CN114113539A - 一种考虑含水率的碎石土切线变形模量的确定方法 - Google Patents

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CN114113539A CN202111264870.6A CN202111264870A CN114113539A CN 114113539 A CN114113539 A CN 114113539A CN 202111264870 A CN202111264870 A CN 202111264870A CN 114113539 A CN114113539 A CN 114113539A
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付晓东
盛谦
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Jianghan University
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Abstract

本发明公开了一种考虑含水率的碎石土切线变形模量的确定方法，包括：配制若干组不同含水状态的碎石土试样，并测定各组碎石土含水率ω；确定每组含水率碎石土的粘聚力c和内摩擦角
Figure DDA0003326503620000011
确定不同含水率的各组碎石土试样的材料常数K、n和破坏比Rf；通过数据拟合确定c、
Figure DDA0003326503620000012
K、n、Rf与含水率ω的函数关系式和系数，如果有参数与含水率无明显关系，则该参数取不同含水率的各组碎石土试样的参数平均值；计算求得某一含水率条件下的碎石土切线变形模量；相较于现有的方法，能节省人力、物力和财力，较适用于受环境水影响的建筑、交通、水利等岩土工程与防灾减灾技术领域的碎石土地层稳定性分析和工程设计。

Description

一种考虑含水率的碎石土切线变形模量的确定方法
技术领域
本发明属于建筑、交通、水利等岩土工程与防灾减灾技术领域，具体涉及一种考虑含水率的碎石土切线变形模量的确定方法。
背景技术
碎石土是第四系形成的一种成因多样、结构无序、组分复杂、土石混杂的特殊岩土体，由于坡残积堆积、冲洪堆积、崩塌滑坡堆积等地质成因，碎石土广泛分布于河谷岸坡地带。河谷岸坡碎石土地层受降雨、库水位升降等环境扰动强烈，导致地质灾害频发，对水利、桥梁等重大工程和人民生命财产安全造成了巨大威胁。因此，探明碎石土受含水状态影响的力学性质变化规律具有重要的科学意义和工程价值。
切线变形模量作为反映某一应力状态下材料变形特征的主要参数，准确定量化求解意义重大，目前某一含水率条件下的碎石土切线变形模量主要通过配制相应含水率试样并开展大型三轴试验确定，需要耗费大量的时间和财力，因此，亟需发展一套简洁快速的考虑含水率的碎石土切线变形模量理论确定方法，为碎石土受含水状态影响的变形规律、碎石土边坡受降雨、库水位升降等环境扰动下防灾减灾和工程设计提供本构模型和参数。
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考虑含水率的碎石土切线变形模量的确定方法，便于科研人员或工程师快速分析碎石土在不同含水状态下的力学行为，指导受环境水影响的碎石土工程设计。
为了实现上述目的，本发明涉及一种考虑含水率的碎石土切线变形模量的确定方法，包括如下步骤：
步骤1：配制多组不同含水状态的碎石土试样，并测定各组碎石土含水率ω；
步骤2：基于摩尔库伦强度准则，确定步骤1中不同含水率的各组碎石土试样的粘聚力c和内摩擦角
Figure BDA0003326503600000021
步骤3：基于邓肯-张本构模型，确定步骤1中不同含水率的各组碎石土试样的材料常数K、n和破坏比Rf；
步骤4：基于步骤2确定的c、
Figure BDA0003326503600000022
和步骤3确定的K、n、Rf，通过数据拟合确定c、
Figure BDA0003326503600000023
K、n、Rf与含水率ω的函数关系式和系数，如果有参数与含水率无明显关系，则该参数取不同含水率的各组碎石土试样的通过步骤2或3得到的该参数的平均值
步骤5：基于邓肯-张模型切线变形模量公式和步骤4确定的函数关系，确定某一含水率条件下的碎石土切线变形模量。
进一步的，所述不同含水状态的碎石土试样的数量不少于4组。
进一步的，所述步骤2中碎石土c、
Figure BDA0003326503600000024
采用三轴试验方法确定。
进一步的，所述步骤3中碎石土材料常数K、n采用式(1)～(3)确定：
Figure BDA0003326503600000025
Figure BDA0003326503600000026
Figure BDA0003326503600000027
式中：ε1为轴向应变；σ1为轴向应力；σ3为围压；a、b为三轴试验拟合系数；Ei为初始切线模量；Pa为大气压。
进一步的，所述步骤3中碎石土的破坏比Rf采用式(4)～(6)确定：
Figure BDA0003326503600000031
Figure BDA0003326503600000032
Figure BDA0003326503600000033
式中：(σ1-σ3)ult为极限偏应力；(σ1-σ3)f为破坏偏应力。
进一步的，所述步骤4中通过试验数据拟合得到的c、
Figure BDA0003326503600000034
K、Rf与含水率ω的函数关系式分别为：
c＝a1ω+b1 (7)
Figure BDA0003326503600000035
Figure BDA0003326503600000036
Rf＝a4ω+b4 (10)
式中：a1、b1、a2、b2、a3、b3、a4、b4为函数系数，通过数据拟合得到。材料常数n与含水率无明显关系，视作独立材料常数，故取不同含水率试验的平均值作为碎石土材料常数n；
进一步的，所述步骤5中邓肯-张模型切线变形模量公式为：
Figure BDA0003326503600000037
式中：Et为切线变形模量；K为材料常数；n为碎石土与含水率无关的材料常数；Pa为大气压；σ1为轴向应力；σ3为围压。
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)本发明的一种考虑含水率的碎石土切线变形模量的确定方法，仅需通过三轴试验测得若干组不同含水率碎石土应力-应变曲线，确定相关材料常数和函数系数，即可计算获得某一含水率条件下的碎石土切线变形模量。相较于现有的通过重复开展试验获得某一含水率条件下碎石土切线变形模量的方法，该方法通过一次性的实验确定材料常数和相关系数后，便能基于模型直接求取某一含水率条件下的碎石土切线变形模量，能够大大节省人力、物力和财力。
(2)本发明考虑了含水状态对碎石土的力学性质，尤其是变形特征的影响，相较于现有的忽略环境水影响的分析方法，该方法合理反映了降雨、库水位升降作用下库岸边坡碎石土因内部含水率变化导致的力学性能劣化过程，较为适用于受环境水影响的建筑、交通、水利等岩土工程与防灾减灾技术领域的碎石土地层稳定性分析和工程设计。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的不同含水率碎石土试样图；
图2为本发明较佳实施例的本专利方法与试验结果对比图；
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。
一种考虑含水率的碎石土切线变形模量的确定方法，其步骤为：
步骤1：配制若干组(建议4组以上)不同含水状态的碎石土试样，并测定各组碎石土含水率ω；
步骤2：设置若干组围压，对步骤1中不同含水率的各组碎石土试样开展大型三轴试验，基于摩尔库伦强度准则，确定各组碎石土试样的粘聚力c和内摩擦角
Figure BDA0003326503600000051
步骤3：基于邓肯-张本构模型，确定步骤1中不同含水率的各组碎石土试样的材料常数K、n和破坏比Rf；
其中，确定碎石土材料常数K、Rf、n所采用的邓肯张本构模型为：
Figure BDA0003326503600000052
Figure BDA0003326503600000053
Figure BDA0003326503600000054
Figure BDA0003326503600000055
Figure BDA0003326503600000056
Figure BDA0003326503600000057
式中：ε1为轴向应变；σ1为轴向应力；σ3为围压；a、b为三轴试验拟合系数；Ei为初始切线模量；Pa为大气压；(σ1-σ3)ult为极限偏应力；(σ1-σ3)f为破坏偏应力。实施例所确定的不同含水率碎石土材料常数K、Rf、n见表2。
步骤4：基于步骤2确定的c、
Figure BDA0003326503600000058
和步骤3确定的K、n、Rf，通过数据拟合确定c、
Figure BDA0003326503600000059
K、n、Rf与含水率ω的函数关系式和系数，如果有参数与含水率无明显关系，则该参数取不同含水率的各组碎石土试样的通过步骤2或3得到的该参数的平均值；
其中，本专利方法提出的c、
Figure BDA0003326503600000061
K、Rf与含水率ω的函数关系分别为：
c＝a1ω+b1 (7)
Figure BDA0003326503600000062
Figure BDA0003326503600000063
Rf＝a4ω+b4 (10)
式中：a1、b1、a2、b2、a3、b3、a4、b4为函数系数，通过数据拟合得到；材料常数n与含水率无明显关系，视作独立材料常数，故取不同含水率试验的平均值作为碎石土材料常数n。
步骤5：基于邓肯-张模型切线变形模量公式和步骤4确定的函数关系，确定某一含水率条件下的碎石土切线变形模量。
其中，邓肯-张模型切线变形模量公式为：
Figure BDA0003326503600000064
式中：Et为切线变形模量。
计算对比实例
为对本专利方法计算可行性和准确度进行验证，下面通过实例对比了本专利方法计算结果和试验结果，试验碎石土取自我国西南地区金沙江流域某库岸边坡，制备4组含水率试样：4％、8％、12％、16％(见图1)，设置4组围压：200kPa、300kPa、400kPa、600kPa，具体试验方案见表1；每组含水率碎石土材料常数见表2；函数拟合系数和与含水率无关的材料常数n见表3，表3中n的数值与含水率无明显关系，所以取不同含水率条件下的平均值。
表1碎石土三轴试验方案
Figure BDA0003326503600000071
表2不同含水率碎石土材料常数
Figure BDA0003326503600000072
表3碎石土函数拟合系数与材料常数
Figure BDA0003326503600000073
本专利方法得到的不同含水率碎石土应力-应变曲线与试验结果对比如图2所示，结果表明：本专利方法获得的不同含水率碎石土应力-应变曲线与试验结果吻合较好，能准确反映某一含水率条件下的碎石土切线变形模量。
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)

1.一种考虑含水率的碎石土切线变形模量的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：配制多组不同含水状态的碎石土试样，并测定各组碎石土含水率ω；
步骤2：基于摩尔库伦强度准则，确定步骤1中不同含水率的各组碎石土试样的粘聚力c和内摩擦角
Figure FDA0003326503590000011
步骤3：基于邓肯-张本构模型，确定步骤1中不同含水率的各组碎石土试样的材料常数K、n和破坏比Rf；
步骤4：基于步骤2确定的c、
Figure FDA0003326503590000012
和步骤3确定的K、n、Rf，通过数据拟合确定c、
Figure FDA0003326503590000013
K、n、Rf与含水率ω的函数关系式和系数，如果有参数与含水率无明显关系，则该参数取不同含水率的各组碎石土试样的通过步骤2或3得到的该参数的平均值；
步骤5：基于邓肯-张模型切线变形模量公式和步骤4确定的函数关系，确定某一含水率条件下的碎石土切线变形模量。
2.根据权利要求1所述的考虑含水率的碎石土切线变形模量的确定方法，其特征在于：所述不同含水状态的碎石土试样的数量不少于4组。
3.根据权利要求1所述的考虑含水率的碎石土切线变形模量的确定方法，其特征在于：所述步骤2中碎石土c、
Figure FDA0003326503590000014
采用三轴试验方法确定。
4.根据权利要求1所述的考虑含水率的碎石土切线变形模量的确定方法，其特征在于：所述步骤3中碎石土材料常数K、n采用式(1)～(3)确定：
Figure FDA0003326503590000021
Figure FDA0003326503590000022
Figure FDA0003326503590000023
式中：ε1为轴向应变；σ1为轴向应力；σ3为围压；a、b为三轴试验拟合系数；Ei为初始切线模量；Pa为大气压。
5.根据权利要求1所述的考虑含水率的碎石土切线变形模量的确定方法，其特征在于：所述步骤3中碎石土的破坏比Rf采用式(4)～(6)确定：
Figure FDA0003326503590000024
Figure FDA0003326503590000025
Figure FDA0003326503590000026
式中：(σ1-σ3)ult为极限偏应力；(σ1-σ3)f为破坏偏应力。
6.根据权利要求1所述的考虑含水率的碎石土切线变形模量的确定方法，其特征在于：所述步骤4中通过试验数据拟合得到的c、
Figure FDA0003326503590000027
K、Rf与含水率ω的函数关系式分别为：
c＝a1ω+b1 (7)
Figure FDA0003326503590000028
Figure FDA0003326503590000029
Rf＝a4ω+b4 (10)
式中：a1、b1、a2、b2、a3、b3、a4、b4为函数系数，通过数据拟合得到；材料常数n与含水率无明显关系，视作独立材料常数，故取不同含水率试验的平均值作为碎石土材料常数n。
7.根据权利要求1-6任一权利要求所述的考虑含水率的碎石土切线变形模量的确定方法，其特征在于：所述步骤5中邓肯-张模型切线变形模量公式为：
Figure FDA0003326503590000031
式中：Et为切线变形模量；K为材料常数；n为碎石土与含水率无关的材料常数；Pa为大气压；σ1为轴向应力；σ3为围压。
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