CN113111534B - 一种基于土水特征曲线评估土体结构损伤的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例提供了一种基于土水特征曲线评估土体结构损伤的方法，涉及土体评估技术领域。该方法包括：获取土体的土水特征曲线和基本物理参数；根据土水特征曲线和基本物理参数，预测土体结构的结构参数；根据结构参数和预设的等级划分规则，得出土体结构的损伤等级；利用分析试验对损伤等级进行反向验证。该方法能够通过土水特征曲线反演土体内部微结构的变化，能够避免多试样的多次扰动，且测试结果具有一定的连续性，反映的结果更加准确；还可以利用获得的结果建立系统的评价体系及评价标准，将土体的微结构评估实现定量化，为岩土力学性质测试及理论模型构建提供重要参数。
Description
技术领域
本发明涉及土体评估技术领域，具体而言，涉及一种基于土水特征曲线评估土体结构损伤的方法。
背景技术
不同荷载作用及多种荷载耦合作用会对非饱和土体结构产生不同的影响，测试土体结构变化的方法主要是通过土体微结构的直接测试进行分析，例如通过扫描电镜试验、压汞试验、CT扫描试验、核磁技术等检测土体微结构发生的变化，但上述技术的测试均只能够对土体某一阶段或者某一种状态下的微结构进行测试，而实际的工程中岩土体的结构往往处于动态演化过程，如果将土体所有状态的微结构都进行室内测试，成本极为昂贵，尤其是CT扫描试验和核磁测试分析成本本身就很高，此外，岩土工程中部分区段或者点位无法进行连续性取样，样品获取途径受限，且对于部分岩土体直接从原位取出后产生了卸荷，卸荷引起土体内部结构调整达到新的平衡状态，即也引起土体结构变化。
因此，设计一种无损地、能够连续测试岩土工程中土体微结构演化的技术方法，这是目前急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的包括提供一种基于土水特征曲线评估土体结构损伤的方法，其能够无损地、连续地测试岩土工程中土体结构的演化，测试精度较高，并得到损伤等级，为土体的力学性质研究奠定基础。
本发明的实施例可以这样实现：
第一方面，本发明提供一种基于土水特征曲线评估土体结构损伤的方法，方法包括：
获取土体的土水特征曲线和基本物理参数；
根据土水特征曲线和基本物理参数，预测土体结构的结构参数；
根据结构参数和预设的等级划分规则，得出土体结构的损伤等级；
利用分析试验对损伤等级进行反向验证。
在可选的实施方式中，获取土体的土水特征曲线和基本物理参数的步骤包括：
采用轴平移方法、张力计法、湿度控制法或滤纸法测试土体结构，获得土水特征曲线。
在可选的实施方式中，基本物理参数包括土体密度、含水量、孔隙比、比重和界限含水率。
在可选的实施方式中，结构参数包括比表面积、孔隙分布参数、颗粒分布参数、透气性参数、收缩性参数和非饱和渗透性参数。
在可选的实施方式中，根据土水特征曲线和基本物理参数，预测土体结构的结构参数的步骤包括：
根据土水特征曲线和基本物理参数，并结合土壤转换函数预测得出土体结构的比表面积。
在可选的实施方式中，根据土水特征曲线和基本物理参数，并结合土壤转换函数预测得出土体结构的比表面积的步骤包括：
获取土水特征曲线中的基质吸力和含水率以及基本物理参数中的土体密度和比重；
设定基质吸力、含水率、土体密度和比重为变量，基于幂函数和指数函数及二者的组合函数获得比表面积。
在可选的实施方式中，根据土水特征曲线和基本物理参数，预测土体结构的结构参数的步骤包括：
根据土水特征曲线和基本物理参数，并结合VG模型或FX模型预测得出土体结构的孔隙分布参数。
在可选的实施方式中，根据土水特征曲线和基本物理参数，预测土体结构的结构参数的步骤包括：
根据土水特征曲线和基本物理参数，并结合VG模型或FX模型预测得出土体结构的颗粒分布参数。
在可选的实施方式中，等级划分规则包括损伤程度依次增大的一级损伤、二级损伤、三级损伤和四级损伤。
在可选的实施方式中，利用分析试验对损伤等级进行反向验证的步骤包括：
利用扫描电镜试验、压汞试验、CT扫描试验或核磁检测试验对土体结构的损伤等级进行反向验证。
本发明实施例提供的基于土水特征曲线评估土体结构损伤的方法的有益效果包括：
1.该方法能够通过土水特征曲线反演土体内部微结构的变化，能够避免多试样的多次扰动，且测试结果具有一定的连续性，反映的结果更加准确；
2.该方法能够准确记录土体微结构的变化，基质吸力与土体内部吸附水、孔隙孔径、气水接触面等因素的变化必将引起基质吸力变化，进而可以通过土水特征曲线反映土体微结构变化，测试精度较高；
3.该方法通过土水特征曲线结果反演土体微结构的变化，可以利用获得的结果建立系统的评价体系及评价标准，将土体的微结构评估实现定量化，为岩土力学性质测试及理论模型构建提供重要参数。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的基于土水特征曲线评估土体结构损伤的方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
现有的测试土体结构的方法只能够对土体某一阶段或者某一种状态下的微结构进行测试，而实际的工程中岩土体的结构往往处于动态演化过程，如果将土体所有状态的微结构都进行室内测试，成本极为昂贵，此外，岩土工程中部分区段或者点位无法进行连续性取样，样品获取途径受限，且对于部分岩土体直接从原位取出后产生了卸荷，卸荷引起土体内部结构调整达到新的平衡状态，即也引起土体结构变化。
可见，现有的测试方法至少存在以下缺点：
1.扫描电镜试验和压汞试验在进行试验前均需对试样进行干燥处理，处理过程中试样的结构会发生变化，致使后期测试结果出现不准确性；
2.CT扫描试验和核磁技术的测试成本相对较高，目前国内少数单位将试样加载与CT扫描试验及核磁技术相结合，但测试样品的尺寸有限，对于岩土工程某个场地工程性质的反映有一定的局限性；
3.上述四种技术的测试中，均是对试样某个状态的微结构进行测试，对于试样结构的变化无法系统反映，且频繁取样制样对试样产生了多次扰动，无法反映真实情况；
4.现有技术中使用弯曲元、声波测试等技术方法对岩土体的结构变化进行测试分析，该技术方法中主要问题是测试精度有限，试样内部微观结构变化在外部荷载较小时往往变化较小，这种变化在弯曲元及声波测试技术中往往无法反映，致使测试结果出现较大误差，甚至出现错误的测试结果。
综上，当前的研究中缺乏一种连续性测试土体微结构变化的方法，已有方法测试土体结构变化时均需进行现场取样，样品采取中卸荷本身引起土体结构变化是当前技术中不可避免的。
本实施例提供一种基于土水特征曲线评估土体结构损伤的方法，其能够解决上述问题，能够无损地、连续地测试岩土工程中土体结构的演化，测试精度较高，并得到损伤等级，为土体的力学性质研究奠定基础。
请参阅图1，本实施例提供的一种基于土水特征曲线评估土体结构损伤的方法包括以下步骤：
S1：获取土体的土水特征曲线和基本物理参数。
土水特征曲线是描述非饱和土物理力学性质的重要函数关系之一，其定义为土体含水量或饱和度与基质吸力之间的关系。土水特征曲线的预测方法中主要利用颗粒分布曲线、孔隙分布曲线、土体基本性质结合土壤转换函数等方法进行预测。而土水特征曲线的应用主要包括利用土水特征曲线预测土样的收缩性、利用土水特征曲线描述土体的透气性、利用土水特征曲线进行非饱和土抗剪强度和渗透系数的预测、利用土水特征曲线进行地基土弹性模量的预测、土壤侵蚀和非饱和土中污染物运移预测等方面的研究，研究中发现土水特征曲线与土体的孔隙结构、颗粒组成、盐分含量、有机质含量、饱和度、土体密度等因素具有密切的联系，即土体内部结构及物质成分的变化都会在土水特征曲线中有所反应。土体承受外部荷载的作用后，土体内部结构会发生显著变化，这种变化会引起非饱和土的土水特征曲线发生变化。
土水特征曲线的测试方法有多种选择，例如轴平移方法、张力计法、湿度控制法、滤纸法等，也可以利用土体结构的基本物理参数进行土水特征曲线的预测，例如通过土体的孔径分布曲线进行预测、采用土体颗粒分布曲线进行预测、基于土的基本性质通过土壤转换函数进行预测。也可以通过土体的土水特征曲线拟合模型(包括vG模型和FX模型等)进行土水特征曲线预测。
本实施例中，采用轴平移方法、张力计法、湿度控制法或滤纸法测试土体结构，获得土水特征曲线。具体的，首先根据岩土工程场地的基本情况，选择适当的方式进行土水特征曲线的测试，轴平移方法可以进行室内批量测试，而张力计法可以直接从现场进行基质吸力测试，获得土水特征曲线，测试方法的多样化使得土水特征曲线的代表性增强，反映场地微结构损伤效应的效果更好。
S2：根据土水特征曲线和基本物理参数，预测土体结构的结构参数。
其中，基本物理参数包括土体密度、含水量、孔隙比、比重、界限含水率等。
结构参数包括比表面积、孔隙分布参数、颗粒分布参数、透气性参数、收缩性参数、非饱和渗透性参数等。
土体结构的比表面积可以根据土水特征曲线和基本物理参数，并结合土壤转换函数预测得出。其中，土壤转换函数的核心是利用已知的土水特征曲线中的参数和基本物理参数，获得未知的土体结构的结构参数。
具体的，首先，获取土水特征曲线中的基质吸力和含水率以及基本物理参数中的土体密度和比重；其次，设定基质吸力、含水率、土体密度和比重为变量，基于幂函数和指数函数及二者的组合函数获得比表面积。
土体结构的孔隙分布参数可以根据土水特征曲线和基本物理参数，并结合VG模型或FX模型预测得出。具体的，利用土水特征曲线中的基质吸力和含水率，结合基本物理参数中的土体密度和比重对土体结构的孔隙分布参数进行预测。
土体结构的颗粒分布参数可以根据土水特征曲线和基本物理参数，并结合VG模型或FX模型预测得出。具体的，利用土水特征曲线中的基质吸力和含水率，结合基本物理参数中的土体密度和比重对土体结构的颗粒分布参数进行预测。
土体结构的透气性参数、收缩性参数、非饱和渗透性参数的预测，具体的，利用利用土水特征曲线中的基质吸力和含水率，结合基本物理参数中的土体密度、比重和界限含水率，并基于复合函数对土体结构的透气性参数、收缩性参数和非饱和渗透性参数进行预测。
利用获得的土水特征曲线，结合场地岩土体的基本物理参数、VG模型或FX模型进行土体孔径分布曲线、颗粒分布曲线、比表面积等数据的预测，利用获得的结构参数进行微结构损伤程度的分析。具体实施中，将土水特征曲线参数以及土体结构的基本物理参数导入程序中进行自动化分析存储。
S3：根据结构参数和预设的等级划分规则，得出土体结构的损伤等级。
其中，等级划分规则包括损伤程度依次增大的一级损伤、二级损伤、三级损伤和四级损伤。
结构损伤后的岩土体与未产生结构损伤的岩土体相比，二者产生的土水特征曲线是不相同的，即对应的基质吸力截然不同，基质吸力不同反映岩土体结构发生了变化，此时可以对同一种土体经历不同结构损伤后的情况进行判定，基质吸力的变化就是结构性变化的有力佐证，可以进行损伤等级划分，此时可以根据不同损伤情况下的基质吸力，结合密度、孔隙比等指标进行损伤等级划分，可以定义F为结构损伤指标，F为基质吸力、密度、孔隙比的函数。
获得结构参数后，将参数进行分类汇总，在此基础上结合预先设定的等级划分规则进行等级划分，给出岩土体微结构损伤的定量化评估结果，为构建考虑结构损伤的土体结构模型的建立奠定基础。软件可基于概率方法进行孔径分布的随即预测，得到损伤后微结构变化情况。
S4：利用分析试验对损伤等级进行反向验证。
反向验证主要对结构损伤的具体情况进行评估，例如F为一级损伤，表明土体内部的结构损伤较轻，此时土体内部可能产生微裂隙、颗粒发生轻微移动；如果F为二级损伤，表明土体内部结构发生了一定变化，裂隙的长度和宽度较大，部分区域出现了局部贯通，孔隙结构发生了破坏；如果F为三级损伤，则土体内部微结构产生较大变化，颗粒移动明显，孔隙结构发生了明显破坏，土体中原生结构被明显破坏；如果F为四级损伤，则土体内部微结构产生巨大变化，颗粒移动较大，大孔隙结构被破坏转变为中小孔隙，土体中原生结构被破坏严重，孔隙连通性变差等。
反向验证主要通过扫描电镜试验、压汞试验、CT扫描试验或核磁检测试验等实现孔隙结构及颗粒接触方式等方面的定量化测试，能够为土体结构损伤提供有力佐证。
本实施例利用上述理论基础进行反向预测，通过土体的土水特征曲线进行土的基本性质、孔隙分布、比表面积等的预测，进而得到土体内部微结构变化方面的基本信息，用未扰动岩土体的土体结构参数与扰动后的土体微结构参数进行反复对比分析，即可获得扰动后岩土体微结构参数的变化情况，进而建立微结构的评估体系。
在实际应用中，根据岩土工程拟建工程场地的现场条件，选用合适的方法，进行土水特征曲线的测试，考虑温度、上覆荷载、pH值以及工程构筑物后期运营等方面的影响，选用张力计法直接测量、室内测试或者现场与室内相结合的方法进行土水特征曲线测试，利用获得的土水特征曲线结合土的基本物理参数进行土体结构的结构参数预测，获得孔径分布函数、比表面积和颗粒分布参数等数据，建立土体微结构评估体系，对土体微结构变化分为四个等级：严重损伤、损伤、扰动、轻微扰动，这四个等级分别对应为四级损伤、三级损伤、二级损伤和一级损伤。将四个等级分别与土体的孔径分布、比表面积及颗粒分布等数据建立联系，通过对应的指标进行定量化判别。该方法中考虑了温度、压力、后期构筑物运营等因素对土水特征曲线的影响，即上述因素对土体微结构变化的影响，得到的土体微结构评估结果能够更加真实客观的反映土体结构的扰动情况，当前微结构测试方法中的扫描电镜试验、压汞试验、CT扫描试验或核磁检测试验等无法考虑温度、压力、pH及后期构筑物运营中对土体微结构的影响。
本实施例提供的方法可以通过反复验证后基于计算机编程方法进行程序化操作，即将获得的岩土试样的土水特征曲线直接导入分析模块中，同时输入岩土体的基本物理参数，点击“测试分析”后，软件能够显示土体的孔径分布曲线、颗粒分布曲线、比表面积等基本数据，该软件还具有一项典型的优势，即可通过软件中的“工况加载”选项进行测试条件的改变，引起土水特征曲线变化，显示变化后的微结构基本参数。此外，通过软件能够将土水特征曲线进行分解，反演土水特征曲线的变化过程，进而将这种变化过程在土体微结构中体现出来，获得土体微结构变化前、变化中和变化后的评估结果。因此，借助该方法可以获取岩土体任何阶段及瞬态的微结构状态，服务岩土工程设计、施工及后期运维。
本实施例提供的基于土水特征曲线评估土体结构损伤的方法的有益效果包括：
1.该方法能够通过土水特征曲线反演土体内部微结构的变化，能够避免多试样的多次扰动，且测试结果具有一定的连续性，反映的结果更加准确；
2.该方法能够准确记录土体微结构的变化，基质吸力与土体内部吸附水、孔隙孔径、气水接触面等因素的变化必将引起基质吸力变化，进而可以通过土水特征曲线反映土体微结构变化，测试精度较高；
3.基于土水特征曲线建立的土体微结构损伤效果评估体系能够在不损坏试样的前提下进行土体微结构损伤结果的评估，现有测试土体微结构的方法中要求的试样的样品的尺寸均较小，而本实施例提供的方法由于测试土水特征曲线的方法不同，试样的尺寸相对不受限，甚至可以是岩土工程中某拟建场地一定范围内的土水特征曲线的平均值，结果更加具有代表性，突破了传统技术方法的测试微结构的局限性；
4.该方法通过土水特征曲线结果反演土体微结构的变化，不仅能够反映土体微结构任何一个瞬态的损伤特征，还能够根据土体结构的损伤情况对其进行等级划分，将等级指标带入土体力学性质分析中，能够将微结构的损伤情况以定量化指标的形式在土体本构模型中得以体现，具有典型的先进性，突破了传统方法中以定性分析为主，半定量化分析的模式。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种基于土水特征曲线评估土体结构损伤的方法，其特征在于，所述方法包括：
获取土体的土水特征曲线和基本物理参数；
根据所述土水特征曲线和所述基本物理参数，预测所述土体结构的结构参数，包括根据所述土水特征曲线和所述基本物理参数，并结合土壤转换函数预测得出所述土体结构的比表面积；根据所述土水特征曲线和所述基本物理参数，并结合VG模型或FX模型预测得出所述土体结构的孔隙分布参数和颗粒分布参数；利用所述土水特征曲线中的基质吸力和含水率，结合所述基本物理参数中的土体密度、比重和界限含水率，并基于复合函数预测得出所述土体结构的透气性参数、收缩性参数和非饱和渗透性参数；
根据所述结构参数和预设的等级划分规则，得出所述土体结构的损伤等级，包括：根据不同损伤情况下的基质吸力，结合密度、孔隙比进行损伤等级划分，定义F为结构损伤指标，F为基质吸力、密度、孔隙比的函数；获得所述结构参数后，将参数进行分类汇总，在此基础上结合预先设定的等级划分规则进行等级划分，给出岩土体微结构损伤的定量化评估结果；其中，所述等级划分规则包括损伤程度依次增大的一级损伤、二级损伤、三级损伤和四级损伤；
利用分析试验对所述损伤等级进行反向验证，包括利用扫描电镜试验、压汞试验、CT扫描试验或核磁检测试验对所述土体结构的所述损伤等级进行反向验证。
2.根据权利要求1所述的基于土水特征曲线评估土体结构损伤的方法，其特征在于，所述获取土体的土水特征曲线和基本物理参数的步骤包括：
采用轴平移方法、张力计法、湿度控制法或滤纸法测试所述土体结构，获得所述土水特征曲线。
3.根据权利要求1所述的基于土水特征曲线评估土体结构损伤的方法，其特征在于，所述根据所述土水特征曲线和所述基本物理参数，并结合土壤转换函数预测得出所述土体结构的比表面积的步骤包括：
获取所述土水特征曲线中的基质吸力和含水率以及所述基本物理参数中的土体密度和比重；
设定所述基质吸力、所述含水率、所述土体密度和所述比重为变量，基于幂函数、指数函数及二者的组合函数获得所述比表面积。
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