CN115186513A - 一种块石填料长期剪应变的预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种块石填料长期剪应变的预测方法,属于土体蠕变分析领域。所述预测方法首先进行现场大型剪切蠕变试验,在块石填料施工现场,直接对含有大粒径块碎石的填料进行实验,在试验中对填料施加法向的竖向应力和切向的剪应力,模拟高填方内潜在滑裂面的实际受力状态,确定不同竖向应力和剪应力组合应力状态下的剪应变‑时间曲线;再根据剪应变‑时间曲线,分别求解不同应力条件下的非线性弹性单元剪切模量、修正牛顿单元粘滞系数、修正开尔文单元剪切模量和修正开尔文单元粘滞系数值,代入块石填料剪应变随时间发展的计算模型,预测对应的长期剪应变。本发明准确反映了应力状态对块石填料蠕变特性的影响,为地基长期工后沉降预测提供了指导。
Description
技术领域
本发明属于土体蠕变分析领域,具体涉及一种块石填料长期剪应变的预测方法。
背景技术
块石填方体被广泛应用于高填方工程建设和大坝工程中。块石填料填充于地基土体中,随着地基在长期载荷作用下发生沉降,具有复杂的随时间变形的特征。为了确保地基的安全性,需要对地基及块石填料的蠕变进行监测。
现有技术中,在实验室研究岩土材料的蠕变力学特性常采用三轴压缩蠕变,虽然操作相对简便,围压和竖向压力能够较为准确的控制,但是对于现场高填方块碎石填料,三轴压缩蠕变实验存在两个明显不足:第一,室内三轴实验仪尺寸一般不大,常规三轴仪的试样直径只有38mm~100mm,即使是大型三轴仪,试样直径只有300mm,所能测试的最大碎石颗粒尺寸被限制在50mm以内,这远远小于现场碎石颗粒的平均尺寸,不得不对现场填料级配进行大比例缩尺,因而不能正确反映现场块碎石填料的力学特性;第二,高填方内潜在滑裂面的受力状态是受到发法向的压应力和切向的剪应力作用,三轴压缩蠕变实验的受力状态无法正确反映真实的受力状态。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足,本发明旨在提供一种块石填料长期剪应变的预测方法,基于现场大型剪切蠕变试验,对块石填料长期剪应变进行计算,能够反映应力状态对块石填料蠕变特性的影响,为工程中块石填料地基长期工后沉降预测提供指导。
为了实现上述目的,本发明实施例采用如下技术方案:
一种块石填料长期剪应变的预测方法,包括如下步骤:
步骤S1,进行现场大型剪切蠕变试验,确定不同竖向应力σv和剪应力τ组合应力状态下的剪应变γ(t)-时间t曲线;
所述现场大型剪切蠕变试验,在块石填料施工现场进行,直接对含有大粒径块碎石的填料进行实验,在试验过程中对填料施加法向的竖向应力σv和切向的剪应力τ,模拟高填方内潜在滑裂面的实际受力状态;
步骤S2,根据γ(t)-时间t曲线,求解当前竖向应力σv条件下的第一求解公式的公式参数,将公式参数代入非线性弹性单元剪切模量的第一求解公式,求得当前竖向应力σv条件下非线性弹性单元剪切模量的以剪应力为自变量的函数;再对应不同的剪应力值,求解非线性弹性单元剪切模量值;
步骤S3,根据γ(t)-时间t曲线,求解当前应力状态(σv,τ)条件下的第二求解公式的公式参数,将公式参数代入修正牛顿单元粘滞系数的第二求解公式,计算出当前应力状态(σv,τ)条件下的修正牛顿单元粘滞系数值;
步骤S4,根据γ(t)-时间t曲线,求解当前应力状态(σv,τ)条件下的第三求解公式的公式参数,将公式参数代入修正开尔文单元剪切模量的第三求解公式,计算出当前应力状态(σv,τ)条件下的修正开尔文单元剪切模量值;
步骤S5,根据γ(t)-时间t曲线,求解当前应力状态(σv,τ)条件下的第四求解公式的公式参数,将公式参数代入修正开尔文单元粘滞系数的第四求解公式,计算得到当前应力状态(σv,τ)条件下的修正开尔文单元粘滞系数值;
步骤S6,基于现场大型剪切蠕变试验,构建以非线性弹性单元剪切模量、修正牛顿单元粘滞系数、修正开尔文单元剪切模量和修正开尔文单元粘滞系数为模型参数的块石填料剪应变随时间发展的计算模型;
步骤S7,对应于不同的应力状态(σv,τ)条件,分别将所计算的非线性弹性单元剪切模量、修正牛顿单元粘滞系数、修正开尔文单元剪切模量和修正开尔文单元粘滞系数的值,代入块石填料剪应变随时间发展的计算模型,预测出对应于每个应力状态(σv,τ)条件下的块石填料长期剪应变。
作为本发明的一个优选实施例,所述现场大型剪切蠕变试验满足以下要求:
现场大型试样边长不小于1米,高度不小于1米;
在每个试验中,首先施加竖向应力σv,进而匀速施加水平剪应力直至目标值τ,然后保持剪应力τ恒定,维持至少10天;
在试验过程中,在不同的时间t记录相应的剪应变γ(t);需要至少三个竖向应力σv;每个竖向应力σv下,需要至少三个剪应力τ;
对应每组应力状态(σv,τ),绘制γ(t)-t曲线。
作为本发明的一个优选实施例,步骤S2中求解公式参数,具体包括:
绘制不同竖向应力σv条件下的τ-γinstant曲线,根据非线性弹性单元剪切模量的第一求解公式与不同竖向应力σv条件下的τ-γinstant曲线进行拟合,求解当前竖向应力σv条件下的第一求解公式的公式参数。
作为本发明的一个优选实施例,步骤S3中求解公式参数,具体包括:
对于每组应力状态(σv,τ)条件下所得到的γ(t)-t曲线,测量γ(t)渐进线的倾角β,令ηN=τ/tanβ;对于不同应力状态(σv,τ)条件下得到的ηN值,绘制曲线,根据修正牛顿单元粘滞系数的第二求解公式与不同应力状态(σv,τ)条件下的曲线进行拟合,求解当前应力状态(σv,τ)条件下的第二求解公式的公式参数;
其中,tref设置为1小时,大气压pa取100kPa。
作为本发明的一个优选实施例,步骤S4中求解公式参数,具体包括:
对于每组应力状态(σv,τ)条件下所得到的γ(t)-t曲线,根据所求解的非线性弹性单元剪切模量、修正牛顿单元粘滞系数,绘制γK-t的曲线,当t→∞时,曲线趋近于水平,此时γK值趋近于得到当前应力状态(σv,τ)条件下修正开尔文单元剪切模量的值对于不同应力状态(σv,τ)条件下得到的GK值,绘制曲线,根据修正开尔文单元剪切模量的第三求解公式与不同应力状态(σv,τ)条件下的曲线进行拟合,拟合后的曲线斜率平均值作为当前应力状态(σv,τ)条件下的第三求解公式的第一公式参数,并将第一公式参数代入第三求解公式中;再绘制以曲线,根据修正开尔文单元剪切模量的第三求解公式与不同应力状态(σv,τ)条件下的曲线进行拟合,求得当前应力状态(σv,τ)条件下的第三求解公式的其余公式参数;
其中,τf为竖向应力σv对应的峰值剪应力,γK为非线性弹性单元剪切模量、修正牛顿单元粘滞系数修正后的剪应变。
作为本发明的一个优选实施例,步骤S5中求解公式参数,具体包括:
对于每组应力状态(σv,τ)条件下所得到的γ(t)-t曲线,绘制曲线,其拟合直线的斜率即为该应力状态(σv,τ)条件下的修正开尔文单元粘滞系数ηK;对于不同应力状态(σv,τ)条件下得到的ηK值,绘制曲线,根据修正开尔文单元粘滞系数的第四求解公式与不同应力状态(σv,τ)条件下的曲线进行拟合,求解当前应力状态(σv,τ)条件下的第四求解公式的公式参数。
本发明具有如下有益效果:
本发明实施例所提出的块石填料长期剪应变的预测方法,将现场条件与计算模型相结合,基于现场大型剪切蠕变试验,根据试验结果确定蠕变应变计算模型的四个参数,将模型与现场进行结合,从而准确反映应力状态对块石填料蠕变特性的影响,对地基长期工后沉降时块石填料的蠕变应变进行准确预测,为工程中块石填料地基长期工后沉降预测提供了指导。
当然,实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来说,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附图。
图1为本发明实施例所述块石填料长期剪应变的预测方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。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。在本发明的描述中,术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述,而不能理解为只是或暗示相对重要性。
针对现有技术中尚无法预测块石填料蠕变的问题,本发明实施例提供了一种块石填料长期剪应变的预测方法,基于现场大型剪切蠕变试验,构建了块石填料剪应变随时间发展的计算模型,所述计算模型涉及到的四个变量参数,包括:非线性弹性单元剪切模量、修正开尔文单元剪切模量、修正牛顿单元粘滞系数和修正开尔文单元粘滞系数,四个变量参数与竖向应力和剪应力相关,并通过现场大型剪切蠕变试验对竖向应力和剪应力的数据拟合过程来确定四个模型参数,从而准确反映应力状态对块石填料蠕变特性的影响。
参见图1,本发明实施例所提供的块石填料长期剪应变的预测方法,具体包括如下步骤:
步骤S1,基于现场大型剪切蠕变试验,构建块石填料剪应变随时间发展的计算模型,所述计算模型涉及到四个变量参数,包括:非线性弹性单元剪切模量、修正牛顿单元粘滞系数、修正开尔文单元剪切模量和修正开尔文单元粘滞系数。
本步骤中,所涉及到的四个变量参数,均有各自的计算公式,公式中涉及到通用的自变量及因变量。本实施例中,所述自变量取自现场大型剪切蠕变试验中所涉及到的竖向应力和剪应力,因变量对应每个模型参数。
步骤S1,进行现场大型剪切蠕变试验,确定不同竖向应力σv和剪应力τ组合应力状态下的剪应变γ(t)-时间t曲线。
本步骤中,所述的现场大型剪切蠕变试验,在块石填料施工现场进行,直接对含有大粒径块碎石的填料进行实验,不需要缩尺,从而正确反映现场块石填料的力学特性;在试验过程中对填料施加法向压应力和切向剪应力,模拟高填方内潜在滑裂面的实际受力状态,从而能够合理揭示出块石填料的蠕变特性及相关参数。与实验室中常用的直剪实验不同,传统土力学实验中的直剪实验中,直剪仪的上下盒是刚性的,在剪切过程中应变高度不均匀;而实验室中的单剪实验仪无法应用于现场进行大型实验。
为了真实反映现场块石填料级配,现场大型试样边长不小于1米,高度不小于1米。在每个试验中,首先施加竖向应力σv,进而匀速施加水平剪应力直至目标值τ,然后保持剪应力τ恒定,维持至少10天。在试验过程中,在不同的时间t记录相应的剪应变γ(t)。需要至少三个竖向应力σv;每个竖向应力σv下,需要至少三个剪应力τ。对应每组应力状态(σv,τ),绘制γ(t)-t曲线。
步骤S2,根据γ(t)-时间t曲线,绘制不同竖向应力σv条件下的τ-γinstant曲线,根据非线性弹性单元剪切模量的第一求解公式与不同竖向应力σv条件下的τ-γinstant曲线进行拟合,求解当前竖向应力σv条件下的第一求解公式的公式参数后,求得当前竖向应力σv条件下非线性弹性单元剪切模量的以剪应力为自变量的函数。
本步骤中,所述第一求解公式,是非线性弹性单元剪切模量G的计算公式,在本实施例中,G是竖向应力和剪应力的函数,其表达式如式(1)所示:
式(1)中,S为剪应力水平,S=τ/τf,τ为剪应力,τf为竖向应力σv对应的峰值剪应力;Rf=τf/τult,τult为τ-γinstant曲线的渐进值;pa为大气压;K1和m1为变形模量参数。其中的K1和m1即为所述第一求解公式(1)的公式参数,通过拟合计算得到两个公式参数的值。
步骤S3,根据γ(t)-时间t曲线,对于每组应力状态(σv,τ)条件下所得到的γ(t)-t曲线,测量γ(t)渐进线的倾角β,令ηN=τ/tanβ;对于不同应力状态(σv,τ)条件下得到的ηN值,绘制曲线,根据修正牛顿单元粘滞系数的第二求解公式与不同应力状态(σv,τ)条件下的曲线进行拟合,求解当前应力状态(σv,τ)条件下的第二求解公式的公式参数后,计算出当前应力状态(σv,τ)条件下的修正牛顿单元粘滞系数值。
其中,tref根据现场实际情况进行设置,例如设置为1小时;大气压pa取100kPa。
本步骤中,所述第二求解公式是修正牛顿单元粘滞系数ηN(σv)的计算公式,本实施例中,ηN(σv)是竖向应力的函数,其计算公式如式(2)所示:
式(2)中,tref设置为1小时;K2和m2为计算ηN(σv)而引进的参数。
步骤S4,根据γ(t)-时间t曲线,对于每组应力状态(σv,τ)条件下所得到的γ(t)-t曲线,根据所求解的非线性弹性单元剪切模量、修正牛顿单元粘滞系数,绘制γK-t的曲线,当t→∞时,曲线趋近于水平,此时γK值趋近于得到当前应力状态(σv,τ)条件下修正开尔文单元剪切模量的值对于不同应力状态(σv,τ)条件下得到的GK值,绘制曲线,根据修正开尔文单元剪切模量的第三求解公式与不同应力状态(σv,τ)条件下的曲线进行拟合,拟合后的曲线斜率平均值作为当前应力状态(σv,τ)条件下的第三求解公式的第一公式参数,并将第一公式参数代入第三求解公式中;再绘制以曲线,根据修正开尔文单元剪切模量的第三求解公式与不同应力状态(σv,τ)条件下的曲线进行拟合,求得当前应力状态(σv,τ)条件下的第三求解公式的其余公式参数,计算出当前应力状态(σv,τ)条件下的修正开尔文单元剪切模量。其中,τf为竖向应力σv对应的峰值剪应力,γK为非线性弹性单元剪切模量、修正牛顿单元粘滞系数修正后的剪应变。
本步骤中,所述第三求解公式是修正开尔文单元剪切模量GK(σv,τ)的计算公式,本实施例中,其计算公式如式(3)所示:
式(3)中,K3、m3和a为计算GK(σv,τ)而引进的参数。
步骤S5,根据γ(t)-时间t曲线,对于每组应力状态(σv,τ)条件下所得到的γ(t)-t曲线,绘制曲线,其拟合直线的斜率即为该应力状态(σv,τ)条件下的修正开尔文单元粘滞系数ηK;对于不同应力状态(σv,τ)条件下得到的ηK值,绘制曲线,根据修正开尔文单元粘滞系数的第四求解公式与不同应力状态(σv,τ)条件下的曲线进行拟合,求解当前应力状态(σv,τ)条件下的第四求解公式的公式参数后,计算得到当前应力状态(σv,τ)条件下的修正开尔文单元粘滞系数。
本步骤中,所述第四求解公式是修正开尔文单元粘滞系数ηK(σv)的计算公式,本实施例中,计算公式如公式(4)所示:
式(6)中,K4和m4为计算ηN(σv)而引进的参数。
步骤S6,基于现场大型剪切蠕变试验,构建用于块石填料长期剪应变的计算模型,所述计算模型涉及到四个变量参数,包括:非线性弹性单元剪切模量、修正牛顿单元粘滞系数、修正开尔文单元剪切模量和修正开尔文单元粘滞系数。
所述四个变量参数,均有各自的计算公式,公式中涉及到通用的自变量及因变量。本实施例中,所述自变量取自现场大型剪切蠕变试验中所涉及到的竖向应力和剪应力,因变量对应每个模型参数。
本步骤中,对应于上述第一求解公式、第二求解公式、第三求解公式及第四求解公式的具体表达式(1)-(4),块石填料剪应变随时间发展的计算模型如式(5)所示:
式(5)中,σv为竖向应力,τ为剪应力,t为蠕变时间,γ(t)为t时刻的蠕变应变。
步骤S7,对应于不同的应力状态(σv,τ)条件,分别将所计算的非线性弹性单元剪切模量、修正牛顿单元粘滞系数、修正开尔文单元剪切模量和修正开尔文单元粘滞系数,代入块石填料剪应变随时间发展的计算模型,预测出对应于每个应力状态(σv,τ)条件下的块石填料长期剪应变。
由上述技术方案可以看出,本发明实施例所提出的基于现场大型剪切蠕变试验的块石填料长期剪应变的预测方法,将现场条件与计算模型相结合,通过构建块石填料长期剪应变计算模型提供了用于计算块石填料剪应变随时间发展的本构模型,通过现场大型剪切蠕变试验,根据试验结果确定模型的四个参数,将模型与现场进行结合,从而准确反映应力状态对块石填料蠕变特性的影响,对地基长期工后沉降时块石填料的剪应变进行准确预测,为工程中块石填料地基长期工后沉降预测提供了指导。
以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明,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优选实施例。本领域技术人员应当理解,本发明中所涉及的发明范围,并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案,同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下,由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。基于本发明的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
Claims (6)
1.一种块石填料长期剪应变的预测方法,其特征在于,所述预测方法包括如下步骤:
步骤S1,进行现场大型剪切蠕变试验,确定不同竖向应力σv和剪应力τ组合应力状态下的剪应变γ(t)_时间t曲线;
所述现场大型剪切蠕变试验,在块石填料施工现场进行,直接对含有大粒径块碎石的填料进行实验,在试验过程中对填料施加法向的竖向应力σv和切向的剪应力τ,模拟高填方内潜在滑裂面的实际受力状态;
步骤S2,根据γ(t)_时间t曲线,求解当前竖向应力σv条件下的第一求解公式的公式参数,将公式参数代入非线性弹性单元剪切模量的第一求解公式,求得当前竖向应力σv条件下非线性弹性单元剪切模量的以剪应力为自变量的函数;再对应不同的剪应力值,求解非线性弹性单元剪切模量值;
步骤S3,根据γ(t)_时间t曲线,求解当前应力状态(σv,τ)条件下的第二求解公式的公式参数,将公式参数代入修正牛顿单元粘滞系数的第二求解公式,计算出当前应力状态(σv,τ)条件下的修正牛顿单元粘滞系数值;
步骤S4,根据γ(t)_时间t曲线,求解当前应力状态(σv,τ)条件下的第三求解公式的公式参数,将公式参数代入修正开尔文单元剪切模量的第三求解公式,计算出当前应力状态(σv,τ)条件下的修正开尔文单元剪切模量值;
步骤S5,根据γ(t)_时间t曲线,求解当前应力状态(σv,τ)条件下的第四求解公式的公式参数,将公式参数代入修正开尔文单元粘滞系数的第四求解公式,计算得到当前应力状态(σv,τ)条件下的修正开尔文单元粘滞系数值;
步骤S6,基于现场大型剪切蠕变试验,构建以非线性弹性单元剪切模量、修正牛顿单元粘滞系数、修正开尔文单元剪切模量和修正开尔文单元粘滞系数为模型参数的块石填料剪应变随时间发展的计算模型;
步骤S7,对应于不同的应力状态(σv,τ)条件,分别将所计算的非线性弹性单元剪切模量、修正牛顿单元粘滞系数、修正开尔文单元剪切模量和修正开尔文单元粘滞系数的值,代入块石填料剪应变随时间发展的计算模型,预测出对应于每个应力状态(σv,τ)条件下的块石填料长期剪应变。
2.根据权利要求1所述的块石填料长期剪应变的预测方法,其特征在于,所述现场大型剪切蠕变试验满足以下要求:
现场大型试样边长不小于1米,高度不小于1米;
在每个试验中,首先施加竖向应力σv,进而匀速施加水平剪应力直至目标值τ,然后保持剪应力τ恒定,维持至少10天;
在试验过程中,在不同的时间t记录相应的剪应变γ(t);需要至少三个竖向应力σv;每个竖向应力σv下,需要至少三个剪应力τ;
对应每组应力状态(σv,τ),绘制γ(t)_t曲线。
3.根据权利要求1所述的块石填料长期剪应变的预测方法,其特征在于,步骤S2中求解公式参数,具体包括:
绘制不同竖向应力σv条件下的τ-γinstant曲线,根据非线性弹性单元剪切模量的第一求解公式与不同竖向应力σv条件下的τ-γinstant曲线进行拟合,求解当前竖向应力σv条件下的第一求解公式的公式参数。
5.根据权利要求1所述的块石填料长期剪应变的预测方法,其特征在于,步骤S4中求解公式参数,具体包括:
对于每组应力状态(σv,τ)条件下所得到的γ(t)-t曲线,根据所求解的非线性弹性单元剪切模量、修正牛顿单元粘滞系数,绘制γK-t的曲线,当t→∞时,曲线趋近于水平,此时γK值趋近于得到当前应力状态(σv,τ)条件下修正开尔文单元剪切模量的值对于不同应力状态(σv,τ)条件下得到的GK值,绘制曲线,根据修正开尔文单元剪切模量的第三求解公式与不同应力状态(σv,τ)条件下的曲线进行拟合,拟合后的曲线斜率平均值作为当前应力状态(σv,τ)条件下的第三求解公式的第一公式参数,并将第一公式参数代入第三求解公式中;再绘制以曲线,根据修正开尔文单元剪切模量的第三求解公式与不同应力状态(σv,τ)条件下的曲线进行拟合,求得当前应力状态(σv,τ)条件下的第三求解公式的其余公式参数;
其中,τf为竖向应力σv对应的峰值剪应力,γK为非线性弹性单元剪切模量、修正牛顿单元粘滞系数修正后的剪应变。
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Non-Patent Citations (1)
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