CN113008676B - 硅溶胶加固砂土的检测方法 - Google Patents

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，

q：剪应力q，

η：应力比η，

ε_v：体应变，ε_v＝ε₁+ε₂+ε₃

ε_s：剪应变，t₀,t₁,t₂,…,t_i,…,t_n：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,…,t_i,…,t_n,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t_i时刻对应的应力比η、体应变ε_v和剪应变ε_s分别标记为(η)ⁱ

(ε_v)ⁱ：第t_i时刻对应的体应变ε_v

(ε_s)ⁱ：第t_i时刻对应的剪应变ε_s

体应变ε_v最大值对应的η为/>

η^peak：η的峰值为η^peak

η^critical：η过峰值后记录的最后一个数据点对应的η

(Δε_v)ⁱ：体应变增量，(Δε_v)ⁱ＝(ε_v)ⁱ-(ε_v)^i-1

Δ(ε_s)ⁱ：剪应变增量，(Δε_s)ⁱ＝(ε_s)ⁱ-(ε_s)^i-1

dⁱ：体应变增量和剪应变增量的关系比，

t_εvmax,t_peak,t_critical：η^peak，η^critical对应的时刻分别为/>t_peak和t_critical

d^peak,d^critical：/>t_peak和t_critical对应的dⁱ分别为/>d^peak和d^critical

A₁,A₂：A₂＝η^critical-η^peak

B₁,B₂：B₂＝d^critical-d^peak

C：相应时刻应力应变曲线的数值，C＝A₁B₂-B₁A₂，或或/>

ε_s1,ε_s2：应力比随剪应变的变化曲线上η＝η^peak-Δ对应的两个剪应变且有ε_s1＜ε_s2

ε_s1和ε_s2对应的dⁱ分别为/>和/>

Δ：Δ满足条件η^critical＜η^peak-Δ＜η^peak

k：设η^peak对应的时刻t_i为t_peak，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ε_v和剪应变ε_s：

ε_v＝ε₁+ε₂+ε₃，

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,…,t_i,…,t_n，其中，1≤i≤n，i为任一时刻，n+1为记录的总时刻数；

将第t_i时刻对应的应力比η、体应变ε_v和剪应变ε_s分别标记为(η)ⁱ、(ε_v)ⁱ和(ε_s)ⁱ，画出η随ε_s变化的曲线，在此曲线中，取体应变ε_v最大值对应的η为取η的峰值为η^peak，η过峰值后的最后一个数据点为η^critical；计算体应变增量(Δε_v)ⁱ＝(ε_v)ⁱ-(ε_v)^i-1和剪应变增量(Δε_s)ⁱ＝(ε_s)ⁱ-(ε_s)^i-1；

由体应变增量(Δε_v)ⁱ和剪应变增量(Δε_s)ⁱ计算关系比记/>η^peak和η^critical对应的时刻分别为/>t_peak和t_critical，而t_εvxma、t_peak和t_critical对应的dⁱ分别为d^peak和d^critical；

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，取应力比差值取应力比差值A₂＝η^critical-η^peak，取关系比差值/>取关系比差值B₂＝d^critical-d^peak。

优选地，计算C＝A₁B₂-B₁A₂。

优选地，计算

优选地，步骤3.3中：取数值Δ，Δ满足条件η^critical＜η^peak-Δ＜η^peak，在应力比随剪应变的变化曲线上找到η＝η^peak-Δ对应的两个剪应变ε_s1和ε_s2，且有ε_s1＜ε_s2，设ε_s1和ε_s2对应的dⁱ分别为和/>取/>

优选地，由试验数据计算ε_s1和的计算过程为：

设η^peak对应的时刻t_i为t_peak，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(η^peak-Δ)-(η)^j，若存在则将(η^peak-Δ)-(η)^j＝0对应的j赋值给m，或者若存在[(η^peak-Δ)-(η)^j-1]×[(η^peak-Δ)-(η)^j]＜0则将对应的j赋值给m；

计算

计算优选地，由试验数据计算ε_s2和/>的计算过程为：设η^peak对应的时刻t_i为t_peak，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(η^peakΔ)-(η)^l，若存在(η^peak-Δ)-(η)^l＝0，则将(η^peak-Δ)-(η)^l＝0对应的l赋值给m，或者若存在[(η^peak-Δ)-(η)^l-1]×[(η^peak-Δ)-(η)^l]＜0则将对应的l赋值给m；

计算

计算

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，

q：剪应力q，

η：应力比η，

ε_v：体应变，ε_v＝ε₁+ε₂+ε₃

ε_s：剪应变，

t₀,t₁,t₂,…,t_i,…,t_n：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,…,t_i,…,t_n,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t_i时刻对应的应力比η、体应变ε_v和剪应变ε_s分别标记为(η)ⁱ

(ε_v)ⁱ：第t_i时刻对应的体应变ε_v

(ε_s)ⁱ：第t_i时刻对应的剪应变ε_s

体应变ε_v最大值对应的η为/>

η^peak：η的峰值为η^peak

η^critical：η过峰值后记录的最后一个数据点对应的η

(Δε_v)ⁱ：体应变增量，(Δε_v)ⁱ＝(ε_v)ⁱ-(ε_v)^i-1

Δ(ε_s)ⁱ：剪应变增量，(Δε_s)ⁱ＝(ε_s)ⁱ-(ε_s)^i-1

dⁱ：体应变增量和剪应变增量的关系比，

t_peak,t_critical：/>η^peak，η^critical对应的时刻分别为/>t_peak和t_critical d^peak,d^critical：/>t_peak和t_critical对应的dⁱ分别为/>d^peak和d^critical

A₁,A₂：A₂＝η^critical-η^peak

B₁,B₂：B₂＝d^critical-d^peak

C：相应时刻应力应变曲线的数值，C＝A₁B₂-B₁A₂，或或

ε_s1,ε_s2：应力比随剪应变的变化曲线上η＝η^peak-Δ对应的两个剪应变且有ε_s1＜ε_s2

ε_s1和ε_s2对应的dⁱ分别为/>和/>

Δ：Δ满足条件η^critical＜η^peak-Δ＜η^peak

k：设η^peak对应的时刻t_i为t_peak，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ε_v和剪应变ε_s；

ε_v＝ε₁+ε₂+ε₃，

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,…,t_i,…,t_n，其中，1≤i≤n，i为任一时刻，n+1为记录的总时刻数；

将第t_i时刻对应的应力比η、体应变ε_v和剪应变ε_s分别标记为(η)ⁱ、(ε_v)ⁱ和(ε_s)ⁱ；画出η随ε_s变化的曲线，在此曲线中，取体应变ε_v最大值对应的η为取η的峰值为η^peak，η过峰值后的最后一个数据点为η^critical；计算体应变增量(Δε_v)ⁱ＝(ε_v)ⁱ-(ε_v)^i-1和剪应变增量(Δε_s)ⁱ＝(ε_s)ⁱ-(ε_s)^i-1；

由体应变增量(Δε_v)ⁱ和剪应变增量(Δε_s)ⁱ计算关系比

记η^peak和η^critical对应的时刻分别为/>t_peak和t_critical，而/>t_peak和t_critical对应的dⁱ分别为/>d^peak和d^critical；

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，取应力比差值取应力比差值A₂＝η^critical-η^peak，取关系比差值/>取关系比差值B₂＝d^critical-d^peak。。

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η^critical＜η^peak-Δ＜η^peak，在应力比随剪应变的变化曲线上找到η＝η^peak-Δ对应的两个剪应变ε_s1和ε_s2，且有ε_s1＜ε_s2，设ε_s1和ε_s2对应的dⁱ分别为和/>取/>

由试验数据计算ε_s1和的计算过程为：

设η^peak对应的时刻t_i为t_peak，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(η^peakΔ)-(η)^j，若存在(η^peak-Δ)-(η)^j＝0，则将(η^peak-Δ)-(η)^j＝0对应的j赋值给m，或者若存在[(η^peak-Δ)-(η)^j-1]×[(η^peak-Δ)-(η)^j]＜0则将对应的j赋值给m；

计算

计算

由试验数据计算ε_s2和的计算过程为：设η^peak对应的时刻t_i为t_peak，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(η^pea-kΔ)-(η)^l，若存在(η^pea-kΔ)-(η)^l＝0则将(η^peak-Δ)-(η)^l＝0对应的l赋值给m，或者若存在[(η^peak-Δ)-(η)^l-1]×[(η^peak-Δ)-(η)^l]＜0则将这时对应的l赋值给m；

计算

计算

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 (7)

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；

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ε_v和剪应变ε_s：

ε_v＝ε₁+ε₂+ε₃，

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，…，t_i，…，t_n，其中，1≤i≤n，i为任一时刻，n+1为记录的总时刻数；

将第t_i时刻对应的应力比η、体应变ε_v和剪应变ε_s分别标记为(η)ⁱ、(ε_v)ⁱ和(ε_s)ⁱ，画出η随ε_s变化的曲线，在此曲线中，取体应变ε_v最大值对应的η为取η的峰值为η^peak，η过峰值后的最后一个数据点为η^critical；计算体应变增量(Δε_v)ⁱ＝(ε_v)ⁱ-(ε_v)^i-1和剪应变增量(Δε_s)ⁱ＝＝(ε_s)ⁱ-(ε_s)^i-1；

由体应变增量(Δε_v)ⁱ和剪应变增量(Δε_s)ⁱ计算关系比记/>η^peak和η^cirtical对应的时刻分别为/>t_peak和t_critical，而/>t_peak和t_critical对应的dⁱ分别为d^peak和d^critical；

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。

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：步骤3.3中，取应力比差值取应力比差值A₂＝η^critical-η^peak，取关系比差值取关系比差值B₂＝d^critical-d^peak。

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：计算C＝A₁B₂-B₁A₂。

4.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：计算

5.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：步骤3.3中：取数值Δ，Δ满足条件η^critical＜η^peak-Δ＜η^peak，在应力比随剪应变的变化曲线上找到η＝η^peak-Δ对应的两个剪应变ε_s1和ε_s2，且有ε_s1＜ε_s2，设ε_s1和ε_s2对应的dⁱ分别为和/>取

6.根据权利要求5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ε_s1和的计算过程为：

设η^peak对应的时刻t_i为t_peak，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(η^peak-Δ)-(η)^j，若存在则将(η^peak-Δ)-(η)^j＝0对应的j赋值给m，或者若存在/>则将对应的j赋值给m；

计算

计算

7.根据权利要求5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ε_s2和的计算过程为：设η^peak对应的时刻t_i为t_peak，以i＝k，设1为整数且1取值范围为k+1≤1≤n；

对k+1≤1≤n，计算每个1对应的若存在(η^peak-Δ)-(η)^l＝0，则将(η^peak-Δ)(η)^l＝0对应的1赋值给m，或者若存在/>则将对应的1赋值给m；

计算

计算