一种精确评估扁铲侧胀仪上原位应力的方法

摘要

本发明公布了一种精确评估扁铲侧胀仪上原位应力的方法，属于岩土工程勘察设计领域，具体涉及扁铲侧胀仪试验数据处理分析过程。所要解决的技术问题是提供一种精确评估扁铲侧胀仪原位应力的方法，不仅能够计算扁铲侧胀传统试验土体压力‑位移线性关系的情况，还能够精确计算扁铲侧胀仪试验土体压力‑位移非线性关系的情况。采用的技术方案是：采用图形的方法来确定扁铲侧胀压力‑位移关系曲线屈服点Y，Y＝ex+f‑gh

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程勘察设计领域，具体涉及一种精确评估扁铲侧胀仪上原位应力的方法。

背景技术

扁铲侧胀试验由意大利Marchetti教授30多年前发明，作为一个常规的表征场地特性的装置，已被广泛用于岩土工程实践中，其具体是利用气压使扁铲探头上的钢膜片侧向膨胀，分别测得膜片中心侧向膨胀不同距离(0.05mm和1.1mm这两个特定位置)时的气压值，根据测得的气压与变形关系，获取地基土的参数，能够给岩土工程师提供一个简单有效的工具来获取准确、可信的土的性质如土的状态，应力历史，扁铲侧胀模量。随着扁铲侧胀的全世界范围内普遍使用，各种修正的扁铲侧胀试验提出为了不同的目的，在这些修正的设备中，扁铲侧胀试验能够产生一个完整的压力-位移曲线，通过比较标准扁铲侧胀试验两个特定位移点(0.05mm和1.1mm)处的压力读数，一个完整的压力-位移的扁铲侧胀试验曲线让我们更清楚地理解扁铲侧胀技术，同时也表明在评估土性质方面有希望改善。

修正的第一次原位应力(P₀)在扁铲侧胀试验中是很重要的，因为求土性指数I_D、水平应力指数K_D以及扁铲侧胀模量E_D等这些常用的参数时都需要输入中间参数原位应力P₀，那么确定P₀的任何误差都会导致土体性质的不能正确评估甚至无误判。

在标准的扁铲侧胀试验中，P₀来自假定线性的压力-位移曲线关系，可以从膜侧向膨胀为0.05mm和1.10mm的压力值反推。如下公式：

p₀＝1.05(A-z_M+ΔA)-0.05(B-z_M-ΔB)

p₁＝B-z_M-ΔB

p₂＝C-z_M+ΔA

p₀膜片向土中膨胀之前的接触压力，kPa；p₁膜片膨胀至1.10mm时的压力，kPa；p₂膜片回到0.05mm时的终止压力，kPa；ΔA,ΔB为通过标定得到膜片的标定值，用于对A，B读数进行修正。z_M压力表零漂，kPa。

这样可以看到P₀不能直接测试，但实际上是在零位移时的一个修正压力值。这种方法对于线性的压力-位移关系可以准确地，可重复地求的P₀，但是对于土体呈现高度非线性压力-位移关系就会估计不准，有偏差。

而对于目前扁铲侧胀试验处理手段只能适用于土体具有线性的压力-位移关系。很显然对于土体呈现非线性的压力-位移关系时采用传统的扁铲侧胀试验方法显得很局限且不准确。

本发明基于常规的扁铲侧胀试验，提出了一种能够精确评估扁铲侧胀仪原位应力的方法，简单实用，结果准确，为岩土工程勘测设计提供正确有效的测试参数。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是针对传统扁铲侧胀试验数据处理中位移与压力的近似线性关系不能准确反映土体的真实情况的问题，提出一种能够精确评估扁铲侧胀仪原位应力的方法，适用范围广，使用方便精确。利用该方法能够正确有效地测定扁铲侧胀试验修正的第一次原位应力(P₀)，进而正确求解土体参数。

技术方案：一种精确评估扁铲侧胀仪上原位应力的方法，具体步骤如下：

步骤一、利用装有压力传感器和位移传感器的扁铲侧胀实验，获得完整的压力-位移曲线，其中，x轴上位移为线性刻度，y轴上压力为对数刻度；

步骤二、通过扁铲侧胀试验得到一个初始硬土在加载时响应的曲线，拟合曲线的数据点从膜开始移动的起始脱离点O到加载的最后，用一个幂函数表示为：

y＝ax^b+c

步骤三、确定拟合曲线的最大曲率值点，由于曲率是曲率半径的倒数，最大曲率点由最小半径值给出，即曲率半径最小的点，采用数学曲率半径R的定义，由方程(5)的幂函数来确定R，方程(5)如下：

R＝x^2-b[(a²b²x^(2b-2)+1)^3/2]/[ab(b-1)]

步骤四、过最大曲率值点作垂直线与切线；

步骤五、作第四步中垂直线与切线之间的平分线；

步骤六、用线性拟合后屈服曲线的直线部分；

步骤七、第五步中的平分线与第六步中的直线段或者其延长线相交于一点，通过该点获取屈服点的位移；利用屈服点Y来区别重新加载阶段O-Y与后屈服阶段Y-A-B，O为膜开始移动的起始脱离点，Y是屈服的开始，A是位移为0.05mm时的压力读数，B是位移为1.10mm时压力的读数；

步骤八、屈服点Y通过下列表达式确定：

Y＝ex+f-gh^x

其中e、f为线性渐近线的参数，g表示非线性部分的范围，h表示非线性速率；

步骤九、屈服点Y确定后，后屈服曲线的起始阶段也确定了，零位移处的P₀也能够根据后屈服曲线的拟合方程进行外推求得。

进一步的，所述的步骤七中，与典型的前期固结压力确定方法不一样，因为扁铲侧胀试验是位移可控试验，土单元加载通过钢膜扩张膨胀到位移为1.1mm时获得，不同的土体在同样的压力下获取的位移也不同，所以压力需要在不同的土体的变化位移来获取。一维固结试验是压力可控试验，试样承受压力的增量直到最后压力等于或者大于四倍的前期固结压力。因此，在一些土体中，扁铲侧胀试验中不可能获得一个足够大压力，但最终最大位移1.1mm通常高于相交点的位移的多倍。

进一步的，所述的步骤九中，外推P₀采用的后屈服曲线的拟合方程，只有g≥0且0＜h＜1才有效。

有益效果：本发明要解决的技术问题是针对传统扁铲侧胀试验数据处理中位移与压力的近似线性关系不能准确反映土体的真实情况的问题，提出一种能够精确评估扁铲侧胀仪上原位应力的方法，利用该方法能够正确有效地测定扁铲侧胀试验修正的第一次原位应力(P₀)，适用范围广，自动化程度高，减小了误差，使用方便精确。进而正确求解土体参数，全面反映土体性质。

附图说明

图1是本发明的扁铲侧胀实验的压力-位移示意图。

其中有：即在膜开始移动的起始脱离点O，屈服的开始点Y，位移为0.05mm时的压力读数A，位移为1.10mm时压力的读数B，重新加载阶段O-Y，后屈服阶段Y-A-B。

图2是几种典型的扁铲侧胀试验压力-位移图。

具体实施方式

本发明的一种精确评估扁铲侧胀仪原位应力的方法为：

利用装有压力传感器和位移传感器的扁铲侧胀实验，获得完整的压力-位移曲线，分析曲线上关键点来确定第一次原位应力(P₀)。

通过扁铲侧胀试验得到压力-位移曲线以及一个初始硬土在加载时响应的曲线，如图2，在加载阶段考虑几个重要的点，O即在膜开始移动的起始脱离点，Y是屈服的开始，A是位移为0.05mm时的压力读数，B是位移为1.10mm时压力的读数。主要包括两个方面：首先是确定屈服点Y来区别重新加载阶段O-Y与后屈服阶段Y-A-B，其次基于加载曲线的后屈服阶段来估计P₀。

在一维固结试验，前期固结压力不能直接测试，但可以通过使用经验图形得到令人满意的结果，比如利用Casagrande(1936)提出的方法，那么介于扁铲侧胀试验与一维固结实验相似的加载过程，它们都是首先不加载在铲贯入过程中，而后进行初始加载，那么也可以采用相似化的图形的方法来确定扁铲侧胀压力-位移关系曲线屈服点Y。

确定方法包括如下步骤：

第一步，通过扁铲侧胀试验，绘制半对数曲线，其中x轴上位移为线性刻度，y轴上压力位对数刻度，这是典型的扁铲侧胀试验曲线，可以清楚地表明应力应变关系；

第二步，拟合曲线的数据点从脱离点到加载的最后，用一个幂函数表示为

y＝ax^b+c

第三步，确定拟合曲线的最大曲率值点，由于曲率是曲率半径的倒数，最大曲率点由最小半径值给出，即曲率半径最小的点，采用数学曲率半径R的定义，由方程(5)的幂函数来确定R，方程(5)如下：

R＝x^2-b[(a²b²x^(2b-2)+1)^3/2]/[ab(b-1)]

第四步，过最大曲率值点作垂直线与切线；

第五步，作第四步中垂直线与切线之间的平分线；

第六步，用线性拟合后屈服曲线的直线部分；

第七步，第五步中的平分线与第六步中的直线段或者其延长线相交于一点，通过该点获取屈服点的位移；利用屈服点Y来区别重新加载阶段O-Y与后屈服阶段Y-A-B，O为膜开始移动的起始脱离点，Y是屈服的开始，A是位移为0.05mm时的压力读数，B是位移为1.10mm时压力的读数；

步骤八、屈服点Y通过下列表达式确定：

Y＝ex+f-gh^x

其中e、f为线性渐近线的参数，g表示非线性部分的范围，h表示非线性速率；

第九步，屈服点Y确定后，后屈服曲线的起始阶段也确定了，零位移处的P₀也可根据后屈服曲线的拟合方程进行外推求得。

所述的第七步中，与典型的前期固结压力确定方法不一样，因为扁铲侧胀试验是位移可控试验，土单元加载通过钢膜扩张膨胀到位移为1.1mm时获得，不同的土体在同样的压力下获取的位移也不同，所以压力需要在不同的土体的变化位移来获取。一维固结试验是压力可控试验，试样承受压力的增量直到最后压力等于或者大于四倍的前期固结压力。因此，在一些土体中，扁铲侧胀试验中不可能获得一个足够大压力，但最终最大位移1.1mm通常高于相交点的位移的多倍。

所述的第九步中，外推P₀采用的后屈服曲线的拟合方程，只有g≥0且0＜h＜1才有效。

所述的第一步到第九步的算法已编制程序，可以自动化地实现快速计算。

本发明不仅能够计算扁铲侧胀传统试验土体压力-位移线性关系情况，还能够精确计算扁铲侧胀试验土体压力-位移非线性关系的情况，利用该方法能够正确有效地测定扁铲侧胀试验修正的第一次原位应力(P₀)，适用范围广，自动化程度高，减小了误差，使用方便精确。进而正确求解土体参数，全面反映土体性质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。