CN115828519B - 一种输电杆塔基础边坡土石混合体单轴抗压强度计算方法 - Google Patents

Abstract

一种输电杆塔基础边坡土石混合体单轴抗压强度计算方法，该方法包括以下步骤：S1、以输电杆塔基础边坡内部土石混合体中粒径范围在10mm±2mm的块石为研究对象，通过室内试验测量块石的休止角，或者采用图像采集分析提取块石的形态指标；借助单轴压缩试验获取土石混合体中土体基质的单轴抗压强度；S2、结合土体基质的单轴抗压强度及块石的休止角或者形态指标计算块石粒径范围在10mm±2mm的土石混合体的特征参数；S3、计算不同最大块石粒径条件下土石混合体的修正特征参数，然后通过修正特征参数和土体基质的单轴抗压强度计算土石混合体单轴抗压强度。本设计不仅计算简单，而且计算精度高。

Description

一种输电杆塔基础边坡土石混合体单轴抗压强度计算方法

技术领域

本发明涉及岩石工程技术领域，尤其涉及一种输电杆塔基础边坡土石混合体单轴抗压强度计算方法。

背景技术

受我国西部及南方地区复杂地质环境限制，输电线路沿线地形及地质条件极其复杂，输电杆塔基础通常位于山脊或边(斜)坡地带。其中，我国西南地区部分输电工程杆塔常见坐落于松散堆积边坡上，在开挖、降雨及地震等荷载扰动作用下，杆塔基础区域极易发生变形破坏，进而导致杆塔基础边坡发生滑坡、泥石流等地质灾害，严重影响输电线路后续运营及当地人民群众的生命财产安全。

作为堆积体边坡的主要组成物质，土石混合体泛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极端不均匀松散岩土介质系统。土石混合体内部块石粒径受地质成因影响，由几厘米到几十厘米分布不等。现阶段，试验手段仍是获得土石混合体力学参数最为有效的手段之一。为了避免设备边界对试样内部块石颗粒运动造成约束进而影响试验结果，通常需要借助大型力学试验设备对土石混合体进行试验。但是对于部分室内力学试验而言，例如巴西劈裂试验、单轴压缩试验等，通常仅能提供常规尺寸试验设备；而根据相关实验规范，常规尺寸试验设备的最大允许颗粒粒径一般不超过10mm，与天然堆积体边坡中块石颗粒粒径相差较大，这种试验与天然条件下土石混合体粒径分布的差异，将直接导致两者的结构特征存在明显区别，进而导致试验中所表现的力学特征也并不能完全表征天然堆积体边坡中土石混合体的相关力学特征。

关于这种由于岩土介质研究尺寸不同而出现的尺寸效应现象，研究人员已经开展了较为深入的研究。但是，力学试验设备尺寸的限制为开展不同研究尺寸土石混合体力学试验研究带来了一定困难。因此，现阶段关于土石混合体尺寸效应的讨论数量仍相对较少。研究尺寸的变化将不可避免地对土石混合体的粒度组成特征造成影响，例如最大粒径、平均粒径、分形维数及曲率系数等特征参数的变化；其中，最为直接的影响是导致土石混合体内部最大块石粒径发生变化。一方面，块石的破碎强度与其粒径存在密切关系，最大粒径的改变将影响块石颗粒所能承受的最大外力，进而引发试样整体力学性质发生变化；另一方面，最大块石粒径对土石混合体试样的结构特征及破坏模式也存在明显影响，单轴压缩条件下大粒径块石附近土体颗粒脱落现象更为明显，块石粒径的增加将更易导致试样内部局部破坏出现，加速裂缝拓展。已有研究在针对土石混合体内部块石衍生的土石接触面及其作用效果进行讨论时，可获得的试验数据仍以粒径范围在2～10mm的块石颗粒的形态及表面粗糙程度的影响作用为主进行讨论，较少地考虑到粒径变化对于土石接触面强度的影响。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的计算繁琐、计算精度低的缺陷与问题，提供一种计算简单、计算精度高的输电杆塔基础边坡土石混合体单轴抗压强度计算方法。

为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种输电杆塔基础边坡土石混合体单轴抗压强度计算方法，该方法包括以下步骤：

S1、以输电杆塔基础边坡内部土石混合体中粒径范围在10mm±2mm的块石为研究对象，通过室内试验测量块石的休止角，或者采用图像采集分析提取块石的形态指标；借助单轴压缩试验获取土石混合体中土体基质的单轴抗压强度；

S2、结合土体基质的单轴抗压强度及块石的休止角或者形态指标计算块石粒径范围在10mm±2mm的土石混合体的特征参数；

S3、计算不同最大块石粒径条件下土石混合体的修正特征参数，然后通过修正特征参数和土体基质的单轴抗压强度计算土石混合体单轴抗压强度。

步骤S1中，所述土体基质是指粒径小于2mm的土体颗粒。

步骤S3中，以土石混合体最大块石粒径作为粒径量化指标，以10mm为标准粒径，以标准粒径条件下得到的特征参数为标准特征参数，对不同最大块石粒径条件下土石混合体单轴抗压强度进行拟合，得到对应的修正特征参数。

步骤S3中，修正特征参数A_m与最大粒径比值a之间的关系如下所示：

式中，A₁₀为标准特征参数；

最大粒径比值a计算公式为：

a＝d_max/d₁₀

式中，d_max为土石混合体最大块石粒径，d_max为10～60mm；d₁₀为标准粒径。

步骤S3中，土石混合体单轴抗压强度计算公式为：

式中，USC_S-RM为最大块石粒径范围在10～60mm的土石混合体单轴抗压强度，UCS_soil为土体基质的单轴抗压强度，VBP为输电杆塔基础边坡内部土石混合体的体积含石量，A_m为不同最大块石粒径条件下土石混合体的修正特征参数。

所述输电杆塔基础边坡内部土石混合体的体积含石量通过室内物性试验获得。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明一种输电杆塔基础边坡土石混合体单轴抗压强度计算方法中，仅需要借助室内物性试验和常规尺寸力学试验，基于土体基质单轴抗压强度、块石休止角或者形态及表面粗糙程度量化指标、块石含量和最大块石粒径，实现了块石粒径范围为10～60mm的某含石量土石混合体单轴抗压强度的参数计算，具有待定参数较易获得、计算简单易行等特点，扩大了已有经验计算公式所适用的块石粒径范围，降低了土石混合体的采样及制样成本。

2、本发明一种输电杆塔基础边坡土石混合体单轴抗压强度计算方法中，从块石扰动土体基质结构进而造成力学性质劣化的角度出发，在特征参数影响因素的基础上，考虑颗粒尺寸效应作用影响，提出使用最大块石粒径作为粒径分布特征的关键参数，从块石组分对结构特征及力学性质的影响角度出发，建立了土石混合体单轴抗压强度与最大块石粒径之间的量化关系，从而实现在考虑尺寸效应影响的基础上，更为合理地反映天然堆积体边坡内部、夹杂10～60mm粒径块石的土石混合体的力学性质，为堆积体边坡工程设计和计算提供了参数取值依据，较为适用于水利、电力及交通边坡工程等稳定性分析，具有一定的计算精度。

附图说明

图1是本发明一种输电杆塔基础边坡土石混合体单轴抗压强度计算方法的流程图。

图2是最大块石粒径不超过10mm的土石混合体单轴抗压强度与试验值对比图。

图3是考虑粒径尺寸效应修正的单轴抗压强度计算值与数值模拟值对比图。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1，一种输电杆塔基础边坡土石混合体单轴抗压强度计算方法，该方法包括以下步骤：

S1、以输电杆塔基础边坡内部土石混合体中粒径范围在10mm±2mm的块石为研究对象，通过室内试验测量块石的休止角，或者采用图像采集分析提取块石的形态指标；借助单轴压缩试验获取土石混合体中土体基质的单轴抗压强度；

S2、结合土体基质的单轴抗压强度及块石的休止角或者形态指标计算块石粒径范围在10mm±2mm的土石混合体的特征参数；

S3、计算不同最大块石粒径条件下土石混合体的修正特征参数，然后通过修正特征参数和土体基质的单轴抗压强度计算土石混合体单轴抗压强度。

步骤S1中，所述土体基质是指粒径小于2mm的土体颗粒。

步骤S3中，以土石混合体最大块石粒径作为粒径量化指标，以10mm为标准粒径，以标准粒径条件下得到的特征参数为标准特征参数，对不同最大块石粒径条件下土石混合体单轴抗压强度进行拟合，得到对应的修正特征参数。

步骤S3中，修正特征参数A_m与最大粒径比值a之间的关系如下所示：

式中，A₁₀为标准特征参数；

最大粒径比值a计算公式为：

a＝d_max/d₁₀

式中，d_max为土石混合体最大块石粒径，d_max为10～60mm；d₁₀为标准粒径。

步骤S3中，土石混合体单轴抗压强度计算公式为：

式中，UCS_S-RM为最大块石粒径范围在10～60mm的土石混合体单轴抗压强度，UCS_soil为土体基质的单轴抗压强度，VBP为输电杆塔基础边坡内部土石混合体的体积含石量，A_m为不同最大块石粒径条件下土石混合体的修正特征参数。

所述输电杆塔基础边坡内部土石混合体的体积含石量通过室内物性试验获得。

本发明的原理说明如下：

针对现有研究关于土石混合体尺寸效应研究方面的局限性，基于数值模拟结果结合块石粒径对土石混合体力学性质的影响作用，在已有土石混合体单轴抗压强度计算公式的基础上开展颗粒尺寸效应修正，扩大计算公式所适用的土石混合体的粒径范围。本发明提出一种可快速获得最大粒径范围为10～60mm的土石混合体单轴抗压强度参数的估算方法，该方法易行，计算简便，可操作性强，可以为堆积体边坡的稳定性评价、支护工程的设计施工提供较为可靠的理论依据，具有一定的工程和实际意义。

本发明基于土石混合体多相物质组成所导致的非均质结构特征及复杂多变的力学性质，利用土体单轴抗压强度(细粒基质)、块石休止角、形态及表面粗糙程度(粗粒体)及特征参数(土石接触面)表征了土石混合体内部各组分力学性质对材料整体单轴抗压强度的影响，所需参数较为简单易得，便于估测，大大提高了计算公式使用的简洁性；同时，考虑到试验和天然条件下土石混合体粒径范围的差异，以最大块石粒径作为土石混合体粒径分布特征的关键参数，开展了不同最大块石粒径条件下土石混合体单轴抗压强度量化分析，提供了考虑粒径尺寸效应修正的、某含石量土石混合体单轴抗压强度参数计算方法，给出了实际堆积体边坡工程稳定性分析过程中材料力学参数的估算依据。

块石含量的增加直接导致弱强度土石接触面数量的提高，破坏了原有土体基质结构的完整性，在单轴加载条件下将加速土石混合体内部裂缝的产生和延展，并导致材料整体的单轴抗压强度不断降低。考虑到土体基质、块石颗粒及土石接触面对土石混合体整体强度的协同作用，土石接触面强度越高，含石量变化对土石混合体单轴抗压强度的扰动作用应当越小，经验计算公式所对应的特征参数值应当越高。换言之，经验计算公式中的特征参数量化表征了材料内部土石接触面的强度。根据已有研究，土石接触面强度与土体基质及块石颗粒的性质密切相关，具体表现为，随土体单轴抗压强度、块石休止角或表面粗糙度及非规则程度的增加而不断上升，因此特征参数的取值也应与土体基质单轴抗压强度及块石休止角或形态指标有关。现有特征参数取值表主要是根据土石混合体室内试验数据反演得到，因此所适用的研究对象主要为常规试验尺寸下、最大块石粒径不超过10mm的土石混合体试样。但在输电杆塔基础边坡的浅层区域，土石混合体中碎块石粒径的最大值一般可以达到60mm，这也就导致试验与天然条件下土石混合体内部粒径分布特征出现明显差异，两者所对应的力学性质也有所不同，即出现尺寸效应。

对于天然堆积体边坡而言，浅层碎、块石土中碎石最大粒径一般在60～80mm范围内，偶见粒径大于100mm的超大粒径孤石。已有研究在针对土石混合体开展力学试验时，即使选用大型力学试验设备，试样内部最大允许粒径一般不超过60mm。本发明旨在针对我国西部及南部地区输电杆塔基础边坡土石混合体单轴抗压强度的计算，杆塔基础埋深区域长期受到降雨及风化作用，块石粒径普遍较小。结合试验规范相关要求及大型试验设备尺寸，设定本发明适用于最大粒径在10～60mm范围内的土石混合体，故最大粒径比值a取值范围为1≤a≤6。

本发明考虑到试验设备尺寸对土石混合体试样最大允许粒径的限制，利用数值模拟方法，开展了不同最大块石粒径土石混合体的单轴压缩计算机模拟试验，获得不同体积含石量、不同最大块石粒径土石混合体的单轴抗压强度后，利用土体基质单轴抗压强度和常规设备尺寸土石混合体单轴抗压强度经验计算公式拟合确定不同最大块石粒径条件下土石混合体的修正特征参数，并建立修正特征参数与最大粒径比值之间的关系式。

实施例：

参见图1，一种输电杆塔基础边坡土石混合体单轴抗压强度计算方法，该方法包括以下步骤：

S1、以输电杆塔基础边坡内部土石混合体中粒径范围在10mm±2mm的块石为研究对象，通过室内试验测量块石的休止角，或者采用图像采集分析提取块石的形态指标(块石的形状因子、棱角性、表面粗糙度等)；借助单轴压缩试验获取土石混合体中土体基质(粒径小于2mm的土体颗粒)的单轴抗压强度；

S2、结合土体基质的单轴抗压强度及块石的休止角或者形态指标计算块石粒径范围在10mm±2mm的土石混合体的特征参数；

S3、计算不同最大块石粒径条件下土石混合体的修正特征参数，然后通过修正特征参数和土体基质的单轴抗压强度计算土石混合体单轴抗压强度；

以土石混合体最大块石粒径作为粒径量化指标，以10mm为标准粒径，以标准粒径条件下得到的特征参数为标准特征参数，对不同最大块石粒径条件下土石混合体单轴抗压强度进行拟合，得到对应的修正特征参数；

修正特征参数A_m与最大粒径比值a之间的关系如下所示：

式中，A₁₀为标准特征参数；

最大粒径比值a计算公式为：

a＝d_max/d₁₀

式中，d_max为土石混合体最大块石粒径，d_max为10～60mm；d₁₀为标准粒径；

土石混合体单轴抗压强度计算公式为：

式中，UCS_S-RM为最大块石粒径范围在10～60mm的土石混合体单轴抗压强度，UCS_soil为土体基质的单轴抗压强度；VBP为输电杆塔基础边坡内部土石混合体的体积含石量，通过室内物性试验获得；A_m为不同最大块石粒径条件下土石混合体的修正特征参数。

本发明以涛源地区典型堆积体边坡浅层区域土石混合体的单轴压缩试验结果为例进行对比验证。地质调查结果显示，该区域土石混合体主要组成物质为粉质粘土和棱角-次棱角状中风化碎块石灰岩。通过筛分法获得土石混合体的累积粒径分布曲线，结合粒径分布规律，确定土石颗粒阈值并得到体积含石量。筛分后所得到的粒径分布曲线显示，2mm可以作为该区域土石混合体的土石颗粒阈值，取样区域土石混合体体积含石量为61％。借助室内土壤三轴仪，对块石粒径范围在10mm±2mm下土体基质(体积含石量为0％)和体积含石量为5％～30％的(125mm*61.8mm)土石混合体开展单轴压缩试验。块石粒径范围在10mm±2mm的试样内部最大允许粒径为10mm。试验结果表明，体积含石量为0％的粉质粘土试样的单轴抗压强度为816.24kPa，土石混合体的单轴抗压强度随体积含石量增加持续降低。结合块石休止角、形态特征及土体基质的单轴抗压强度，确定特征参数为0.8，可以得到不同体积含石量土石混合体单轴抗压强度计算值。将单轴抗压强度计算值与室内试验结果进行比对，结果如图2所示，对比后发现，计算值与试验值均较为紧密的分布于1:1比例线两侧，决定系数达到了0.89，说明了该强度计算公式对于常规尺寸土石混合体单轴抗压强度的预测具有一定的可靠性和准确性。

上述技术措施充分考虑了土石混合体在单轴压缩加载条件下内部块石含量增加对土体基质结构特征的破坏和力学性质的劣化作用，通过土体基质单轴抗压强度、体积含石量、块石休止角(或形态指标)等参数的选取，量化描述了土体基质、块石颗粒及土石接触面在土石混合体抵抗外力变形过程所发挥的作用，实现了对最大块石粒径小于60mm的不同含石量土石混合体单轴抗压强度参数的估算。

本发明可以通过块石含量及其形态参数、最大块石粒径及土体基质单轴抗压强度几项物性指标及力学参数，实现对块石粒径范围为10～60mm的某含石量土石混合体的单轴抗压强度参数的计算，从而为后续堆积体边坡稳定性分析提供参数依据。由于松散土石混合体在大型单轴压缩试验的制样和实施过程中具有较大难度，本发明借助颗粒流离散元软件，开展了不同最大块石粒径土石混合体的单轴压缩计算机模拟试验，并且将公式预测值与模拟计算值进行比对，结果如图3所示，结果显示，虽然公式预测值与模拟计算值具有一定误差，但误差仍处于可接受范围内。考虑到数值模拟过程中并未过多的考虑不同粒径块石非规则形态所造成的影响，更多侧重于块石粒径本身对颗粒间接触模型的影响，模拟结果较真实情况存在一定出入。因此，认为该公式仍具有一定的准确性。

上述措施针对实际边坡工程与室内试验条件下土石混合体内部块石粒径差异所造成的力学性质变化，围绕块石及其衍生土石接触面对土体基质结构特征和力学性质的影响，给出了考虑粒径尺寸效应修正的、某含石量土石混合体单轴抗压强度的参数计算方法。

Claims (3)

1.一种输电杆塔基础边坡土石混合体单轴抗压强度计算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、以输电杆塔基础边坡内部土石混合体中粒径范围在10mm±2mm的块石为研究对象，通过室内试验测量块石的休止角，或者采用图像采集分析提取块石的形态指标；借助单轴压缩试验获取土石混合体中土体基质的单轴抗压强度；

所述土体基质是指粒径小于2mm的土体颗粒；

S2、结合土体基质的单轴抗压强度及块石的休止角或者形态指标计算块石粒径范围在10mm±2mm的土石混合体的特征参数；

S3、计算不同最大块石粒径条件下土石混合体的修正特征参数，然后通过修正特征参数和土体基质的单轴抗压强度计算土石混合体单轴抗压强度；

以土石混合体最大块石粒径作为粒径量化指标，以10mm为标准粒径，以标准粒径条件下得到的特征参数为标准特征参数，对不同最大块石粒径条件下土石混合体单轴抗压强度进行拟合，得到对应的修正特征参数；

修正特征参数A_m与最大粒径比值a之间的关系如下所示：

式中，A₁₀为标准特征参数；

最大粒径比值a计算公式为：

a＝d_max/d₁₀

式中，d_max为土石混合体最大块石粒径，d_max为10～60mm；d₁₀为标准粒径。

2.根据权利要求1所述的一种输电杆塔基础边坡土石混合体单轴抗压强度计算方法，其特征在于：

步骤S3中，土石混合体单轴抗压强度计算公式为：

式中，UCS_S-RM为最大块石粒径范围在10～60mm的土石混合体单轴抗压强度，UCS_soil为土体基质的单轴抗压强度，VBP为输电杆塔基础边坡内部土石混合体的体积含石量，A_m为不同最大块石粒径条件下土石混合体的修正特征参数。

3.根据权利要求2所述的一种输电杆塔基础边坡土石混合体单轴抗压强度计算方法，其特征在于：所述输电杆塔基础边坡内部土石混合体的体积含石量通过室内物性试验获得。

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