CN114018727B - 一种大变形全过程滑带土抗剪强度确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩土力学技术领域，公开了一种大变形全过程滑带土抗剪强度确定方法，于不同法向应力下进行环剪试验，得到滑带土的多组剪应力‑剪位移数据；根据试验数据计算不同法向应力下的滑带土本构模型参数，并建立本构模型参数与法向应力之间定量关系；建立抗剪切强度与位移的定量关系，获取滑带土不同法向应力下的动态剪切强度。本发明提供了一种大变形全过程滑带土抗剪强度确定方法，可以获得不同法向应力下滑带土大变形过程中任意位移量下的滑带土抗剪强度，克服了传统方法只能获取峰值强度或残余强度的弊端，为滑坡滑移过程中稳定性动态评价以及滑坡设计推力动态评价提供了理论依据。

Description

一种大变形全过程滑带土抗剪强度确定方法

技术领域

本发明属于岩土力学技术领域，尤其涉及一种大变形全过程滑带土抗剪强度确定方法。

背景技术

目前，获取合理的滑带土抗剪强度参数是滑坡稳定性评价的重要基础。常见的土体抗剪强度参数有峰值抗剪强度、残余抗剪强度。但这些参数都只反映了滑带变形特定状态下的抗剪强度，未能反映滑带土大变形全过程的抗剪强度变化。滑坡滑移过程中滑带土发生剪切变形，到破坏时经历了多个变形阶段特别是应变软化阶段。与此对应，滑带土的抗剪强度也是动态变化的，传统方法基于剪切试验只能获取滑带土峰值抗剪强度与残余强度，而难以获取到滑带土剪切大变形全过程中不同剪切位移下的抗剪强度。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：传统方法基于剪切试验只能获取只能获得特定状态(如峰值状态与残余状态)下的滑带土抗剪强度的弊端，难以获取到滑带土剪切大变形全过程中不同剪切位移下的抗剪强度。

解决以上问题及缺陷的难度为：

没有能够定量描述剪切全过程的强度模型，无法有效得到不同法向应力下滑带土对应剪切变形位移的应力和强度。

解决以上问题及缺陷的意义为：

能够确定滑带土随位移变化的动态抗剪强度，有利于实现滑坡的稳定性动态评价。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种大变形全过程滑带土抗剪强度确定方法、系统、存储介质。

本发明是这样实现的，一种大变形全过程滑带土抗剪强度确定方法，包括：

步骤一，于不同法向应力下下进行环剪试验，得到滑带土的多组剪应力-剪位移数据；

步骤二，根据试验数据计算不同法向应力下的滑带土本构模型参数，并建立本构模型参数与法向应力之间定量关系；

步骤三，建立抗剪切强度与位移的定量关系，获取滑带土不同法向应力下的动态剪切强度。

进一步，所述于不同法向应力下下进行环剪试验，得到滑带土的多组剪应力-剪位移数据包括：

选择滑坡典型滑带位置，确定滑带土样所受真实法向围压σ_n，并取滑带土样进行室内环剪试验；确定滑坡的变形速率v₀；保持试验其他条件与真实滑带土条件相似，分别于0.25σ_n，0.5σ_n，0.75σ_n，σ_n法向应力条件下开展环剪试验，获取不同法向应力条件下的滑带土剪应力-剪切位移曲线。

进一步，所述根据试验数据计算不同法向应力下的滑带土本构模型参数之前还需进行：

根据环剪试验建立滑带土的剪切应变软化全过程本构模型，如下：

式中，K_s表示剪切刚度，u_y表示屈服位移，τ_r表示残余强度，u_p表示峰值位移，τ_p表示峰值强度；m、u₀表示参数。

进一步，所述根据试验数据计算不同法向应力下的滑带土本构模型参数包括：

根据下式计算不同法向应力下的滑带土本构模型参数：

进一步，所述建立本构模型参数与法向应力之间定量关系包括：

对参数K_s、u_y、u_p、τ_p和τ_r与法向应力之间的关系进行线性拟合，得到两者定量关系：

根据下式确定参数u₀和m随法向应力σ_n的定量关系：

进一步，所述建立抗剪切强度与位移的定量关系，获取滑带土不同法向应力下的动态剪切强度如下：

其中，τ_p表示滑带土峰值位移之前的抗剪强度为峰值剪应力。

进一步，所述大变形全过程滑带土抗剪强度确定方法还包括：

将计算不同法向应力下的滑带土本构模型参数代入本构模型即可得到滑带土应变软化模型曲线。

本发明的另一目的在于提供一种基于所述大变形全过程滑带土抗剪强度确定方法的剪切强度-剪切位移曲线确定方法包括：

于不同法向应力下下进行环剪试验，得到滑带土的多组剪应力-剪位移数据；根据试验数据计算不同法向应力下的滑带土本构模型参数，并建立本构模型参数与法向应力之间定量关系；根据本构模型试验参数与法向应力的线性关系式，在给定法向应力σ_n下，估算相应的参数K_s、u_y、u_p、τ_p和τ_r；

由参数K_s、u_y、u_p、τ_p和τ_r，得到给定的当前法向应力水平下的m和u₀；将所有计算参数代入剪切本构模型中，即可得到当前法向应力条件下的剪切应力-剪切位移曲线；当前法向应力条件下的剪切应力-剪切位移曲线修正为剪切强度-剪切位移曲线。

本发明的另一目的在于提供一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执所述大变形全过程滑带土抗剪强度确定方法，包括下列步骤：

步骤一，于不同法向应力下下进行环剪试验，得到滑带土的多组剪应力-剪位移数据；

步骤二，根据试验数据计算不同法向应力下的滑带土本构模型参数，并建立本构模型参数与法向应力之间定量关系；

步骤三，建立抗剪切强度与位移的定量关系，获取滑带土不同法向应力下的动态剪切强度。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述大变形全过程滑带土抗剪强度确定方法的大变形全过程滑带土抗剪强度确定系统。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

本发明提供了一种大变形全过程滑带土抗剪强度确定方法。可以获得不同法向应力下滑带土大变形过程中任意位移量下的滑带土抗剪强度，克服了传统方法只能获取峰值强度或残余强度的弊端，为滑坡滑移过程中稳定性动态评价以及滑坡设计推力动态评价提供了理论依据。

附图说明

图1是本发明实施例提供的大变形全过程滑带土抗剪强度确定方法流程图。

图2是本发明实施例提供的滑带土典型剪应力-剪切位移曲线示意图。

图3是本发明实施例提供的滑带土剪切强度-剪切位移关系曲线示意图。

图4是本发明实施例提供的环剪试验剪应力-剪切位移曲线示意图。

图5是本发明实施例提供的不同法向应力下黄土坡滑坡滑带土剪切本构模型曲线与试验结果对比示意图。

图6是本发明实施例提供的剪应力剪切位移曲线参数分析示意图。

图7是本发明实施例提供的任意法向应力下滑带土抗剪强度-剪切位移曲线模拟示意图。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种大变形全过程滑带土抗剪强度确定方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的大变形全过程滑带土抗剪强度确定方法包括：

S101，于不同法向应力下下进行环剪试验，得到滑带土的多组剪应力-剪位移数据；

S102，根据试验数据计算不同法向应力下的滑带土本构模型参数，并建立本构模型参数与法向应力之间定量关系；

S103，建立抗剪切强度与位移的定量关系，获取滑带土不同法向应力下的动态剪切强度。

本发明实施例提供的于不同法向应力下下进行环剪试验，得到滑带土的多组剪应力-剪位移数据包括：

选择滑坡典型滑带位置，确定滑带土样所受真实法向围压σ_n，并取滑带土样进行室内环剪试验；确定滑坡的变形速率v₀；保持试验其他条件与真实滑带土条件相似，分别于0.25σ_n，0.5σ_n，0.75σ_n，σ_n法向应力条件下开展环剪试验，获取不同法向应力条件下的滑带土剪应力-剪切位移曲线。

本发明实施例提供的根据试验数据计算不同法向应力下的滑带土本构模型参数之前还需进行：

根据环剪试验建立滑带土的剪切应变软化全过程本构模型，如下：

式中，K_s表示剪切刚度，u_y表示屈服位移，τ_r表示残余强度，u_p表示峰值位移，τ_p表示峰值强度；m、u₀表示参数。

本发明实施例提供的根据试验数据计算不同法向应力下的滑带土本构模型参数包括：

根据下式计算不同法向应力下的滑带土本构模型参数：

本发明实施例提供的建立本构模型参数与法向应力之间定量关系包括：

对参数K_s、u_y、u_p、τ_p和τ_r与法向应力之间的关系进行线性拟合，得到两者定量关系：

根据下式确定参数u₀和m随法向应力σ_n的定量关系：

本发明实施例提供的建立抗剪切强度与位移的定量关系，获取滑带土不同法向应力下的动态剪切强度如下：

其中，τ_p表示滑带土峰值位移之前的抗剪强度为峰值剪应力。

本发明实施例提供的大变形全过程滑带土抗剪强度确定方法还包括：

将计算不同法向应力下的滑带土本构模型参数代入本构模型即可得到滑带土应变软化模型曲线。

本发明实施例提供的剪切强度-剪切位移曲线确定方法包括：

于不同法向应力下下进行环剪试验，得到滑带土的多组剪应力-剪位移数据；根据试验数据计算不同法向应力下的滑带土本构模型参数，并建立本构模型参数与法向应力之间定量关系；根据本构模型参数与法向应力的线性关系式，在给定法向应力σ_n下，估算相应的参数K_s、u_y、u_p、τ_p和τ_r；

由参数K_s、u_y、u_p、τ_p和τ_r，得到给定的当前法向应力水平下的m和u₀；将所有计算参数代入剪切本构模型中，即可得到当前法向应力条件下的剪切应力-剪切位移曲线；当前法向应力条件下的剪切应力-剪切位移曲线修正为剪切强度-剪切位移曲线。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例1：

一种大变形全过程滑带土抗剪强度确定方法：

(1)设计不同法向应力下的环剪试验，得到滑带土的多组剪应力-剪位移数据。

选择滑坡典型滑带位置，确定滑带土样所受真实法向围压σ_n，并取滑带土样进行室内环剪试验；确定滑坡的变形速率v₀；保持试验其他条件与真实滑带土条件相似，分别设计四组不同法向应力0.25σ_n，0.5σ_n，0.75σ_n，σ_n条件下开展环剪试验，获取不同法向应力条件下的滑带土剪应力-剪切位移曲线。

(2)根据试验数据求解不同法向应力下的滑带土本构模型参数

根据环剪试验建立滑带土的剪切应变软化全过程本构模型，公式如下：

式中，剪切刚度K_s，屈服位移u_y，残余强度τ_r，峰值位移u_p和峰值强度τ_p可从环剪试验曲线获取(图2)，参数m、u₀可由下式得到：

将所得参数代入式(1)本构模型得到滑带土应变软化模型曲线。

(3)建立本构模型参数与法向应力之间定量关系

在环剪试验中，参数K_s、u_y、u_p、τ_p和τ_r随法向应力呈线性变化。对模型参数与法向应力之间的关系进行了线性拟合，可得两者定量关系：

进而根据式(2)确定参数u₀和m随法向应力σ_n的定量关系。

(4)建立抗剪切强度与位移的定量关系，获取滑带土不同法向应力下的动态剪切强度

上述本构模型定量地描述了滑移带土的剪应力与位移之间的关系。为了建立抗剪强度和位移之间的关系，有必要进一步修改这种关系。土的强度通常定义为抵抗剪切破坏的能力。根据这个定义，滑带土峰值位移之前的抗剪强度为峰值剪应力(τ_p)，峰值位移后的抗剪强度为对应位移处的剪应力。因此，在剪切变形过程中，剪切强度随剪切位移的演变可表示为(图3)：

在上一节中，利用该模型对滑带土的环剪试验进行了模拟。此外，对于任意正应力下的抗剪强度随位移演化的τ_s-u曲线，也可通过该模型进行模拟。详细步骤如下：

(1)根据步骤(3)中参数与法向应力的线性关系式，在给定法向应力σ_n下，估算相应的参数K_s、u_y、u_p、τ_p和τ_r；

(2)由参数K_s、u_y、u_p、τ_p和τ_r，得到给定的当前法向应力水平下的m和u₀；

(3)将所有计算参数代入剪切本构模型中，即可得到当前法向应力条件下的剪切应力-剪切位移曲线；

(4)当前法向应力条件下的剪切应力-剪切位移曲线修正为剪切强度-剪切位移曲线。

实施例2：

1.为了验证所提滑带土剪切强度动态确定方法，以一组黄土坡滑坡滑带土样为例开展环剪试验。首先确定滑带土样所受真实法向围压σ_n，并取土样，分别分别设计四组不同法向应力100kPa，200kPa，300kPa，400kPa条件下开展环剪试验。试验结果见图4。在环剪试验中，滑带土在100kPa、200kPa和300kPa的正应力下表现出应变软化特性，但在400kPa的正应力下则不表现出应变软化特性(图5)。滑带土的剪切本构模型是基于典型的应变软化特性提出的(图2)，因此，采用前三次试验的数据对模型进行验证。根据环剪试验结果，模型中使用的参数如表1所示。用该模型模拟的τ-u曲线与环剪试验结果进行比较如图5。

表1 黄土坡滑坡滑带土剪切本构模型参数

2.通过三组环剪试验结果进行对比验证，模型拟合结果较好，具有明确的指导意义。

3.在环剪试验中，土在不同的正应力条件下表现出不同的力学行为。相应地，参数K_s、u_y、u_p、τ_p和τ_r随法向应力而变化。对模型参数与法向应力之间的关系进行了线性拟合。参数与法向应力关系的拟合结果如图6所示。

4.将所验证剪切本构模型进行修正，可建立抗剪强度与位移的定量关系。根据上述步骤，绘制了黄土坡滑坡滑带土在150kPa、250kPa和350kPa下滑带土的抗剪强度-剪切位移τ_s-u曲线(图7)。如图7所示，随着法向应力的增加，剪切强度增大，抗剪强度从峰值强度到残余强度的衰减速率减小，相应地，从峰值强度衰减到残余强度需要的位移也增大。以上过程能在任意法向应力下较好地表现滑带土抗剪强度随变形的动态演化规律。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，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，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种大变形全过程滑带土抗剪强度确定方法，其特征在于，所述大变形全过程滑带土抗剪强度确定方法包括：

步骤一，于不同法向应力下进行环剪试验，得到滑带土的多组剪应力-剪位移数据；

步骤二，根据试验数据计算不同法向应力下的滑带土本构模型参数，并建立本构模型参数与法向应力之间定量关系；

步骤三，建立抗剪切强度与位移的定量关系，获取滑带土不同法向应力下的动态剪切强度；

所述根据试验数据计算不同法向应力下的滑带土本构模型参数之前还需进行：

根据环剪试验建立滑带土的剪切应变软化全过程本构模型，如下：

式中，K_s表示剪切刚度，u_y表示屈服位移，τ_r表示残余强度，u_p表示峰值位移，τ_p表示峰值强度；m、u₀表示参数；

所述根据试验数据计算不同法向应力下的滑带土本构模型参数包括：

根据下式计算不同法向应力下的滑带土本构模型参数：

所述建立本构模型参数与法向应力之间定量关系包括：

对参数K_s、u_y、u_p、τ_p和τ_r与法向应力之间的关系进行线性拟合，得到两者定量关系：

根据下式确定参数u₀和m随法向应力σ_n的定量关系：

所述建立抗剪切强度与位移的定量关系，获取滑带土不同法向应力下的动态剪切强度如下：

2.如权利要求1所述大变形全过程滑带土抗剪强度确定方法，其特征在于，所述于不同法向应力下进行环剪试验，得到滑带土的多组剪应力-剪位移数据包括：

选择滑坡典型滑带位置，确定滑带土样所受真实法向围压σ_n，并取滑带土样进行室内环剪试验；确定滑坡的变形速率v₀；保持试验其他条件与真实滑带土条件相似，分别于0.25σ_n，0.5σ_n，0.75σ_n，σ_n法向应力条件下开展环剪试验，获取不同法向应力条件下的滑带土剪应力-剪位移曲线。

3.如权利要求1所述大变形全过程滑带土抗剪强度确定方法，其特征在于，所述大变形全过程滑带土抗剪强度确定方法还包括：

将计算不同法向应力下的滑带土本构模型参数代入本构模型即可得到滑带土应变软化模型曲线。

4.一种基于如权利要求1-3任意一项所述大变形全过程滑带土抗剪强度确定方法的剪切强度-剪位移曲线确定方法，其特征在于，所述剪切强度-剪位移曲线确定方法包括：

于不同法向应力下进行环剪试验，得到滑带土的多组剪应力-剪位移数据；根据试验数据计算不同法向应力下的滑带土本构模型参数，并建立本构模型试验参数与正应力之间定量关系；根据本构模型试验参数与法向应力的线性关系式，在给定法向应力σ_n下，估算相应的参数K_s、u_y、u_p、τ_p和τ_r；

由参数K_s、u_y、u_p、τ_p和τ_r，得到给定的当前法向应力水平下的m和u₀；将所有计算参数代入剪切本构模型中，即可得到当前法向应力条件下的剪应力-剪位移曲线；当前法向应力条件下的剪应力-剪位移曲线修正为剪切强度-剪位移曲线。

5.一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执如权利要求1-3任意一项所述大变形全过程滑带土抗剪强度确定方法，包括下列步骤：

步骤一，于不同法向应力下进行环剪试验，得到滑带土的多组剪应力-剪位移数据；

步骤二，根据试验数据计算不同法向应力下的滑带土本构模型参数，并建立本构模型参数与法向应力之间定量关系；

步骤三，建立抗剪切强度与位移的定量关系，获取滑带土不同法向应力下的动态剪切强度。

6.一种实施如权利要求1-3任意一项所述大变形全过程滑带土抗剪强度确定方法的大变形全过程滑带土抗剪强度确定系统。