基于土体电导性能的土质滑坡基质吸力测试方法及系统

1.本发明属于岩土、地质工程技术领域，具体涉及一种基于土体电导性能的土质滑坡基质吸力测试方法及系统。


背景技术：

2.降雨是影响边坡稳定性导致边坡失稳的最主要和最普遍的环境因素，水分入渗对滑坡稳定性的影响中一个不可忽视的因素便是土体基质吸力的变化，随着水分的入渗，边坡非饱和区基质吸力减小，从而使土体或岩体软弱夹层抗剪强度大幅度下降，进而导致边坡稳定性的降低。基质吸力是表征非饱和土性质的一个重要变量，作为土体粘聚力的组成部分，能够提高土体的抗剪强度，对边坡稳定做出贡献。土水特征曲线表明，基质吸力具有极强的水敏性，随着含水量的增加，基质吸力迅速下降。在实际工程中，大多数边坡是处在非饱和状态或局部饱和状态，降雨作用下，随着雨水入渗，土体基质吸力迅速下降，粘聚力减小，从而使边坡的稳定性下降。因此在滑坡预警中，基质吸力是一个重要的监测指标，但基质吸力的大范围监测手段仍不够多样与便捷。
3.土壤电导率是土的重要物理性质，其大小和土壤含水率、土颗粒大小等有关系。由于其测试方便、快捷、廉价，在边坡研究方面也得到了相关应用。实验研究表明，边坡的电导率与基质吸力在整体分布具有一定的相似性，两者之间存在较强的相关性，电导率作为反映介质水分赋存状态的有效指标，且得益于电导率更为多样与便捷的检测手段，对于水分分布特征、运移规律复杂多变的天然边坡而言，利用边坡介质电导率反馈其含水率、基质吸力等相关参量的分布特征不失为一种有效方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于土体电导性能的土质滑坡基质吸力测试方法及系统，该方法及系统有利于便捷、有效地测量土体基质吸力。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于土体电导性能的土质滑坡基质吸力测试方法，包括以下步骤：
6.1)建立基于土体电导性能的非饱和残积土基质吸力测量方法：
[0007][0008]
式中，σ为土体电导率，σs为饱和土体电导率，ψ为基质吸力，α、β为拟合参数，p为饱和度指数；
[0009]
2)获取通过室内土坡降雨实验测得的非饱和土电导率-含水率曲线实测数据；
[0010]
3)获取通过室内土坡降雨实验测得的非饱和土含水率-基质吸力曲线实测数据；
[0011]
4)将步骤2)测得的非饱和土电导率数据和步骤3)测得的非饱和土基质吸力数据代入式(1)中进行拟合，得到饱和度指数p和拟合参数α、β；
[0012]
5)将得到的饱和度指数p和拟合参数α、β代入式(1)，即得到土体的电导率-基质吸
力模型；对于非饱和土体，将其电导率代入所述电导率-基质吸力模型，即求出土体基质吸力。
[0013]
进一步地，步骤1)具体包括以下步骤：
[0014]
1a)将archie模型拓展于非饱和土，并建立土体饱和度与电阻率关系：
[0015]
ρ＝aρwn-msr-p
ꢀꢀ
(2)
[0016]
式中，ρ为土体电阻率，ρw为孔隙水电阻率，a为土性参数，m为土性参数，n为土体孔隙率，sr为饱和度，p为饱和度指数；
[0017]
1b)土的电导率是电阻率的倒数：
[0018][0019]
1c)联立式(2)、(3)得到土体饱和度-电导率关系：
[0020][0021]
式中，σ为土体电导率，σw为孔隙水电导率；
[0022]
1d)土的体积含水率与土的饱和度之间的转换关系如下：
[0023][0024]
式中，θ为体积含水率，vw为孔隙水体积，v为土样总体积，w为含水率，γd为土的干重度，γw为孔隙水重度；
[0025]
1e)联立式(4)、(5)，将土体积含水率与土体和度密转换关系式代入土体饱和度与含水率关系，得到土体电导率-含水率模型：
[0026][0027]
1f)非饱和土中，土体吸力与体积含水率之间的关系曲线称为土-水特征曲线，采用van genuchten模型表示如下：
[0028][0029]
式中：θs和θr分别为饱和体积含水率与残余体积含水率；
[0030]
不考虑残余含水率的影响，对vg模型修正如下：
[0031][0032]
1g)将van genuchten模型参数中的体积含水率参数用电导率-体积含水率公式中的电导率替换，联立式(6)、(8)，得到基质吸力和电导率之间的数学模型如下：
[0033][0034]
进一步地，步骤4)中，饱和度指数p和拟合参数α、β的拟合方法具体为：基于测得的非饱和土电导率数据和非饱和土基质吸力数据，以电导率作为横坐标，基质吸力作为纵坐
标，绘制散点图，然后做非线性拟合，得到饱和度指数p和拟合参数α、β。
[0035]
本发明提供了一种基于土体电导性能的土质滑坡基质吸力测试系统，包括存储器、处理器以及存储于存储器上并能够被处理器运行的计算机程序指令，当处理器运行该计算机程序指令时，能够实现上述的方法步骤。
[0036]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明利用土体电导性能参数来测量土体基质吸力，为土体基质吸力测量增加了一种新的选择，并且得益于土体电导率更为多样与便捷的检测手段，如电阻率成像法(ert)等，解决了基质吸力的大范围监测手段仍不够多样与便捷的问题。基质吸力作为土体粘聚力的组成部分，能够提高土体抗剪强度，对边坡稳定做出贡献，因此通过土体电导率来测量基质吸力，对土坡稳定性分析及监测预警具有重要的理论及实际意义。
附图说明
[0037]
图1是本发明实施例的方法实现流程图；
[0038]
图2是本发明实施例中室内土坡降雨实验的仪器布置剖面图；
[0039]
图3是本发明实施例中室内土坡降雨实验的仪器布置平面图；
[0040]
图4是本发明实施例中残积土电导率-基质吸力曲线拟合图。
具体实施方式
[0041]
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0042]
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0043]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0044]
如图1所示，本实施例提供了一种基于土体电导性能的土质滑坡基质吸力测试方法，包括以下步骤：
[0045]
1)建立基于土体电导性能的非饱和残积土基质吸力测量方法：
[0046][0047]
式中，σ为土体电导率，σs为饱和土体电导率，ψ为基质吸力，α、β为拟合参数，p为饱和度指数。
[0048]
在本实施例中，步骤1)具体包括以下步骤：
[0049]
1a)将archie模型拓展于非饱和土，并建立土体饱和度与电阻率关系：
[0050]
ρ＝aρwn-msr-p
ꢀꢀ
(2)
[0051]
式中，ρ为土体电阻率，ρw为孔隙水电阻率，a为土性参数，m为土性参数，n为土体孔隙率，sr为饱和度，p为饱和度指数。
[0052]
1b)土的电导率是电阻率的倒数：
[0053][0054]
1c)联立式(2)、(3)得到土体饱和度-电导率关系：
[0055][0056]
式中，σ为土体电导率，σw为孔隙水电导率。
[0057]
1d)土的体积含水率与土的饱和度之间的转换关系如下：
[0058][0059]
式中，θ为体积含水率，vw为孔隙水体积，v为土样总体积，w为含水率，γd为土的干重度，γw为孔隙水重度。
[0060]
1e)联立式(4)、(5)，将土体积含水率与土体和度密转换关系式代入土体饱和度与含水率关系，得到土体电导率-含水率模型：
[0061][0062]
1f)非饱和土中，土体吸力与体积含水率之间的关系曲线称为土-水特征曲线(swcc)，土-水特征曲线与土的渗透函数、抗剪强度指标等有关。常见的模型有van genuchten模型、fredlund-xing模型等。在本实施例中，采用van genuchten模型表示如下：
[0063][0064]
式中：θs和θr分别为饱和体积含水率与残余体积含水率。
[0065]
由于残积土残余含水率确定困难，因此，在本实施例中不考虑残余含水率的影响，对vg模型修正如下：
[0066][0067]
1g)将van genuchten模型参数中的体积含水率参数用电导率-体积含水率公式(keller修正公式)中的电导率替换，联立式(6)、(8)，得到基质吸力和电导率之间的数学模型如下：
[0068][0069]
2)获取通过室内土坡降雨实验测得的非饱和土电导率-含水率曲线实测数据。
[0070]
3)获取通过室内土坡降雨实验测得的非饱和土含水率-基质吸力曲线实测数据。
[0071]
4)将步骤2)测得的非饱和土电导率数据和步骤3)测得的非饱和土基质吸力数据代入式(1)中进行拟合，得到饱和度指数p和拟合参数α、β。
[0072]
在本实施例中，饱和度指数p和拟合参数α、β的拟合方法具体为：基于测得的非饱和土电导率数据和非饱和土基质吸力数据，以电导率作为横坐标，基质吸力作为纵坐标，绘制散点图，然后做非线性拟合，得到饱和度指数p和拟合参数α、β。
[0073]
5)将得到的饱和度指数p和拟合参数α、β代入式(1)，即得到土体的电导率-基质吸力模型；对于非饱和土体，将其电导率代入所述电导率-基质吸力模型，即求出土体基质吸力。
[0074]
本实施例还提供了一种基于土体电导性能的土质滑坡基质吸力测试系统，包括存储器、处理器以及存储于存储器上并能够被处理器运行的计算机程序指令，当处理器运行该计算机程序指令时，能够实现上述的方法步骤。
[0075]
下面结合具体施例对本发明作进一步描述：
[0076]
本实施例所用土样为福建福州地区非饱和残积土。首先，根据室内土质滑坡降雨实验，通过在室内土坡中埋设土体电导率含水率传感器、基质吸力传感器(室内土坡模型与传感器埋设剖面图与平面图如图2、3所示)，获得土体不同电导率下的基质吸力值，并将土体电导率做横坐标，基质吸力做纵坐标绘制散点图，再将数据代入基于土体电导性能的基质吸力测量模型即式(1)中进行非线性拟合，获得饱和度指数p与拟合参数α、β。实验用残积土拟合结果为α＝0.03、β＝1.64、p＝1.31，基于土体电导率的残积土基质吸力预测模型为：ψ＝33.33[(σs/σ)
1.95-1]
0.61
，r2＝0.84，拟合曲线如图4所示。在测得数据中随机抽取部分点，代入拟合公式验算，将实测值与拟合值进行比较，误差范围合理，较为精准，如表1所示。
[0077]
表1电导率-基质吸力预测模型计算结果
[0078][0079][0080]
目前公布的对非饱和土基质吸力测量的模型并未将土体电导性能参数作为测量指标，本发明利用土体电导性能参数来测量土体基质吸力，为土体基质吸力测量增加了一种新的选择，并且得益于电导率更为多样与便捷的检测手段，如电阻率成像法(ert)等，解决了基质吸力的大范围监测手段仍不够多样与便捷的问题，对土坡稳定性分析及监测预警具有重要的理论及实际意义。
[0081]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0082]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产
生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0083]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0084]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0085]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。