CN112666010B - 一种基坑降水条件下粉细砂土非饱和强度参数的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种基坑降水条件下粉细砂土非饱和强度参数的确定方法。首先，岩土工程勘察获取基坑的地下水水位、原状土样和相应的取样位置，然后，采用离心法快速获得脱水条件下原状土样的土水特征曲线，再进行法向荷载分别为原状土样各自所受有效自重应力条件下的常规直剪试验，获取相应的抗剪强度值，之后，利用烘干法测定地下水位之上原状土样常规直剪试验后的体积含水量，依据土水特征曲线获得对应的基质吸力值，最后，计算获得基坑降水条件下粉细砂土非饱和强度参数。本发明公开的方法具有快速和准确获取基坑降水条件下粉细砂土非饱和真实强度参数的优点，可用于基坑支护的优化设计工作。

Description

一种基坑降水条件下粉细砂土非饱和强度参数的确定方法

技术领域

本发明涉及基坑支护工程领域，特别是涉及一种基坑降水条件下粉细砂土非饱和强度参数的确定方法。

背景技术

基坑降水条件下，临近基坑侧壁的土体处于非饱和状态，其强度参数的准确获取是基坑支护安全的前提。现有的非饱和土强度参数的确定方法多是通过室内非饱和强度试验获得的，周期长且应力状态与实际不符，测试结果与实际偏差较大，影响了推广应用。

文献《非饱和土强度特性的现场试验测定方法》（CN109837911B）公开了一种非饱和土强度的现场试验测定方法，但由于采用现场原位试验和张力计测量方法，测量成本高、周期长，并且无法得到由非饱和基质吸力引起的强度参数。《一种基于非饱和土非线性强度包络壳模型的土体抗剪强度计算方法》（CN106996970B）、《一种快速测量非饱和土基质吸力和抗剪强度的装置及方法》（CN111474065A）等公开了从试验过程或处理方法上获取非饱和土抗剪强度的方法，所得的抗剪强度参数与基坑侧壁土体实际应力状态下的真实值存在一定差异，从而影响了方法的应用。

因此，迫切需要提出一种基坑降水条件下粉细砂土非饱和强度参数的确定方法，填补基坑降水条件下粉细砂土强度参数与真实情况吻合度不高的不足，提高基坑支护结构优化设计水平。

发明内容

针对基坑降水条件下粉细砂土体非饱和强度参数的确定方法的现状，由于粉细砂土具有相对于黏土更好的渗透性特征，非饱和状态下薄层土样内部孔隙气压力近似为空气压力，在此基础上，本发明提供一种基坑降水条件下粉细砂土非饱和强度参数的确定方法。

为达到所述目的，本发明的技术方案为：

一种基坑降水条件下粉细砂土非饱和强度参数的确定方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：通过岩土工程勘察获取基坑的地下水水位，获取4组原状土样和相应的取样位置；所述的地下水水位是指岩土工程勘察钻孔内地下水的稳定水位；所述的4组原状土样是指地下水位之上和地下水位之下不同位置的各2组原状土样；所述的相应的取样位置是指原状土样中点至地表的垂直距离。

所述步骤1中，所述的原状土样是指所取土样达到Ⅰ、Ⅱ级质量等级。

步骤2：选取地下水位之下的1组原状土样，采用离心法快速获得脱水条件下土样的土水特征曲线；所述的脱水条件是指土样由饱和状态下开始的；所述的土水特征曲线是指体积含水量与基质吸力的关系曲线。

步骤3：进行法向荷载分别为3组原状土样各自所受有效自重应力条件下的常规直剪试验，获取相应的抗剪强度值。

所述步骤3中，所述常规直剪试验，获取相应的抗剪强度值，具体包括下述步骤：

步骤3.1：计算地下水位之下的1组原状土样所受有效自重应力

其中：

为地下水位之下原状土样所受有效自重应力，i为地下水位以上的第i个 土层，m为地下水水位以上的土层数，

为第i个土层的天然重度，

为第i个土层的厚度，j 为地下水位以下到原状土样中点的第j个土层，n为地下水水位以下到原状土样中点的土层 数，

为第j个土层的饱和重度，

为第j个土层的厚度，

为地下水的重度，取10kN/m³。

步骤3.2：计算地下水位之上的2组原状土样所受有效自重应力

其中：

为地下水位之上原状土样所受有效自重应力，k为原状土样中点以上的 第k个土层，w为原状土样中点以上的土层数，

为第k个土层的天然重度，

为第k个土层 的厚度。

步骤3.3：进行法向荷载分别为3组原状土样各自所受有效自重应力条件下的常规直剪试验，获取按各行业推荐试验标准下的抗剪强度值。

步骤4：利用烘干法测定地下水位之上的2组原状土样常规直剪试验后的体积含水量，依据步骤2中的土水特征曲线获得与体积含水量相对应的基质吸力值；所述的烘干法是指按各行业推荐试验标准进行的。

步骤5：利用非饱和抗剪强度方程计算获得基坑降水条件下粉细砂土的非饱和强 度参数，所述的非饱和强度参数包括有效黏聚力

、法向应力对应的内摩擦角

和基质吸 力对应的内摩擦角

。

所述步骤5中，所述非饱和抗剪强度方程为

其中：

为抗剪强度值，

为法向应力，

为基质吸力。

本发明具有以下几个突出优点：

1.本发明采用原状土样测试，能够有效降低取样的扰动影响，保证测试结果的准确性。

2.本发明常规抗剪强度测试过程中，原状土样的法向荷载与其真实荷载相同，能够保证测试结果的真实性。

3.本发明利用离心法测试粉细砂土脱水条件下的土水特征曲线，与基坑降水的实际条件相符且大幅降低了测试时间，测试结果能够用于基坑支护结构优化设计中，有着广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明利用基坑降水条件下粉细砂土非饱和强度参数的确定方法实例的基坑示意图。

图2为本发明利用基坑降水条件下粉细砂土非饱和强度参数的确定方法实例的土水特征曲线图。

图中，1-土层界线，2-取样点位置，3-地下水水位线，4-基坑底。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明所述的方法做进一步的说明，但不是对本发明保护范围的限制：

一种基坑降水条件下粉细砂土非饱和强度参数的确定方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：通过岩土工程勘察获取基坑的地下水水位，获取4组原状土样和相应的取样位置；所述的地下水水位是指岩土工程勘察钻孔内地下水的稳定水位；所述的4组原状土样是指地下水位之上和地下水位之下不同位置的各2组原状土样；所述的相应的取样位置是指原状土样中点至地表的垂直距离。

所述步骤1中，所述的原状土样是指所取土样达到Ⅰ、Ⅱ级质量等级。

本实施例中，选择某商城含3层地下室的基坑支护工程，基坑开挖深13.4m。通过岩土工程详细勘察获取基坑的地下水稳定水位为2m，获取了地下水水位上和下的各2组达到Ⅱ级质量等级的原状土样，相应的取样位置分别为4m、6m、10m和12m。

步骤2：选取地下水位之下的1组原状土样，采用离心法快速获得脱水条件下土样的土水特征曲线；所述的脱水条件是指土样由饱和状态下开始的；所述的土水特征曲线是指体积含水量与基质吸力的关系曲线。

本实施例中，选取地下水位之下的取样位置为10m处的原状土样，利用H-1400pF落地式土壤用高速离心机获得了脱水条件下土样的土水特征曲线如附图2所示。

步骤3：进行法向荷载分别为3组原状土样各自所受有效自重应力条件下的常规直剪试验，获取相应的抗剪强度值；

所述步骤3中，所述常规直剪试验，获取相应的抗剪强度值，具体包括下述步骤：

步骤3.1：计算地下水位之下的1组原状土样所受有效自重应力

其中：

为地下水位之下原状土样所受有效自重应力，i为地下水位以上的第i个 土层，m为地下水水位以上的土层数，

为第i个土层的天然重度，

为第i个土层的厚度，j 为地下水位以下到原状土样中点的第j个土层，n为地下水水位以下到原状土样中点的土层 数，

为第j个土层的饱和重度，

为第j个土层的厚度，

为地下水的重度，取10kN/m³。

本实施例中，地下水水位之下的取样位置为12m处的原状土样，m=2，n=1，按照《土 工试验方法标准》得杂填土层

=16.5kN/m³，

=2m，地下水水位之上细砂层

=18.5kN/m³，

=5.5m，地下水水位之下细砂层

=19.5kN/m³，

=4.5m，解得

=177.5kPa。

步骤3.2：计算地下水位之上的2组原状土样所受有效自重应力

其中：

为地下水位之上原状土样所受有效自重应力，k为原状土样中点以上的 第k个土层，w为原状土样中点以上的土层数，

为第k个土层的天然重度，

为第k个土层 的厚度。

本实施例中，地下水水位之上的取样位置为4m处的原状土样，w=2，按照《土工试验 方法标准》得杂填土层

=16.5kN/m³，

=2m，细砂层

=18.5kN/m³，

=2m，解得

=70kPa； 地下水水位之上的取样位置为6m处的原状土样，w=2，杂填土层

=16.5kN/m³，

=2m，细砂 层

=18.5kN/m³，

=4m，解得

=107kPa。

步骤3.3：进行法向荷载分别为3组原状土样各自所受有效自重应力条件下的常规直剪试验，获取按各行业推荐试验标准下的抗剪强度值。

本实施例中，进行法向荷载为

=70kPa、

=107kPa和

=177.5kPa条件，即采 用3组原状土样各自所受有效自重应力条件下的常规直剪试验，利用ZJ系列应变控制式直 剪仪，通过杠杆比获得需要的自制砝码重量加载，操作过程按《土工试验方法标准》进行，获 得的抗剪强度值分别为195.2kPa、106.8kPa和92.5kPa。

步骤4：利用烘干法测定地下水位之上的2组原状土样常规直剪试验后的体积含水量，依据步骤2中的土水特征曲线获得与体积含水量相对应的基质吸力值；所述的烘干法是指按各行业推荐试验标准进行的。

本实施例中，利用烘干法并按《土工试验方法标准》测定地下水水位之上的取样位置为4m和6m处的原状土样常规直剪试验后的体积含水量，测定结果分别为11.47％和12.40％，依据步骤2中获得的附图2，获得对应的基质吸力分别为523.1kPa和161.5kPa。

步骤5：利用非饱和抗剪强度方程计算获得基坑降水条件下粉细砂土的非饱和强 度参数，所述的非饱和强度参数包括有效黏聚力

、法向应力对应的内摩擦角

和基质吸 力对应的内摩擦角

。

所述步骤5中，所述非饱和抗剪强度方程为

其中：

为抗剪强度值，

为法向应力，

为基质吸力。

本实施例中，将3组结果

=195.2kPa、

=70kPa和

=523.1kPa；

=106.8kPa、

= 107kPa和

=161.5kPa；

=92.5kPa、

=177.5kPa和

=0kPa，分别带入上述非饱和抗剪强 度方程，解此三元一次方程组得有效黏聚力

=9.8kPa、法向应力对应的内摩擦角

为25° 和基质吸力对应的内摩擦角

=16.3°。

显然，上述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。上述实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。基于上述实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，也即凡在本申请的精神和原理之内所作的所有修改、等同替换和改进等，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基坑降水条件下粉细砂土非饱和强度参数的确定方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：通过岩土工程勘察获取基坑的地下水水位，获取4组原状土样和相应的取样位置；所述的地下水水位是指岩土工程勘察钻孔内地下水的稳定水位；所述的4组原状土样是指地下水位之上和地下水位之下不同位置的各2组原状土样；所述的相应的取样位置是指原状土样中点至地表的垂直距离；

所述步骤1中，所述的原状土样是指所取土样达到Ⅰ、Ⅱ级质量等级；

步骤2：选取地下水位之下的1组原状土样，采用离心法快速获得脱水条件下土样的土水特征曲线；所述的脱水条件是指土样由饱和状态下开始的；所述的土水特征曲线是指体积含水量与基质吸力的关系曲线；

步骤3：进行法向荷载分别为3组原状土样各自所受有效自重应力条件下的常规直剪试验，获取相应的抗剪强度值；

所述步骤3中，所述常规直剪试验，获取相应的抗剪强度值，具体包括下述步骤：

步骤3.1：计算地下水位之下的1组原状土样所受有效自重应力

其中：

为地下水位之下原状土样所受有效自重应力，i为地下水位以上的第i个土层， m为地下水水位以上的土层数，

为第i个土层的天然重度，

为第i个土层的厚度，j为地下 水位以下到原状土样中点的第j个土层，n为地下水水位以下到原状土样中点的土层数，

为第j个土层的饱和重度，

为第j个土层的厚度，

为地下水的重度，取10kN/m³；

步骤3.2：计算地下水位之上的2组原状土样所受有效自重应力

其中：

为地下水位之上原状土样所受有效自重应力，k为原状土样中点以上的第k个 土层，w为原状土样中点以上的土层数，

为第k个土层的天然重度，

为第k个土层的厚 度；

步骤3.3：进行法向荷载分别为3组原状土样各自所受有效自重应力条件下的常规直剪试验，获取按各行业推荐试验标准下的抗剪强度值；

步骤4：利用烘干法测定地下水位之上的2组原状土样常规直剪试验后的体积含水量，依据步骤2中的土水特征曲线获得与体积含水量相对应的基质吸力值；所述的烘干法是指按各行业推荐试验标准进行的；

步骤5：利用非饱和抗剪强度方程计算获得基坑降水条件下粉细砂土的非饱和强度参 数，所述的非饱和强度参数包括有效黏聚力

、法向应力对应的内摩擦角

和基质吸力对 应的内摩擦角

；

所述步骤5中，所述非饱和抗剪强度方程为

其中：

为抗剪强度值，

为法向应力，

为基质吸力。

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