一种用基本物性参数判断黄土破坏程度的方法

1.本发明涉及岩土工程中黄土破坏程度分析测试应用领域，具体设计一种用基本物性参数表征黄土结构性参数的方法，用于在黄土受到外部因素破坏后快速测定黄土破坏程度。


背景技术：

2.黄土在沉积过程中，形成独特的结构性，这一特性与密度、孔隙比等性质一样，是黄土的一种基本属性。黄土材料因其自身独有的结构性，而成为一种建筑材料，如黄土地区大面积存在的黄土边坡，窑洞等，均依赖于黄土独有的，特别是垂直方向明显的结构性。
3.但黄土又因其内部存在的大量孔隙，使得其在遭受大量降雨、强烈加载等外部因素后因结构性迅速破坏，而造成黄土强度迅速降低，如黄土地区大量存在的黄土滑坡、黄土落水洞、地基沉降等。如2009年11月山西省中阳县发生的黄土滑坡，2010年3月陕西省子洲县发生的大规模黄土滑坡，均造成严重的房屋损毁和人民群众伤亡。
4.现有先进监测技术可以预测到黄土滑坡的发生，如成都理工大学研发的“地质灾害实时监测预警系统”、长安大学开发的“高精度北斗地质灾害监测预警平台”等，均在地质灾害监测方面取得了较好的成果，长安大学于2021年1月27日在黑方台成功预警了体积近10万方的突发性黄土滑坡。
5.虽然现有的先进监测技术可以预测地质灾害的发生，但因监测预警系统造价高、难以大面积普及。因此，如何高效的、以较低成本预测地质灾害的发生是非常重要的。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明提供了一种用基本物性参数表征三轴剪切试验中黄土结构性参数的方法，通过室内土工试验测定黄土的饱和度sr，密度ρ，粒径d，基于自行开发的公式计算三轴剪切试验中黄土的结构性参数，然后通过对比试验前后黄土试样的结构性参数，根据前后变化确定黄土的破坏程度。本发明方法简单、可推广性强、应用广泛。
7.本发明是这样实现的：
8.本发明提供一种用基本物性参数判断黄土破坏程度的方法，包括如下步骤：
9.步骤10、测得黄土试样的基本物性参数：饱和度sr、密度ρ、粒径d；
10.步骤20、给定三轴剪切试验的试验参数：围压p、加载速率v；
11.步骤30、由黄土试样的基本物性参数和试验参数，计算出黄土试样的初始结构性参数e0；
12.步骤40、在给定的围压p、加载速率v条件下对黄土试样进行三轴剪切试验，对试样进行增湿加载；
13.步骤50、试验结束后，获取试验后黄土试样的饱和度sr、密度ρ、粒径d；
14.步骤60、再次计算出增湿加载后黄土试样的结构性参数e1；
15.步骤70、比较试验前后黄土试样结构性参数的变化，由结构性参数的变化判断黄
土的破坏程度。
16.较佳的，步骤10中，现场取样，根据土工试验测得黄土试样的含水率、密度、粒径，并通过含水率和密度计算饱和度。
17.较佳的，步骤10中，试样为原状黄土试样。
18.较佳的，步骤10中，通过含水率和密度由如下公式计算饱和度：
[0019][0020]
式中，sr为饱和度，e为孔隙比，ds为土粒相对密度，ρ为黄土密度，ρw为水的密度。
[0021]
较佳的，步骤20中，围压p与加载速率v的取值按照实验室常用值设定，围压p可设置为50kpa、100kpa、200kpa、300kpa，加载速率v可设置为0.125％/s、0.25％/s、1.25％/s、2.5％/s。
[0022]
较佳的，步骤30中，根据结构性参数e的计算公式计算黄土试样的初始结构性参数e0：
[0023][0024]
式中，饱和度sr、密度ρ、粒径d，围压p、加载速率v，a、b为拟合参数，通过三轴剪切试验求得。
[0025]
较佳的，步骤30中，拟合参数a、b按照如下方法确定：
[0026]
步骤31、使用应变能e定义结构性参数；
[0027]
步骤32、进行三轴剪切试验，获得荷载与变形的应力应变曲线，利用应力应变曲线并使用如下公式进行积分得到应变能e：
[0028]
e＝sh∫σdε
[0029]
式中，e为应变能，s为黄土试样底面面积，h为试件高度，σ为应力，ε为应变；
[0030]
步骤33、根据结构性参数公式结合黄土基本物性参数饱和度sr、密度ρ、粒径d，以及力学参数围压p、加载速率v，带入式中，求解参数a、b。
[0031]
较佳的，步骤50、60中，在获取饱和度sr、密度ρ、粒径d的过程中保持黄土试样试验后的状态不变。
[0032]
较佳的，还包括如下步骤：
[0033]
步骤80、对于加载方式相同的土样，根据相同的围压p和加载速率v，由已知的饱和度sr、密度ρ、粒径d预测另一饱和度sr、密度ρ、粒径d下黄土的结构性。
[0034]
本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明提供一种适用于评价黄土结构性参数的方法，基于黄土物性参数，根据黄土在外部因素影响下结构性发生变化，通过量化黄土的结构性参数，从而定量评价黄土的破坏程度，用于科学地判断黄土在承受外部影响后破坏的程度，解决现有的难以准确判断黄土受破坏程度的问题，可用于黄土地质灾害快速预测、黄土湿陷性精准评价等岩土工程、交通工程、地质灾害防治领域。本发明取样少，方法高效，相对于传统监测与评价技术，本发明操作简单、可行性强、应用广泛，可以广泛应用于岩土工程、交通工程、单体地质灾害评价等方面。
附图说明
[0035]
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术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示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
[0036]
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。
[0037]
图1是本发明一种实施例的实施流程图；
[0038]
图2是三轴剪切试验应力应变曲线图；
[0039]
图3是结构性参数与饱和度、密度关系曲面图；
[0040]
图4是结构性随饱和度演化过程图；
[0041]
图5是三轴剪切加载过程结构性演化图。
具体实施方式
[0042]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
[0043]
在本发明的描述中，术语“包括/包含”、“由
……
组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含
……”
、“由
……
组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。
[0044]
以下结合较佳的实施方式对本发明的实现进行详细的描述。
[0045]
如图1，一种用基本物性参数表征黄土结构性参数的方法，包括如下步骤：
[0046]
步骤10：测得黄土试样的基本物性参数：饱和度sr、密度ρ、粒径d；
[0047]
在一些实施例中，通过现场取样，根据土工试验测得黄土试样的含水率、密度、粒径，并通过含水率和密度计算饱和度。含水率、密度、粒径按照土工试验规范中给定的测定方法进行测量即可，本发明在此不做详细阐述。
[0048]
本发明中，饱和度通过含水率和密度由如下公式计算：
[0049][0050]
式中，sr为饱和度，e为孔隙比，ds为土粒相对密度，ρ为黄土密度，ρw为水的密度。
[0051]
本发明中，试样的选取包括原状黄土试样。
[0052]
步骤20：给定三轴剪切试验的试验参数：围压p、加载速率v；
[0053]
在一些实施例中，围压p与加载速率v的取值按照实验室常用值设定，如围压p可设
置为50kpa、100kpa、200kpa、300kpa等，加载速率v可设置为0.125％/s、0.25％/s、1.25％/s、2.5％/s。
[0054]
步骤30：由黄土试样的基本物性参数和试验参数，计算出黄土试样的初始结构性参数e0；
[0055]
在一些实施例中，根据结构性参数e的计算公式计算黄土试样的初始结构性参数e0：
[0056][0057]
式中，饱和度sr、密度ρ、粒径d，围压p、加载速率v，a、b为拟合参数，通过三轴剪切试验求得。
[0058]
本发明独创结构性参数e的计算公式，相比于传统的结构性参数表达式，式中嵌入了黄土的基本物性参数，直接表征了黄土物性参数和结构性之间的关系。由结构性参数e的计算公式可见，本发明可以从基本物性参数(包括饱和度sr、密度ρ、粒径d)直接表征黄土结构性的强弱，也可以从力学参数(包括围压、加载速率)直接表征黄土结构性的强弱。
[0059]
在一些实施例中，拟合参数a、b按照如下方法确定：
[0060]
步骤31：使用应变能e定义结构性参数；
[0061]
结构性参数是对黄土结构性表征的一个参数，目前尚未有明确的表征结构性的参数，而应变能是黄土的一个明确的力学参数，可以表征黄土的力学属性，其中就包括结构性，因此本发明利用应变能表征结构性。
[0062]
步骤32：进行三轴剪切试验，加载过程中，获得荷载与变形的应力应变曲线(如图2所示)，利用应力应变曲线，使用如下公式进行积分得到应变能e：
[0063]
e＝sh∫σdε
[0064]
式中，e为应变能，s为黄土试样底面面积，h为试件高度，σ为应力，ε为应变；
[0065]
步骤33：根据步骤32得到应变能e即得到黄土的结构性参数，结合黄土基本物性参数和力学参数，包括饱和度sr、密度ρ、粒径d，以及围压p、加载速率v，带入结构性参数公式中，通过拟合求解得到参数a、b。
[0066]
需要说明的是，结构性参数公式e中的拟合参数a、b是针对同一围压、同一加载速率下的拟合参数，对于不同围压、不同加载速率下，需要分别进行试验，对参数进行确定。
[0067]
按照步骤33求解得不同实验条件下的a、b的值如表1所示。
[0068]
表1不同试验条件下的a、b值
[0069][0070]
步骤30：计算出黄土试样的初始结构性参数e0，黄土的结构势面如图3所示，由图中可知，结构性随饱和度和密度的增大均呈单调下降趋势。由图3所示结构势面，可以对物
性影响结构性形成一个直观分析，通过物性的对比分析，可以对不同物性下结构性的大小进行比较。
[0071]
步骤40：在给定的围压p、加载速率v条件下对黄土试样进行三轴剪切试验，对试样进行增湿和加载；
[0072]
步骤50：试验结束后，获取试验后黄土试样的饱和度sr、密度ρ、粒径d；
[0073]
在不同试验条件下重复步骤40、步骤50多次，得到图4、图5。图4、图5中的特征点为试验结果，图中曲线为采用结构性参数表达式计算得到的结果。
[0074]
图4示出了结构性随饱和度演化过程，由图4可知，结构性随饱和度的增大呈现单调下降趋势，饱和度越大，结构性越弱，表明产生相同的应变条件下，饱和度越大，所需要的应力水平越低，产生的应变能越小，黄土抵抗变形的能力越弱。
[0075]
加载过程中，结构性的退化过程不仅与密度、饱和度有关，也和土体自身属性下所具有的初始结构性有关，不同加载速率下土样结构性退化的差异性在于初始结构性的不同，而初始结构性的不同受到土体物性和加载方式的影响。图5示出了三轴剪切加载结构性演化过程，(a)、(b)、(c)分别示出了围压p＝100、200、300，sr＝53.96％下的结构性演化过程，由图可知，结构性的退化过程与结构性参数、物性参数有关，下降的幅度取决于初始结构性，下降的速度取决于黄土物性参数。
[0076]
结合结构性参数的定义以及表1和图5可以看出，结构性的退化过程就是变形的逆过程。加载过程中，应变随加载过程增大，应力较小时，应变能增量较小；随着应力的增大，应变能增量增大。应变能随变形的增大呈现先慢速再快速的过程。而结构性的退化过程，当应变较小时，应力较小，产生的应变能较小，随着应变的增大，应力增大，应变能增大，结构性退化过程中的增量对变形的增大同样呈现先慢速再快速的趋势。
[0077]
通过试验结果和计算结果可以看出，试验结果和计算结果吻合较好，一方面验证了物性参数和力学参数与结构性之间存在一定的关系，另一方面也验证了本发明中的结构性参数的合理性。
[0078]
步骤60：再次计算出增湿加载后黄土试样的结构性参数e1。
[0079]
应当理解，此处再次计算增湿加载后黄土试样的结构性参数e1同样是按照步骤30中所给的公式进行计算。
[0080]
步骤50、60中，在获取饱和度sr、密度ρ、粒径d的过程中应当保持黄土试样试验后的状态不变。
[0081]
步骤70：比较试验前后土样的结构性参数的变化，判断黄土的破坏程度。结构性参数变化表现出来的黄土结构性的退化程度，表示着土体破坏程度。以兰州黄土为例进行说明。通过饱和度为18％的试样试验结果可以获得，p＝300kpa时，e＝8762.19，a＝-1.26，b＝3.86。进而通过该发明的计算公式，可以求出饱和度为36％时，结构性参数为6413.66，由此可以得出，当饱和度由18％增大至36％时，结构性退化26.8％。
[0082]
本发明的方法还可进一步通过黄土物性对黄土结构性进行预测。对于加载方式相同的土样，即相同的围压p和加载速率v，可以通过某一饱和度和密度下的试验结果，得到a、b的值，便可预测其他饱和度和密度下黄土的结构性，进而判断或预测黄土加载后的破坏程度。
[0083]
本发明的主要目的在于利用基本物性参数来表征黄土的结构性，在已经完成了对
结构性的表征后，进一步，本发明对结构性参数进行工程应用，即通过对比结构性参数变化表现出来的黄土结构性的退化程度，来表示土体破坏程度，从而说明本发明该结构性参数的表征方法的合理性、实用性。
[0084]
本发明方法能够定量评价黄土的破坏程度，用于科学地判断黄土在承受外部影响后破坏的程度，对所有地区的黄土试样均适用，如试样在浸水后可以模拟工程中常见的土体遇水湿陷变形造成路基、地基下沉，如果可以提前取得拟建场地的土样，则可以预测场地土破坏后的变形量，为工程设计提供数据及理论指导。
[0085]
本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。
[0086]
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，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。