CN113032958B - 一种边坡土石混合体抗剪强度力学参数的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种边坡土石混合体抗剪强度力学参数的计算方法，包括如下步骤：通过室内及现场物性试验获得边坡内部土石混合体的基本物性指标；借助室内单轴压缩试验获取组成土石混合体的基质土的单轴抗压强度；基于提出的土石混合体非线性强度准则方程，计算方程中的待定参数；利用非线性强度准则反算土石混合体的内摩擦角与黏聚力；考虑含水率变化对土石混合体抗剪强度参数的劣化效应，采用修正公式计算劣化后的内摩擦角与黏聚力；本发明合理反映了降雨作用下土石混合体内部因含水率增加导致性能劣化的过程；实现了给定含石量条件下土石混合体抗剪强度参数计算，具有简单易行、操作简便的特点。

Description

一种边坡土石混合体抗剪强度力学参数的计算方法
技术领域
本发明属于建筑、水利水电、交通等岩土工程与防灾减灾工程技术领域，具体涉及一种边坡土石混合体抗剪强度力学参数的计算方法，尤其适用于堆积体边坡、高填方边坡，特别是在降雨条件下的稳定性分析。
背景技术
土石混合体是指第四纪以后形成的，由具有一定工程尺度且强度较高的块石、细粒土体及孔隙共同构成的岩土介质系统。土石混合体在我国西南、长江流域等地区分布广泛，是松散堆积体边坡的主要组成物质。作为一种两相地质材料，由于内部组分力学特征的差异，土石混合体呈现复杂多变的力学特性和结构特征。
随着我国土木、水利水电、交通等工程建设进程的加快，堆积体边坡、高填方边坡的稳定性研究成为岩土工程与防灾减灾工程领域的重难点问题。在开挖等工程扰动、地震降雨等环境扰动的作用下，堆积体边坡、高填方边坡由于其土石混合体材料内部组分在强度和刚度上的差异性，极易发生开裂、滑动等失稳现象，对人民生命财产与重大工程的安全造成巨大威胁。因此，针对土石混合体的力学特性及变形破坏机理开展研究，对评估堆积体边坡、高填方边坡稳定性具有重要的科学意义与工程价值。
然而，土石混合体内部块石粒径由几厘米到几十厘米分布不等，在对其力学参数值进行测定时只能选择大型试验设备以避免尺寸效应和边界效应对测得结果的影响。而在大型试验，如大型直剪、大型三轴等，需要耗费大量的人力物力进行现场采样，制样及试验过程也需要大量的财力和时间。因此，如何简洁快速的计算土石混合体的抗剪强度参数是亟需突破的研究方向。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明目的在于提供一种边坡土石混合体抗剪强度力学参数简洁快速的计算方法。
为了实现上述目的，本发明涉及：一种边坡土石混合体抗剪强度力学参数的计算方法，包括如下步骤：
步骤1：通过室内及现场试验获得边坡内部土石混合体的基本物性指标；
步骤2：借助室内单轴压缩试验获取组成土石混合体的基质土的单轴抗压强度；利用下式得到不同体积含石量土石混合体的单轴抗压强度值：
Figure GDA0003502279140000021
其中，UCSm和UCSSRM分别为基质土和土石混合体的单轴抗压强度；η为块石体积与试样体积比值；特征参数A对土体和块石之间接触面强度进行描述，通过土体单轴抗压强度值和块石内摩擦角进行确定；
步骤3：基于提出的土石混合体非线性强度准则方程，计算方程中的待定参数；
步骤4：利用非线性强度准则反算土石混合体的内摩擦角与黏聚力；
步骤5：考虑含水率变化对土石混合体抗剪强度参数的劣化效应，采用修正公式计算劣化后的内摩擦角与黏聚力。
进一步的，所述基本物性指标包括天然含水率、密度、块含石量、土体和块石组分、块石形状因子及棱角性。
进一步的，：所述块石含量通过室内筛分试验获得土石混合体级配粒径分布曲线，确定土石阈值得到。
进一步的，所述土体和块石组分、块石形状因子及棱角性通过地质调查和物性试验获得。
进一步的，所述天然含水率利用室内或现场含水率试验得到。
进一步的，所述步骤3中采用的土石混合体非线性强度准则方程，其表达式为：
τSRM＝A*UCSSRM(σ/UCSSRM-T)n (2)
式中：τSRM、σ分别为土石混合体的抗剪强度和正应力；A、T和n均为与含石量相关的待定常数；采用如下表达式计算方程中的待定常数：
Figure GDA0003502279140000031
Figure GDA0003502279140000032
mRi＝25exp(0.25-γ) (5)
Figure GDA0003502279140000033
G＝30.45ln(100γ)-44.19 (7)
Figure GDA0003502279140000034
Figure GDA0003502279140000035
式中，mRb与SR均为土石混合体的材料参数；mRi为经验参数；γ为块石质量比，其数值上等于块石质量与试样总质量的比值；G为土石混合体材料的地质参数。
进一步的，所述步骤4具体包括：基于获得的土石混合体抗剪强度，采用瞬时等效M-C强度准则的参数计算方法，即以非线性强度曲线上某点的切线方程作为M-C准则的表达式，在给定正应力σn的条件下即可获得对应点瞬时等效内摩擦角
Figure GDA0003502279140000041
和黏聚力ci，计算公式如下：
Figure GDA0003502279140000042
Figure GDA0003502279140000043
式中τSRM为 土石混合体的抗剪强度，A、T和n均为与含石量相关的待定常数，UCSSRM为土石混合体的单轴抗压强度。
进一步的，所述步骤5包括如下步骤：
步骤5.1：利用室内或现场含水率测定实验获得土石混合体天然含水率ω0；
步骤5.2：获得天然含水率条件下土石混合体的黏聚力c0和内摩擦角
Figure GDA0003502279140000048
步骤5.3：确定现时含水率ωc，通过数值模拟对降雨入渗过程中土石混合体的含水率进行实时监控，或针对室内实验室设定的含水率；
步骤5.4：将现时含水率与天然含水率的比值a带入参数劣化公式中，从而获得现时含水率条件下土石混合体的抗剪强度劣化后的内摩擦角与黏聚力；
Figure GDA0003502279140000044
Figure GDA0003502279140000045
式中，
Figure GDA0003502279140000046
与c′分别为劣化后的内摩擦角与黏聚力；
Figure GDA0003502279140000047
与c0分别为天然含水率条件下的内摩擦角与黏聚力；a为含水率比值，等于当前含水率与天然含水率的比值，γ为块石质量比，e为自然常数。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明的边坡土石混合体抗剪强度力学参数的计算方法，仅需要测量土石混合体的含石量、天然含水率和细粒基质的单轴抗压强度，利用较为简便可行的室内物性试验和小尺寸力学试验，结合土石混合体非线性强度准则，实现了给定含石量条件下土石混合体抗剪强度参数计算，该方法具有简单易行、操作简便等特点，减少了传统大型试验所需的人力财力和物力；
(2)本发明的边坡土石混合体抗剪强度力学参数的计算方法，考虑了含水率上升条件下水对于土石混合体的软化作用，合理反映了降雨作用下土石混合体内部因含水率增加导致性能劣化的过程，较为适用于建筑、水利水电、交通等岩土工程与防灾减灾工程技术领域的堆积体边坡、高填方边坡稳定性分析。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的计算流程示意图；
图2为本发明较佳实施例的土石混合体抗剪强度参数计算值与大型设备试验值的对比图；
图3为本发明较佳实施例降雨作用下边坡稳定性分析时土石混合体抗剪强度参数修正的示意图；
图4为本发明较佳实施例考虑水劣化效应的抗剪强度参数(含水率-内摩擦角)计算值与大型设备试验值对比图；
图5为本发明较佳实施例考虑水劣化效应的抗剪强度参数(含水率-粘聚力)计算值与大型设备试验值对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1：
请参考图1，一种边坡土石混合体抗剪强度力学参数的计算方法，其步骤为：
步骤1：通过室内筛分试验获得土石混合体级配粒径分布曲线，确定土石阈值并得到块石含量(体积含石量和质量含石量)；利用室内或现场含水率试验得到天然含水率；结合地质调查和物性试验获得土体和块石组分等基本物理性质指标和块石形状因子、棱角性等轮廓性状指标。
步骤2：借助室内单轴压缩试验测定土石混合体中土体(细粒基质)的单轴抗压强度，利用下式得到不同体积含石量土石混合体的单轴抗压强度值：
Figure GDA0003502279140000061
其中，UCSm和UCSSRM分别为基质土和土石混合体的单轴抗压强度；η为块石体积与试样体积比值；特征参数A对土体和块石之间接触面强度进行描述，通过土体单轴抗压强度值和块石内摩擦角(休止角)进行确定。
步骤3：利用颗粒级配分析得到的块石质量比γ根据以下公式得到土石混合体地质参数G和经验参数mRi。
mRi＝25exp(0.25-γ) (2)
G＝30.45ln(100γ)-44.19 (3)
在地质参数G和经验参数mRi的基础上，获得材料参数mRb和SR，从而得到地质经验参数T。
Figure GDA0003502279140000071
Figure GDA0003502279140000072
Figure GDA0003502279140000073
通过下式计算经验参数A和n：
Figure GDA0003502279140000074
Figure GDA0003502279140000075
在得到所有待定参数后，连同步骤2中某含石量条件下土石混合体的单轴抗压强度，代入土石混合体非线性强度准则方程，得到给定含石量下土石混合体的抗剪强度。
τSRM＝A*UCSSRM(σ/UCSSRM-T)n (9)
式中：τSRM、σ分别为土石混合体的抗剪强度和正应力。
步骤4：基于获得的土石混合体抗剪强度，采用瞬时等效M-C强度准则的参数计算方法，即以非线性强度曲线上某点的切线方程作为M-C准则的表达式，在给定正应力σn的条件下即可获得对应点瞬时等效内摩擦角
Figure GDA0003502279140000076
和黏聚力ci，计算公式如下：
Figure GDA0003502279140000077
Figure GDA0003502279140000078
通过以上步骤，即可实现对给定含石量的土石混合体抗剪强度参数的计算。
请参考图2，所为验证所提出方法的适用性和有效性，选取西南典型场地的土石混合体边坡作为研究对象，地质调查发现其内部主要由粉质粘土和呈棱角-次棱角状中风化碎块石灰岩；通过颗粒级配分析，以2mm作为土石颗粒阈值，得到天然条件下含石量为61.8％；对粉质粘土进行单轴压缩试验后得到其单轴抗压强度为736.24kPa；以上述计算参数为基础，采用本发明提出的非线性强度准则，计算不同含石量条件下的土石混合体抗剪强度，并将强度预测值与室内大型直剪试验数据进行比对，如图2所示。可知，两者均较为紧密的分布于1:1比例线两侧，相关系数达到了0.89，说明了该强度计算公式具有一定精度。
上述技术措施充分考虑了土石混合体内部组分在承担外力作用过程中各相组分协同发挥作用的过程，通过含石量、土石接触强度、土体基质抗压强度等参数的选取，实现了对不同含石量条件下土石混合体抗剪强度的计算。
实施例2：
请参考图3，与实施例1不同在于，本实施例中对降雨作用下边坡稳定性分析时进行了土石混合体抗剪强度参数的修正，具体步骤是：
步骤1：利用室内或现场含水率测定实验获得土石混合体天然含水率ω0；
步骤2：利用实施案例1中的方法获得天然含水率条件下土石混合体的黏聚力c0和内摩擦角
Figure GDA0003502279140000081
步骤3：确定现时含水率ωc，可通过数值模拟软件对降雨入渗过程中土石混合体的含水率进行实时监控，或针对室内实验室设定的含水率；
步骤4：将现时含水率与天然含水率的比值a带入参数劣化公式中，从而获得现时含水率条件下土石混合体的抗剪强度劣化后的内摩擦角与黏聚力；。
Figure GDA0003502279140000091
Figure GDA0003502279140000092
式中，
Figure GDA0003502279140000093
与c′分别为劣化后的内摩擦角与黏聚力，
Figure GDA0003502279140000094
与c0分别为天然含水率条件下的内摩擦角与黏聚力；a为含水率比值，等于当前含水率与天然含水率的比值，γ为块石质量比，e为自然常数。
步骤5：在后续降雨条件下土石混合体边坡稳定性计算的过程中，折减每个降雨计算时步中的土石混合体抗剪强度参数，从而实现了考虑水劣化效应的土石混合体边坡稳定性分析。
需要说明的是，上述不同公式中，同一参数符号代表相同含义。
仍以西南典型场地的土石混合体边坡为例，利用大型三轴试验设备开展不同含水量的土石混合体试验，将考虑水劣化效应的抗剪强度参数计算值与大型设备试验值对比后如图4、图5所示，可见计算值与实验值吻合较好，证明该考虑水劣化效应的抗剪强度参数计算公式具有一定精度。
上述措施针对降雨过程中土石混合体出现的遇水劣化现象，考虑了内部土体和块石在含水率增加过程中的劣化程度及各自所提供的抗剪强度存在的差异性，给出了含水率增加过程中土石混合体抗剪强度参数劣化计算公式。
以地质调查和物性试验获得的土石混合体内部组分的物理力学参数 (如含石量、天然含水率、细粒基质单轴抗压强度等)为基础，首先计算土石混合体的单轴抗压强度，再采用提出的土石混合体非线性强度准则计算给定含石量条件下的抗剪强度参数，最后结合降雨过程中含水率的变化获得遇水软化后的抗剪强度参数。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种边坡土石混合体抗剪强度力学参数的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：通过室内及现场试验获得边坡内部土石混合体的基本物性指标；
步骤2：借助室内单轴压缩试验获取组成土石混合体的基质土的单轴抗压强度；利用下式得到不同体积含石量土石混合体的单轴抗压强度值：
Figure FDA0003502279130000011
其中，UCSm和UCSSRM分别为基质土和土石混合体的单轴抗压强度；η为块石体积与试样体积比值；特征参数A对土体和块石之间接触面强度进行描述，通过土体单轴抗压强度值和块石内摩擦角进行确定；
步骤3：基于提出的土石混合体非线性强度准则方程，计算方程中的待定参数；所述步骤3中采用的土石混合体非线性强度准则方程，其表达式为：
τSRM＝A*UCSSRM(σ/UCSSRM-T)n (2)
式中：τSRM、σ分别为土石混合体的抗剪强度和正应力；A、T和n均为与含石量相关的待定常数；UCSSRM为土石混合体的单轴抗压强度，采用如下表达式计算方程中的待定常数：
Figure FDA0003502279130000012
Figure FDA0003502279130000013
mRi＝25exp(0.25-γ) (5)
Figure FDA0003502279130000021
G＝30.45ln(100γ)-44.19 (7)
Figure FDA0003502279130000022
Figure FDA0003502279130000023
式中，mRb与SR均为土石混合体的材料参数；mRi为经验参数；γ为块石质量比，其数值上等于块石质量与试样总质量的比值；G为土石混合体材料的地质参数；
步骤4：利用非线性强度准则反算土石混合体的内摩擦角与黏聚力；
步骤5：考虑含水率变化对土石混合体抗剪强度参数的劣化效应，采用修正公式计算劣化后的内摩擦角与黏聚力。
2.根据权利要求1所述的边坡土石混合体抗剪强度力学参数的计算方法，其特征在于：所述基本物性指标包括天然含水率、密度、块含石量、土体和块石组分、块石形状因子及棱角性。
3.根据权利要求2所述的边坡土石混合体抗剪强度力学参数的计算方法，其特征在于：所述块石含量通过室内筛分试验获得土石混合体级配粒径分布曲线，确定土石阈值得到。
4.根据权利要求2所述的边坡土石混合体抗剪强度力学参数的计算方法，其特征在于：所述土体和块石组分、块石形状因子及棱角性通过地质调查和物性试验获得。
5.根据权利要求2所述的边坡土石混合体抗剪强度力学参数的计算方法，其特征在于：所述天然含水率利用室内或现场含水率试验得到。
6.根据权利要求1所述的边坡土石混合体抗剪强度力学参数的计算方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：基于获得的土石混合体抗剪强度，采用瞬时等效M-C强度准则的参数计算方法，即以非线性强度曲线上某点的切线方程作为M-C准则的表达式，在给定正应力σn的条件下即可获得对应点瞬时等效内摩擦角
Figure FDA0003502279130000031
和黏聚力ci，计算公式如下：
Figure FDA0003502279130000032
Figure FDA0003502279130000033
式中τSRM为 土石混合体的抗剪强度，A、T和n均为与含石量相关的待定常数，UCSSRM为土石混合体的单轴抗压强度。
7.根据权利要求1所述的边坡土石混合体抗剪强度力学参数的计算方法，其特征在于，所述步骤5包括如下步骤：
步骤5.1：利用室内或现场含水率测定实验获得土石混合体天然含水率ω0；
步骤5.2：获得天然含水率条件下土石混合体的黏聚力c0和内摩擦角
Figure FDA0003502279130000036
步骤5.3：确定现时含水率ωc，通过数值模拟对降雨入渗过程中土石混合体的含水率进行实时监控，或针对室内实验室设定的含水率；
步骤5.4：将现时含水率与天然含水率的比值a带入参数劣化公式中，从而获得现时含水率条件下土石混合体的抗剪强度劣化后的内摩擦角与黏聚力；
Figure FDA0003502279130000034
Figure FDA0003502279130000035
式中，
Figure FDA0003502279130000041
与c′分别为劣化后的内摩擦角与黏聚力；
Figure FDA0003502279130000042
与c0分别为天然含水率条件下的内摩擦角与黏聚力；a为含水率比值，等于当前含水率与天然含水率的比值，γ为块石质量比，e为自然常数。
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