CN112798652A - 一种用电阻率预测黄土湿陷性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用电阻率预测黄土湿陷性的方法。具体包括：（1）现场采用电阻率静力触探技术测试目标黄土地区的电阻率值；（2）通过现场取样测出目标黄土地区的含水率值和密度值，并依此计算出土体的孔隙率和饱和度；（3）根据电阻率湿陷系数预测公式，计算目标黄土地区的湿陷系数；（4）根据《湿陷性黄土地区建筑规范》GB50025‑2018，确定湿陷性黄土的湿陷等级。本方法简便实用，操作容易，快速准确，特别适用于工程现场，对于黄土地区工程设计和施工具有十分重要的意义。

Description

一种用电阻率预测黄土湿陷性的方法

技术领域

本发明涉及岩土力学与工程技术领域，具体涉及一种用电阻率预测黄土湿陷性的方法。

背景技术

特殊性土，指自然界中具有特殊的物理、力学、化学性质，并影响工程地质条件的土。在特殊土勘察工作中，往往需要使用一些专用的勘察工具来进行勘探和取样工作，从而更加准确获取符合土体物理与力学指标。

根据土壤学理论，黄土的土中骨架颗粒形态、接触关系、排列方式、胶结物种类与赋存状态、胶结类型等结构特征与其湿陷强弱都有重要的关系。一般而言，胶结物集聚类型以薄膜状、镶嵌状为主的湿陷性强，团聚状为主的湿陷性弱。从骨架颗粒之间的胶结类型来看，以接触式胶结为主，比较松散的黄土湿陷性强，以基底式胶结为主，比较坚硬的湿陷性弱。在含水率相同或相近的情况下，黄土的湿陷系数会随着结构强度的增大而减小。目前，关于黄土的识别与分类，国内外已进行了大量的研究工作，提出了许多判别与分类方法，目前还没有一个单一指标能充分表述作为工程环境或工程结构体一部分的黄土的复杂形态，因此大多为考虑多种因素的组合判别方法。

湿陷性黄土作为特殊土，主要由粉土颗粒组成，遍布于我国甘、陕、晋等地区，主要呈黄色或褐黄色。部分黄土在自重压力作用下或自重压力与附加压力综合作用下，受水浸湿后结构迅速破坏，发生显著下陷，这种特征被称为黄土的湿陷性。黄土的湿陷性问题一直是黄土地区的一个典型的地质问题，对其分布区的生产建设等活动常常造成巨大的危害，如果处理不当，可引起边坡滑塌、地基的不均匀沉降导致建筑物或构筑物开裂、倒塌等不良工程地质现象，带来大量的经济损失，甚至造成人员伤亡。及时准确地判别黄土湿陷等级，对于黄土地区的工程设计和施工具有十分重要的意义。

对黄土湿陷程度的判定一般使用湿陷系数δ_s这一指标。当δ_s≥0.015时即判定为湿陷性黄土，分为轻微、中等、强烈湿陷性黄土三个等级。目前在评价黄土湿陷性时可以通过室内压缩试验或现场载荷浸水试验，直接测定在某一压力条件下浸水湿陷量，试验成果具有一定的可靠性，但黄土的湿陷试验通常耗时较长，且原状黄土样取土困难，成本较高，容易扰动，不宜推广使用。通过某些容易测定的指标间接评价黄土湿陷性，可以省去许多现场试验工作，方便快捷，具有较大的经济意义和应用价值。由于黄土的湿陷性与其湿度和密度及结构特征关系密切，能较好地反映土内湿度-密度状态或土的微观结构的力学指标，便可间接地用于评价黄土湿陷性的强弱。静力触探试验因迅速简便和复现性好，是较好的一种间接评价手段。

为了选择合理的判别指标，首先必须研究反映黄土基本性质的各指标间的相关关系和组合规律，考虑湿陷机理选择表征黄土湿陷特性的独立指标，采用数学手段对各指标做相关分析，选出相关性最大的特征指标，并建立数学函数，从而实现黄土湿陷性能评价。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种用电阻率预测黄土湿陷性的方法，通过电阻率静力触探技术测试黄土湿陷性电阻率，基于Archie公式计算黄土的电阻率与物理指标的关系，然后在室内开展土体试验，通过拟合得到湿陷系数与物理指标的关系，最后建立湿陷系数与电阻率和状态参数的函数模型，本发明方法简单，结果准确。

为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：

一种用电阻率预测黄土湿陷性的方法，包括以下步骤：

步骤1，采用电阻率静力触探技术，现场测试目标黄土地区的电阻率值；

步骤2，通过现场取样并进行室内土体试验测出目标黄土地区的含水量值和密度值，并依此计算出土体的孔隙率和饱和度；

步骤3，根据电阻率湿陷系数的预测公式

δ_s＝a·n^b·(ρ/ρ_w)^c-a′·n^b′·(ρ/ρ_w)^c′，计算目标黄土地区的湿陷系数；

步骤4，将黄土湿陷系数预测值对照湿陷性《黄土地区建筑规范》 (GB50025-2018)，确定湿陷性黄土的湿陷等级；

所述δ_s为黄土湿陷系数，ρ为电阻率，n为孔隙率，ρ_w为孔隙水电阻率，a、 b、c分别为饱和状态下的拟合系数，孔隙率指数和电阻率指数，a′、b′、c′分别为天然状态下的拟合系数，孔隙率指数和电阻率指数。

优选的是，所述参数a与a′，b与b′，c与c′换算的具体方法为：结合黄土湿陷系数的定义，湿陷系数与孔隙率饱和度的关系为：

优选的是，所述天然状态压缩量x₁、饱和状态压缩量x₂与孔隙率和饱和度呈指数关系，公式如下：

其中，h₀为土样初始高度即环刀高度，a₂，b₂，c₂，a₃，b₃，c₃为拟合系数。

优选的是，所述黄土电阻率ρ与孔隙率n、饱和度S_r之间的相关关系为

其中，ρ为黄土电阻率，ρ_w为孔隙水电阻率，n为孔隙率，S_r为饱和度，a₁， b₁，c₁为拟合系数。

优选的是，所述的参数a与a′，b与b′，c与c′的确定方法，包括如下步骤：

步骤a，环刀与天然层次垂直切取原状黄土，两端修平后称环刀、土总量，计算出黄土的密度，同时测定环刀两端削下土样的含水率；同一组原状土试样密度最大差值不超过0.02g/cm³，含水率最大差值不超过1％；切取不同组物理状态的原状黄土备用；

步骤b，对不同物理状态的黄土进行电阻率和湿陷系数测试，根据不同组的测试结果，发现黄土电阻率ρ、天然状态压缩量x₁、饱和状态压缩量x₂均与孔隙率n和饱和度S_r呈指数关系，依据试验数据拟合得到指数关系的参数；

步骤c，根据权利要求3和权利要求4的公式，消去饱和度，由数学换算得出所述参数a与a′，b与b′，c与c′，即

b＝b₃-b₁c₃/c₁，c＝c₃/c₁，

b＝b₂-b₁c₂/c₁，c＝c₂/c₁。

本发明的理论基础源于土壤学和土质学的基本理论。黄土微结构是影响黄土湿陷性强弱的主要因素之一，所以为了更准确地把握其湿陷特性、湿陷机理，更有效的设计处理这类地基土，许多岩土工程界学者一直都很关注其微观结构的研究。

在分析目前国内外有关黄土判别分类方法的基础上，通过大量的室内比较性试验，提出了以土样湿陷系数和电阻率相关关系为基础，以现场实测土样的电阻率推测黄土湿陷系数，从而实现现场快速鉴定的方法，黄土的湿陷试验通常耗时较长，无法快速地得出对应黄土的湿陷系数，且要进行室内试验，在原状黄土取样时容易扰动，测得数据往往有误差。发明人经过研究发现，电阻率对于土体内部结构有显著的敏感度，土壤的胶结物集聚类型、胶结类型、胶结物种类都会影响黄土的电化学特性、导电性能等。本发明通过测试黄土的湿陷性能、电学性能以及物理工程特性，分析三者之间的关系，电阻率指标可以作为黄土非状态指标湿陷系数以及内部结构表征参数，建立相应的表征方法以提供一种快速的湿陷原位评价方法。

有益效果：

与现有技术相比，本发明一种用电阻率预测黄土湿陷性的方法，简便实用，操作容易，快速准确，特别适用于工程现场使用，能较准确地对黄土进行现场的判别，对于工程设计和施工具有十分重要的意义，解决了现有技术中长期没有得到解决的一个技术难题。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是黄土电阻率与孔隙率、饱和度的拟合关系；

图3是300kPa天然状态下黄土压缩量与孔隙率、饱和度的拟合关系；

图4是300kPa饱和状态下黄土压缩量与孔隙率、饱和度的拟合关系；

图5为基于电阻率预测模型的黄土实测与预测湿陷系数的对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

一种用电阻率预测黄土湿陷性的方法，包括如下步骤：

步骤1，现场采用电阻率静力触探技术测试目标黄土地区的电阻率值；

步骤2，通过现场取样测出目标黄土地区的含水率值和密度值，并依此计算出土体的孔隙率和饱和度；

步骤3，根据电阻率湿陷系数预测公式，计算目标黄土地区的湿陷系数，并按照GB50025-2018湿陷性黄土地区建筑规范，确定湿陷性黄土的湿陷程度；

其中，电阻率湿陷系数预测公式，按如下方法得到：

步骤a，环刀与天然层次垂直切取原状黄土，两端修平后称环刀、土总量，计算出黄土的密度，同时测定环刀两端削下土样的含水率；同一组原状土试样密度最大差值不超过0.03g/cm³，含水率最大差值不超过2％；切取不同组物理状态的原状黄土备用。

步骤b，黄土湿陷性是黄土在一定压力下受水浸湿后结构迅速破坏而发生显著附加下沉的性质，主要取决于黄土结构、颗粒组成、化学成分。孔隙比、含水量。黄土的电阻率是表征土体导电性的基本参数，是土的固有物性参数之一，取决于土的状态参数，主要取决于土的孔隙率、孔隙形状、孔隙液电阻率、饱和度、固体颗粒成分、形状、定向性、胶结状态等；该众多参数中，表征状态参数的孔隙特性和孔隙液特性对土体电阻率的影响最大。

对不同物理状态的黄土进行双线法湿陷试验和室内电阻率测试，分别得到黄土电阻率、加水和不加水压缩量均与黄土含水量和密度呈指数关系。

步骤c，黄土电阻率和土体的状态参数呈现良好的指数函数规律，随着含水量的增大而减小，随着密度的增加而减小。由拓展的Archie电阻率模型：

经过拟合，黄土电阻率与孔隙率和饱和度的关系为：

根据黄土的压缩试验，天然状态和饱和状态下的黄土在特定压力下的压缩量与黄土的状态参数呈现良好的规律，随着天然含水量的增加而增大，随着密度的增大而减小。

根据黄土湿陷系数的定义，

式中：h_p和h′_p分别为土样在压力p作用时下沉稳定后和浸水作用下下沉稳定后的高度h₀为土样的原始高度，本试验中为20mm。

根据试验结果，黄土在天然含水量下某一级压力的压缩量x₁、饱和状态下某一级压力的压缩量x₂和黄土的孔隙率和饱和度呈指数函数关系，如下式所示：

经过拟合，300kPa下的拟合关系为：

所以黄土的湿陷系数为：

由(1)式，得：

将(9)式带入到(8)式中，整理得：

拟合结果为：

湿陷性判别：在特定现场选取有代表性的黄土试样，进行原位电阻率静力触探试验，并同时测量土体含水量及密度参数，换算出黄土的孔隙率；根据实测土样的电阻率及相关参数采用所建立的基于电阻率的黄土湿陷系数通用预测公式推测土样的湿陷系数，按照《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025-2018),确定黄土的湿陷等级。

通过甘肃靖远县高铁站附近场地的黄土试验数据验证公式的预测模型的精确性。图5为基于电阻率预测模型的黄土实测与预测湿陷系数的比较。

可以看出：根据上述提出的基于电阻率的黄土湿陷系数预测公式，可以很好地应用于天然黄土的预测，并且预测结果较为准确，线性拟合度较高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用电阻率预测黄土湿陷性的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，采用电阻率静力触探技术，现场测试目标黄土地区的电阻率值；

步骤2，通过现场取样并进行室内土体试验测出目标黄土地区的含水量值和密度值，并依此计算出土体的孔隙率和饱和度；

步骤3，根据电阻率湿陷系数的预测公式

δ_s＝a·n^b·(ρ/ρ_w)^c-a′·n^b′·(ρ/ρ_w)^c′，计算目标黄土地区的湿陷系数；

步骤4，将黄土湿陷系数预测值对照湿陷性《黄土地区建筑规范》(GB50025-2018)，确定湿陷性黄土的湿陷等级；

所述δ_s为黄土湿陷系数，ρ为电阻率，n为孔隙率，ρ_w为孔隙水电阻率，a、b、c分别为饱和状态下的拟合系数，孔隙率指数和电阻率指数，a′、b′、c′分别为天然状态下的拟合系数，孔隙率指数和电阻率指数。

2.根据权利要求1所述的一种用电阻率预测黄土湿陷性的方法，其特征在于，所述的参数a与a′，b与b′，c与c′的确定方法，包括如下步骤：

步骤a，环刀与天然层次垂直切取原状黄土，两端修平后称环刀、土总量，计算出黄土的密度，同时测定环刀两端削下土样的含水率；同一组原状土试样密度最大差值不超过0.02g/cm³，含水率最大差值不超过1％；切取不同组物理状态的原状黄土备用；

步骤b，对不同物理状态的黄土进行电阻率和湿陷系数测试，根据不同组的测试结果，确认黄土电阻率ρ、天然状态压缩量x₁、饱和状态压缩量x₂均与孔隙率n和饱和度S_r呈指数关系，依据试验数据拟合得到各项参数；

步骤c，根据步骤b得到的关系公式，消去饱和度，由数学换算得出所述参数a与a′，b与b′，c与c′。

3.根据权利要求2所述的一种用电阻率预测黄土湿陷性的方法，其特征在于，所述天然状态压缩量x₁、饱和状态压缩量x₂与孔隙率n和饱和度S_r之间的相关关系为：

结合黄土湿陷系数的定义，湿陷系数与孔隙率饱和度的关系为：

其中，h_p和h′_p分别为土样在压力p作用时下沉稳定后和浸水作用下下沉稳定后的高度，h₀为土样的初始高度即环刀高度，n为孔隙率，a₂，b₂，c₂，a₃，b₃，c₃为拟合系数，S_r为饱和度。

4.根据权利要求2所述的一种用电阻率预测黄土湿陷性的方法，其特征在于，所述黄土电阻率ρ与孔隙率n、饱和度S_r之间的相关关系为：

其中，ρ为黄土电阻率，ρ_w为孔隙水电阻率，n为孔隙率，S_r为饱和度，a₁，b₁，c₁为拟合系数。

5.根据权利要求2所述的一种用电阻率预测黄土湿陷性的方法，其特征在于，由数学换算得出参数a与a′，b与b′，c与c′，换算公式为：

b＝b₃-b₁c₃/c₁，c＝c₃/c₁，

b＝b₂-b₁c₂/c₁，c＝c₂/c₁。

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