的剪应力τ与剪切位移x之间的关系曲线，得到反映抗剪强度的黏聚力分量c(x)和内摩擦角分量
Figure BDA0002545211640000041
的曲线；
S5、根据黏聚力分量c(x)和内摩擦角分量
Figure BDA0002545211640000042
的曲线，确定抗剪能力的黏聚力特征值cm和内摩擦角特征值
Figure BDA0002545211640000043
S6、根据黏聚力特征值cm和内摩擦角特征值
Figure BDA0002545211640000044
估算压实土水平残余应力σr：
Figure BDA0002545211640000045
根据本申请的一个实施例，以下将对上述步骤进行详细描述：
直剪试验
S1、试样制备：
选取路基施工现场的填料，按设计含水率和压实度制备直剪试样。
S2、试验过程：
根据土工试验规程，开展垂直压力p＝100kPa、200kPa、300kPa、400kPa的直剪试验，并记录剪应力τ与剪切位移x的测试数据。
S3、绘制曲线：
根据所得的剪应力τ和剪切位移x的测试数据，绘制以剪应力τ为纵坐标，剪切位移x为横坐标的对应垂直压力p下的剪应力与剪切位移关系曲线。
特征值确定
S4、确定抗剪能力分量c(x)、
Figure BDA0002545211640000051
曲线：
本发明不再采用常规直剪试验中土体破坏的标准对剪应力τ进行取值，也不再将垂直压力p与剪应力τ直接拟合后得到土体的黏聚力c和内摩擦角
Figure BDA0002545211640000052
而是与土体抗剪强度概念中的强度指标相对应，将某一剪切位移对应的抗剪能力(或剪应力)划分为黏聚力分量c(x)和内摩擦角分量
Figure BDA0002545211640000053
根据由S3中得到的剪应力与剪切位移关系曲线，选取不同剪切位移x对应的剪应力τ及相应的垂直压力p，基于Coulomb强度理论进行线性回归，得到试样在不同剪切位移x下对应的黏聚力分量c(x)和内摩擦角分量
Figure BDA0002545211640000054
变化曲线。
S5、确定抗剪能力特征值cm、
Figure BDA0002545211640000055
由于路基压实土卸荷后的回弹变形较低，与直剪试验的小剪切变形状态相对应，此时土体的内摩擦角分量
Figure BDA0002545211640000056
发挥程度较弱，土体抗剪切变形能力以黏聚力分量c(x)为主。
所以定义了可以近似代表压实土小剪切变形状态的抗剪能力特征值cm、
Figure BDA0002545211640000057
以黏聚力分量c(x)的峰值点对应的剪切位移为特征剪切位移xm，取特征剪切位移xm下的黏聚力分量c(x)为特征值cm，内摩擦角分量
Figure BDA0002545211640000058
为特征值
Figure BDA0002545211640000059
S6、水平残余应力估算：
取压实土内远离边界处的隔离体单元体进行分析，在竖向荷载作用下，单元体基本处于侧限压缩状态；卸载后，单元体仅受到残留的水平残余应力σr作用，此时σr为大主应力σ1，小主应力σ3为0。
根据Mohr-Coulomb破坏准则，以及关键参数抗剪能力特征值cm、
Figure BDA00025452116400000510
构建压实土水平残余应力σr的估算式
Figure BDA0002545211640000061
代入σ3＝0即：
Figure BDA0002545211640000062
试验验证：
为验证所取得成果的合理性，选取粉质黏土做验证分析，土样的基本物理性质指标如表1所示。
表1土样物理性质指标
Figure BDA0002545211640000063
直剪试样的压实度和含水率如表2所示，在垂向压力p分别为100kPa、200kPa、300kPa、400kPa下进行直剪试验，以K＝87.8％试样为例，得到的剪应力τ与剪切位移x关系曲线如图1所示，由常规数据处理方法得到的黏聚力和内摩擦角分别为c＝29.4kPa、
Figure BDA0002545211640000064
表2试样压实度及含水率
Figure BDA0002545211640000065
根据测试得到的剪应力τ与剪切位移x关系曲线，选取剪切位移x＝0.1mm、0.25mm、0.5mm、0.75mm、1.0mm、1.25mm、1.5mm、2mm、3mm、4mm对应的剪应力τ及相应的法向应力σ，基于Coulomb强度理论进行线性回归，得到试样在不同剪切位移x下对应的黏聚力分量c(x)和内摩擦角分量
Figure BDA0002545211640000066
变化曲线，如图2所示，所得的黏聚力特征值为cm，内摩擦角特征值为
Figure BDA0002545211640000067
根据水平残余应力σr的估算公式
Figure BDA0002545211640000068
计算得到的压实土水平残余应力估算值和与测试值的误差如表3所示，同时与采用常规参数c、
Figure BDA0002545211640000069
得到的压实土水平残余应力σr估算值进行比较可知：由特征值cm、
Figure BDA0002545211640000071
得到的估算结果在测试值附近波动，相对误差范围为-6.97％～26.03％，平均值约为6.30％；而由常规方法确定的c、
Figure BDA0002545211640000072
获得的估算值明显低于测试值，相对误差范围在-11.75％～-34.54％之间，平均值高达-18.18％。数据表明，所提出的水平残余应力估算方法具有良好的可靠性，估算式的参数取值较为合理。
表3水平残余应力估算误差分析
Figure BDA0002545211640000073
本发明路基压实土水平残余应力与土体的抗剪能力密切相关。与土体抗剪强度概念中的强度指标相对应，可将某一剪切位移对应的抗剪能力(或剪应力)划分为黏聚力和内摩擦角两个分量c(x)、
Figure BDA0002545211640000074
通过常规直剪试验获得小剪切变形状态下的抗剪能力特征值，即黏聚力分量峰值cm及对应的内摩擦角分量
Figure BDA0002545211640000075
由于路基压实土卸荷后的回弹变形较低，与直剪试验的小剪切变形状态相对应。取压实土内远离边界处的隔离体单元体进行分析，在竖向荷载作用下，单元体基本处于侧限压缩状态；卸载后，单元体仅受到残留的水平残余应力σr作用，此时σr为大主应力σ1，小主应力σ3为0。根据Mohr-Coulomb破坏准则，以及关键参数抗剪能力特征值cm、
Figure BDA0002545211640000076
构建压实土水平残余应力σr的估算式
Figure BDA0002545211640000077
代入σ3＝0即：
Figure BDA0002545211640000078
本发明基于常规的直剪试验，大大降低了试验时间及成本，能够简便、快捷的估算出路基压实土的水平残余应力，便于大规模工程推广应用。本发明估算结果较为准确，与实测值的平均误差在10％以内，比采用常规直剪试验数据处理方法得到的黏聚力c、内摩擦角
Figure BDA0002545211640000081
得到的估算值误差小。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于直剪试验的压实土水平残余应力的估算方法，其特征在于：包括：
S1、选取路基施工现场的填料，根据设计含水率和压实度制备直剪试样；
S2、根据土工试验规程，分别进行垂直压力p＝100kPa、200kPa、300kPa、400kPa的直剪试验，并记录剪应力τ与剪切位移x的测试数据；
S3、根据剪应力τ与剪切位移x的测试数据，绘制垂直压力p＝100kPa、200kPa、300kPa、400kPa下的剪应力τ与剪切位移x之间的关系曲线；
S4、根据相应垂直压力p下的剪应力τ与剪切位移x之间的关系曲线，得到反映抗剪强度的黏聚力分量c(x)和内摩擦角分量
Figure FDA0002545211630000014
的曲线；
S5、根据黏聚力分量c(x)和内摩擦角分量
Figure FDA0002545211630000015
的曲线，确定抗剪能力的黏聚力特征值cm和内摩擦角特征值
Figure FDA0002545211630000011
S6、根据黏聚力特征值cm和内摩擦角特征值
Figure FDA0002545211630000012
估算压实土水平残余应力σr：
Figure FDA0002545211630000013
2.根据权利要求1所述的基于直剪试验的压实土水平残余应力的估算方法，其特征在于：所述S3中绘制垂直压力p＝100kPa、200kPa、300kPa、400kPa下的剪应力τ与剪切位移x之间的关系曲线，包括：
根据垂直压力p＝100kPa、200kPa、300kPa、400kPa下的剪应力τ和剪切位移x的测试数据，绘制以剪应力τ为纵坐标，剪切位移x为横坐标的对应垂直压力p下的剪应力与剪切位移关系曲线。
3.根据权利要求1所述的基于直剪试验的压实土水平残余应力的估算方法，其特征在于：所述S4中根据相应垂直压力p下的剪应力τ与剪切位移x之间的关系曲线，得到反映抗剪强度的黏聚力分量c(x)和内摩擦角分量
Figure FDA0002545211630000016
的曲线，包括：
根据相应垂直压力p下的剪应力与剪切位移关系曲线，选取不同剪切位移x对应的剪应力τ及对应的垂直压力p，基于Coulomb强度理论进行线性回归，得到试样在不同剪切位移x下对应的黏聚力分量c(x)和内摩擦角分量
Figure FDA0002545211630000021
的变化曲线。
4.根据权利要求1所述的基于直剪试验的压实土水平残余应力的估算方法，其特征在于：所述S5中根据黏聚力分量c(x)和内摩擦角分量
Figure FDA0002545211630000022
的曲线，确定抗剪能力的黏聚力特征值cm和内摩擦角特征值
Figure FDA0002545211630000023
包括：
根据黏聚力分量c(x)和内摩擦角分量
Figure FDA0002545211630000024
的曲线，以黏聚力分量c(x)的峰值点对应的剪切位移为特征剪切位移xm，取特征剪切位移xm下的黏聚力分量c(x)为特征值cm，内摩擦角分量
Figure FDA0002545211630000025
为特征值
Figure FDA0002545211630000026
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