CN113008676A - 硅溶胶加固砂土的检测方法 - Google Patents

硅溶胶加固砂土的检测方法 Download PDF

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CN113008676A CN202110225910.XA CN202110225910A CN113008676A CN 113008676 A CN113008676 A CN 113008676A CN 202110225910 A CN202110225910 A CN 202110225910A CN 113008676 A CN113008676 A CN 113008676A
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Abstract

本发明属于岩土工程研究领域,尤其涉及一种硅溶胶加固砂土的检测方法，包括以下步骤：首先基于砂颗粒集合体中的颗粒材料为随机排列的假设，进行三轴试验画出应力应变曲线，从砂颗粒集合体受载荷过程中的应力应变曲线快速检测砂是否被硅溶胶加固，即由单个试验得到的应力应变曲线即可快速分析出砂土是否被硅溶胶加固，而无需作为参考的试验进行比较分析，例如无需与未加固砂的应力应变或强度特性进行比较。

Description

硅溶胶加固砂土的检测方法
技术领域
本发明属于岩土工程研究领域，尤其涉及一种硅溶胶加固砂土的检测方法。
背景技术
硅溶胶是纳米二氧化硅颗粒悬浮在水中，这些纳米颗粒先逐渐凝聚成链状结构进而形成三维网状结构的凝胶，此纳米凝胶体系可以加固松散砂土地基，加固方法为将硅溶胶渗流入饱和砂土地基中。为了检测砂土是否被硅溶胶固化，可以取出砂土试样进行强度试验，比较其强度与没加固砂土的强度，或者观测颗粒间是否有凝胶。但是缺少一种方法，此方法由砂颗粒集合体受载荷过程中的应力应变曲线快速检测砂是否被硅溶胶加固，而无需将此应力应变曲线与没有经过加固砂的应力应变曲线进行比较。
发明内容
本发明为了从砂颗粒集合体受载荷过程中的应力应变曲线快速检测砂是否被硅溶胶加固，且无需与未加固砂的应力应变以及强度特性进行比较，本发明提供了一种硅溶胶加固砂土的检测方法。
本发明涉及一些简写和符号，以下为注解：
σ1：颗粒集合体受到的竖向应力
σ2和σ3：颗粒集合体受到的水平应力，σ2和σ3的方向垂直
ε1、ε2和ε3：应变，且分别与应力σ1、σ2和σ3方向相同
p：平均应力，
Figure BDA0002956088450000011
q：剪应力q，
Figure BDA0002956088450000021
η：应力比η，
Figure BDA0002956088450000022
εv：体应变，εv＝ε1+ε2+ε3
εs：剪应变，
Figure BDA0002956088450000023
t0,t1,t2,…,ti,…,tn：加载过程中记录的起始时刻为t0,之后记录的时刻从小到大依次为t1,t2,…,ti,…,tn,这里1≤i≤n，n+1为记录的时刻点数
i：i为整数，且1≤i≤n
(η)i：第ti时刻对应的应力比η、体应变εv和剪应变εs分别标记为(η)i
(εv)i：第ti时刻对应的体应变εv
(εs)i：第ti时刻对应的剪应变εs
Figure BDA0002956088450000024
体应变εv最大值对应的η为
Figure BDA0002956088450000025
ηpeak：η的峰值为ηpeak
ηcritical：η过峰值后记录的最后一个数据点对应的η
(Δεv)i：体应变增量，(Δεv)i＝(εv)i-(εv)i-1
Δ(εs)i：剪应变增量，(Δεs)i＝(εs)i-(εs)i-1
di：体应变增量和剪应变增量的关系比，
Figure BDA0002956088450000026
tεvmax,tpeak,tcritical：
Figure BDA0002956088450000027
ηpeak，ηcritical对应的时刻分别为
Figure BDA0002956088450000028
tpeak和tcritical
Figure BDA0002956088450000029
dpeak,dcritical：
Figure BDA00029560884500000210
tpeak和tcritical对应的di分别为
Figure BDA00029560884500000211
dpeak和dcritical
A1,A2：
Figure BDA00029560884500000212
A2＝ηcritical-ηpeak
B1,B2：
Figure BDA0002956088450000031
B2＝dcritical-dpeak
C：相应时刻应力应变曲线的数值，C＝A1B2-B1A2，或
Figure BDA0002956088450000032
或
Figure BDA0002956088450000033
εs1,εs2：应力比随剪应变的变化曲线上η＝ηpeak-Δ对应的两个剪应变且有εs1＜εs2
Figure BDA0002956088450000034
εs1和εs2对应的di分别为
Figure BDA0002956088450000035
和
Figure BDA0002956088450000036
Δ：Δ满足条件ηcritical＜ηpeak-Δ＜ηpeak
k：设ηpeak对应的时刻ti为tpeak，这里对应的i＝k
j：j为整数，2≤j≤k
l：l为整数，k+1≤l≤n
本发明的技术方案：一种硅溶胶加固砂土的检测方法，其特征为：所述方法包括以下步骤：
步骤1：预设砂颗粒集合体中的颗粒材料为随机排列；
步骤2：设砂颗粒集合体在竖向受应力σ1，在水平向受应力σ2和σ3，σ2和σ3的方向垂直，进行三轴试验，这时有σ2＝σ3，且可以画出应力比随剪应变的变化曲线，以及体应变随剪应变的变化曲线；
步骤3：取三轴试验中的围压为预设值，通过对砂颗粒集合体的应力应变曲线分析砂土是否被硅溶胶加固。
优选地，所述步骤3包括如下步骤：
步骤3.1：设砂颗粒集合体的应变为ε1、ε2和ε3，其中应变ε1、ε2和ε3的方向分别与应力σ1、σ2和σ3方向相同；计算平均应力p、剪应力q、应力比η、体应变εv和剪应变εs：
Figure BDA0002956088450000041
Figure BDA0002956088450000042
Figure BDA0002956088450000043
εv＝ε1+ε2+ε3，
Figure BDA0002956088450000044
步骤3.2：设加载过程中记录的起始时刻为t0，之后记录的时刻从小到大依次为t1,t2,…,ti,…,tn，其中，1≤i≤n，i为任一时刻，n+1为记录的总时刻数；
将第ti时刻对应的应力比η、体应变εv和剪应变εs分别标记为(η)i、(εv)i和(εs)i，画出η随εs变化的曲线，在此曲线中，取体应变εv最大值对应的η为
Figure BDA0002956088450000045
取η的峰值为ηpeak，η过峰值后的最后一个数据点为ηcritical；计算体应变增量(Δεv)i＝(εv)i-(εv)i-1和剪应变增量(Δεs)i＝(εs)i-(εs)i-1；
由体应变增量(Δεv)i和剪应变增量(Δεs)i计算关系比
Figure BDA0002956088450000046
记
Figure BDA0002956088450000047
ηpeak和ηcritical对应的时刻分别为
Figure BDA0002956088450000048
tpeak和tcritical，而tεvxma、tpeak和tcritical对应的di分别为
Figure BDA0002956088450000049
dpeak和dcritical；
步骤3.3：根据应力比η和关系比di计算相应时刻应力应变曲线的数值C；
步骤3.4：当C＜0时，砂土被硅溶胶加固；而C＞0时，砂土没有被硅溶胶加固。
优选地，步骤3.3中，取应力比差值
Figure BDA0002956088450000051
取应力比差值A2＝ηcritical-ηpeak，取关系比差值
Figure BDA0002956088450000052
取关系比差值B2＝dcritical-dpeak。
优选地，计算C＝A1B2-B1A2。
优选地，计算
Figure BDA0002956088450000053
优选地，步骤3.3中：取数值Δ，Δ满足条件ηcritical＜ηpeak-Δ＜ηpeak，在应力比随剪应变的变化曲线上找到η＝ηpeak-Δ对应的两个剪应变εs1和εs2，且有εs1＜εs2，设εs1和εs2对应的di分别为
Figure BDA0002956088450000054
和
Figure BDA0002956088450000055
取
Figure BDA0002956088450000056
优选地，由试验数据计算εs1和
Figure BDA0002956088450000057
的计算过程为：
设ηpeak对应的时刻ti为tpeak，以i＝k，设j为整数且j取值范围为2≤j≤k；
对2≤j≤k，计算每个j对应的(ηpeak-Δ)-(η)j，若存在
Figure BDA00029560884500000511
则将(ηpeak-Δ)-(η)j＝0对应的j赋值给m，或者若存在[(ηpeak-Δ)-(η)j-1]×[(ηpeak-Δ)-(η)j]＜0则将对应的j赋值给m；
计算
Figure BDA0002956088450000058
计算
Figure BDA0002956088450000059
优选地，由试验数据计算εs2和
Figure BDA00029560884500000510
的计算过程为：设ηpeak对应的时刻ti为tpeak，以i＝k，设l为整数且l取值范围为k+1≤l≤n；
对k+1≤l≤n，计算每个l对应的(ηpeakΔ)-(η)l，若存在(ηpeak-Δ)-(η)l＝0，则将(ηpeak-Δ)-(η)l＝0对应的l赋值给m，或者若存在[(ηpeak-Δ)-(η)l-1]×[(ηpeak-Δ)-(η)l]＜0则将对应的l赋值给m；
计算
Figure BDA0002956088450000061
计算
Figure BDA0002956088450000062
本发明的有益效果是由单个试验得到的应力应变曲线即可快速分析出砂土是否被硅溶胶加固，而无需与未加固砂的试验进行比较，例如无需与未加固砂的应力应变曲线以及强度特性进行比较，即由当前单个三轴试验分析出砂土是否被硅溶胶加固。
附图说明
图1为砂颗粒集合体示意图；
图2为未加固砂土的应力比-剪应变曲线和体应变-剪应变曲线；
图3为硅溶胶固化砂土的应力比-剪应变曲线和体应变-剪应变曲线；
图中1.砂颗粒集合体。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
对于如图1所示的砂颗粒集合体1，在竖向受应力σ1，在水平向受应力σ2和σ3，σ2和σ3的方向垂直。进行三轴试验，这时有σ2＝σ3，且可以画出应力比随剪应变的变化曲线，以及体应变随剪应变的变化曲线。
本实施例中，取三轴试验中的围压为100kPa，这里的砂为福建平潭标准砂，未加固砂土的应力比-剪应变曲线和体应变-剪应变曲线如图2所示，硅溶胶固化砂土的应力比-剪应变曲线和体应变-剪应变曲线如图3所示。这里从图2和图3的应力应变曲线直接快速分析砂是否被硅溶胶加固，即从单个三轴试验分析砂土是否被硅溶胶加固，而无需将当前砂土的特性与没固化砂土的试验结果进行比较。
这里对于图2和图3的应力应变曲线，已知每个数据点对应的时刻。
本发明涉及一些简写和符号，以下为注解：
σ1：颗粒集合体受到的竖向应力
σ2和σ3：颗粒集合体受到的水平应力，σ2和σ3的方向垂直
ε1、ε2和ε3：应变，且分别与应力σ1、σ2和σ3方向相同
p：平均应力，
Figure BDA0002956088450000071
q：剪应力q，
Figure BDA0002956088450000072
η：应力比η，
Figure BDA0002956088450000073
εv：体应变，εv＝ε1+ε2+ε3
εs：剪应变，
Figure BDA0002956088450000074
t0,t1,t2,…,ti,…,tn：加载过程中记录的起始时刻为t0,之后记录的时刻从小到大依次为t1,t2,…,ti,…,tn,这里1≤i≤n，n+1为记录的时刻点数
i：i为整数，且1≤i≤n
(η)i：第ti时刻对应的应力比η、体应变εv和剪应变εs分别标记为(η)i
(εv)i：第ti时刻对应的体应变εv
(εs)i：第ti时刻对应的剪应变εs
Figure BDA0002956088450000081
体应变εv最大值对应的η为
Figure BDA0002956088450000082
ηpeak：η的峰值为ηpeak
ηcritical：η过峰值后记录的最后一个数据点对应的η
(Δεv)i：体应变增量，(Δεv)i＝(εv)i-(εv)i-1
Δ(εs)i：剪应变增量，(Δεs)i＝(εs)i-(εs)i-1
di：体应变增量和剪应变增量的关系比，
Figure BDA0002956088450000083
Figure BDA0002956088450000084
tpeak,tcritical：
Figure BDA0002956088450000085
ηpeak，ηcritical对应的时刻分别为
Figure BDA0002956088450000086
tpeak和tcritical
Figure BDA0002956088450000087
dpeak,dcritical：
Figure BDA0002956088450000088
tpeak和tcritical对应的di分别为
Figure BDA0002956088450000089
dpeak和dcritical
A1,A2：
Figure BDA00029560884500000810
A2＝ηcritical-ηpeak
B1,B2：
Figure BDA00029560884500000811
B2＝dcritical-dpeak
C：相应时刻应力应变曲线的数值，C＝A1B2-B1A2，或
Figure BDA00029560884500000812
或
Figure BDA00029560884500000813
εs1,εs2：应力比随剪应变的变化曲线上η＝ηpeak-Δ对应的两个剪应变且有εs1＜εs2
Figure BDA00029560884500000814
εs1和εs2对应的di分别为
Figure BDA00029560884500000815
和
Figure BDA00029560884500000816
Δ：Δ满足条件ηcritical＜ηpeak-Δ＜ηpeak
k：设ηpeak对应的时刻ti为tpeak，这里对应的i＝k
j：j为整数，2≤j≤k
l：l为整数，k+1≤l≤n
示例1
本发明的技术方案：一种硅溶胶加固砂土的检测方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：预设砂颗粒集合体中的颗粒材料为随机排列；
步骤2：设砂颗粒集合体在竖向受应力σ1，在水平向受应力σ2和σ3，σ2和σ3的方向垂直，进行三轴试验，这时有σ2＝σ3，且可以画出应力比随剪应变的变化曲线，以及体应变随剪应变的变化曲线；
步骤3：取三轴试验中的围压为100kPa，通过对砂颗粒集合体的应力应变曲线分析砂土是否被硅溶胶加固。
所述步骤3包括如下步骤：
步骤3.1：设砂颗粒集合体的应变为ε1、ε2和ε3，其中应变ε1、ε2和ε3的方向分别与应力σ1、σ2和σ3方向相同；计算平均应力p、剪应力q、应力比η、体应变εv和剪应变εs；
Figure BDA0002956088450000091
Figure BDA0002956088450000092
Figure BDA0002956088450000093
εv＝ε1+ε2+ε3，
Figure BDA0002956088450000094
步骤3.2：设加载过程中记录的起始时刻为t0，之后记录的时刻从小到大依次为t1,t2,…,ti,…,tn，其中，1≤i≤n，i为任一时刻，n+1为记录的总时刻数；
将第ti时刻对应的应力比η、体应变εv和剪应变εs分别标记为(η)i、(εv)i和(εs)i；画出η随εs变化的曲线，在此曲线中，取体应变εv最大值对应的η为
Figure BDA0002956088450000101
取η的峰值为ηpeak，η过峰值后的最后一个数据点为ηcritical；计算体应变增量(Δεv)i＝(εv)i-(εv)i-1和剪应变增量(Δεs)i＝(εs)i-(εs)i-1；
由体应变增量(Δεv)i和剪应变增量(Δεs)i计算关系比
Figure BDA0002956088450000102
记
Figure BDA0002956088450000103
ηpeak和ηcritical对应的时刻分别为
Figure BDA0002956088450000104
tpeak和tcritical，而
Figure BDA0002956088450000105
tpeak和tcritical对应的di分别为
Figure BDA0002956088450000106
dpeak和dcritical；
步骤3.3：根据应力比η和关系比di计算相应时刻应力应变曲线的数值C；
步骤3.4：当C＜0时，砂土被硅溶胶加固；而C＞0时，砂土没有被硅溶胶加固。
步骤3.3中，取应力比差值
Figure BDA0002956088450000107
取应力比差值A2＝ηcritical-ηpeak，取关系比差值
Figure BDA0002956088450000108
取关系比差值B2＝dcritical-dpeak。。
计算C＝A1B2-B1A2。
对图2，计算C＞0时，表明砂土没有被硅溶胶加固，与实际情况相符；对图3，计算C＜0时，表明砂土被硅溶胶加固，与实际情况相符。这里无需将固化和未固化砂土的特性进行比较，就可得到砂土是否被硅溶胶固化。
示例2
同样按示例1中的步骤，但是对步骤3.3中，C的取值方法改为
Figure BDA0002956088450000111
同样对图2，计算C＞0时，表明砂土没有被硅溶胶加固，与实际情况相符；对图3，计算C＜0时，表明砂土被硅溶胶加固，与实际情况相符。这里无需将固化和未固化砂土的特性进行比较，就可得到砂土是否被硅溶胶固化。
示例3
同样按示例1中的步骤，但是将步骤3.3改为：取数值Δ，Δ满足条件ηcritical＜ηpeak-Δ＜ηpeak，在应力比随剪应变的变化曲线上找到η＝ηpeak-Δ对应的两个剪应变εs1和εs2，且有εs1＜εs2，设εs1和εs2对应的di分别为
Figure BDA0002956088450000112
和
Figure BDA0002956088450000113
取
Figure BDA0002956088450000114
由试验数据计算εs1和
Figure BDA0002956088450000115
的计算过程为：
设ηpeak对应的时刻ti为tpeak，以i＝k，设j为整数且j取值范围为2≤j≤k；
对2≤j≤k，计算每个j对应的(ηpeakΔ)-(η)j，若存在(ηpeak-Δ)-(η)j＝0，则将(ηpeak-Δ)-(η)j＝0对应的j赋值给m，或者若存在[(ηpeak-Δ)-(η)j-1]×[(ηpeak-Δ)-(η)j]＜0则将对应的j赋值给m；
计算
Figure BDA0002956088450000116
计算
Figure BDA0002956088450000117
由试验数据计算εs2和
Figure BDA0002956088450000118
的计算过程为：设ηpeak对应的时刻ti为tpeak，这里对应的i＝k，设l为整数且l取值范围为k+1≤l≤n；
对k+1≤l≤n，计算每个l对应的(ηpea-kΔ)-(η)l，若存在(ηpea-kΔ)-(η)l＝0则将(ηpeak-Δ)-(η)l＝0对应的l赋值给m，或者若存在[(ηpeak-Δ)-(η)l-1]×[(ηpeak-Δ)-(η)l]＜0则将这时对应的l赋值给m；
计算
Figure BDA0002956088450000121
计算
Figure BDA0002956088450000122
同样对图2，计算C＞0时，表明砂土没有被硅溶胶加固，与实际情况相符；对图3，计算C＜0时，表明砂土被硅溶胶加固，与实际情况相符。这里无需将固化和未固化砂土的特性进行比较，就可得到砂土是否被硅溶胶固化。

Claims (8)

1.一种硅溶胶加固砂土的检测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1：预设砂颗粒集合体中的颗粒材料为随机排列；
步骤2：设砂颗粒集合体在竖向受应力σ1，在水平向受应力σ2和σ3，σ2和σ3的方向垂直，进行三轴试验，这时有σ2＝σ3，且可以画出应力比随剪应变的变化曲线，以及体应变随剪应变的变化曲线；
步骤3：取三轴试验中的围压为预设值，通过对砂颗粒集合体的应力应变曲线分析砂土是否被硅溶胶加固。
2.根据权利要求1所述的一种硅溶胶加固砂土的检测方法，其特征在于：所述步骤3包括如下步骤：
步骤3.1：设砂颗粒集合体的应变为ε1、ε2和ε3，其中应变ε1、ε2和ε3的方向分别与应力σ1、σ2和σ3方向相同；计算平均应力p、剪应力q、应力比η、体应变εv和剪应变εs：
Figure FDA0002956088440000011
Figure FDA0002956088440000012
Figure FDA0002956088440000013
εv＝ε1+ε2+ε3，
Figure FDA0002956088440000014
步骤3.2：设加载过程中记录的起始时刻为t0，之后记录的时刻从小到大依次为t1,t2,…,ti,…,tn，其中，1≤i≤n，i为任一时刻，n+1为记录的总时刻数；
将第ti时刻对应的应力比η、体应变εv和剪应变εs分别标记为(η)i、(εv)i和(εs)i，画出η随εs变化的曲线，在此曲线中，取体应变εv最大值对应的η为
Figure FDA0002956088440000021
取η的峰值为ηpeak，η过峰值后的最后一个数据点为ηcritical；计算体应变增量(Δεv)i＝(εv)i-(εv)i-1和剪应变增量(Δεs)i＝(εs)i-(εs)i-1；
由体应变增量(Δεv)i和剪应变增量(Δεs)i计算关系比
Figure FDA0002956088440000022
记
Figure FDA0002956088440000023
ηpeak和ηcritical对应的时刻分别为
Figure FDA0002956088440000024
tpeak和tcritical，而
Figure FDA0002956088440000025
tpeak和tcritical对应的di分别为
Figure FDA0002956088440000026
dpeak和dcritical；
步骤3.3：根据应力比η和关系比di计算相应时刻应力应变曲线的数值C；
步骤3.4：当C＜0时，砂土被硅溶胶加固；而C＞0时，砂土没有被硅溶胶加固。
3.根据权利要求2所述的一种硅溶胶加固砂土的检测方法，其特征在于：步骤3.3中，取应力比差值
Figure FDA0002956088440000027
取应力比差值A2＝ηcritical-ηpeak，取关系比差值
Figure FDA0002956088440000028
取关系比差值B2＝dcritical-dpeak。
4.根据权利要求3所述的一种硅溶胶加固砂土的检测方法，其特征在于：计算C＝A1B2-B1A2。
5.根据权利要求3所述的一种硅溶胶加固砂土的检测方法，其特征在于：计算
Figure FDA0002956088440000029
6.根据权利要求2所述的一种硅溶胶加固砂土的检测方法，其特征在于：步骤3.3中：取数值Δ，Δ满足条件ηcritical＜ηpeak-Δ＜ηpeak，在应力比随剪应变的变化曲线上找到η＝ηpeak-Δ对应的两个剪应变εs1和εs2，且有εs1＜εs2，设εs1和εs2对应的di分别为
Figure FDA0002956088440000031
和
Figure FDA0002956088440000032
取
Figure FDA0002956088440000033
7.根据权利要求6所述的一种硅溶胶加固砂土的检测方法，其特征在于：由试验数据计算εs1和
Figure FDA0002956088440000034
的计算过程为：
设ηpeak对应的时刻ti为tpeak，以i＝k，设j为整数且j取值范围为2≤j≤k；
对2≤j≤k，计算每个j对应的(ηpeak-Δ)-(η)j，若存在
Figure FDA0002956088440000035
则将(ηpeak-Δ)-(η)j＝0对应的j赋值给m，或者若存在
Figure FDA00029560884400000311
则将对应的j赋值给m；
计算
Figure FDA0002956088440000036
计算
Figure FDA0002956088440000037
8.根据权利要求6所述的一种硅溶胶加固砂土的检测方法，其特征在于：由试验数据计算εs2和
Figure FDA0002956088440000038
的计算过程为：设ηpeak对应的时刻ti为tpeak，以i＝k，设l为整数且l取值范围为k+1≤l≤n；
对k+1≤l≤n，计算每个l对应的
Figure FDA0002956088440000039
若存在(ηpeak-Δ)-(η)l＝0，则将(ηpeak-Δ)-(η)l＝0对应的l赋值给m，或者若存在
Figure FDA00029560884400000312
则将对应的l赋值给m；
计算
Figure FDA00029560884400000310
计算
Figure FDA0002956088440000041
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