CN103471920A - 基于一维应力松弛试验的软土流变参数确定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于一维应力松弛试验的软土流变参数确定方法及装置，该方法包括如下步骤：对天然软黏土进行一维应力松弛试验，记录竖向应力σ_v随时间t的变化规律；根据所记录的竖向应力σ_v和时间t的关系，画出lnσ_v-lnt的双对数曲线图，基于所画曲线获得该曲线斜率，该曲线斜率为应力松弛系数R_α；根据所求的应力松弛系数R_α，利用软土流变参数转换公式来确定软土的其他流变模型参数，本发明具有操作方便、耗时较短、节约试验成本和时间成本、提高试验效率及参数确定准确的优点。

Description

基于一维应力松弛试验的软土流变参数确定方法及装置

技术领域

本发明涉及一种软土流变参数确定方法及装置，特别是涉及一种基于一维应力松弛试验的软土流变参数确定方法及装置。

背景技术

近年来，越来越多的土木工程实践项目面临着软土地基流变的问题，对软土流变模型的研究及其参数确定有利于了解软黏土的流变特性，并指导工程实践。流变模型参数的确定方法可以根据参数的物理意义，对试验数据进行分析、计算、归纳等得到。目前学者们对软土的流变模型参数的确定上做了大量的研究。比较典型的有：赵维炳（1989）利用下降法确定流变模型参数，该方法虽然可以考虑固结阶段的沉降，但其初始参数对最后结果有很大的影响，有时不一定能得到合理的参数值；李西斌（2005）利用流变固结解析理论计算土层不同时刻的沉降以及土层底部的空隙水压力，然后根据非线性拟合方法进行参数拟合，然而该参数确定方法具有方法复杂，不便于操作等缺点。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种基于一维应力松弛试验的软土流变参数确定方法及装置，在一维应力松弛试验的基础上确定出应力松弛系数，并推导出软土应力松弛系数、速率效应系数和次固结系数三者的相互转化关系，进而通过它们之间的关系来得到速率效应系数和次固结系数的大小，达到了操作方便、耗时较短、节约试验成本和时间成本、提高试验效率及参数确定准确的目的。

为达上述及其它目的，本发明提出一种基于一维应力松弛试验的软土流变参数确定方法，包括如下步骤：

步骤一，对天然软黏土进行一维应力松弛试验，记录竖向应力σ_v随时间t的变化规律；

步骤二，根据步骤一所记录的竖向应力σ_v和时间t的关系，画出lnσ_v-lnt的双对数曲线图，基于所画曲线获得该曲线斜率，该曲线斜率为应力松弛系数R_α；

步骤三，根据步骤二所求的应力松弛系数R_α，利用软土流变参数转换公式来确定软土的其他流变模型参数。

进一步地，于步骤一中，将一维固结状态下的试验土样以恒定的应变速率压缩至某一特定应变值，然后关闭机器动力以保持应变不变，记录竖向应力σ_v随时间t的变化规律。

进一步地，该其他流变参数为速率效应系数β及次固结系数C_αe。

进一步地，该软土流变参数转换公式为：

$R_{\mathrm{\α}}=-\frac{\mathrm{\Δ}{\ln \mathrm{\σ}}_v}{\mathrm{\Δ}\ln t}=\frac{\mathrm{\λ}-k}{\mathrm{\λ\β}}=\frac{C_{\mathrm{\αe}}}{\mathrm{\λ}}$

其中λ为压缩指数，k为回弹指数。

进一步地，λ、k从等速一维压缩试验中直接量取。

进一步地，于步骤二中，对所画曲线进行量取获得该曲线的斜率。

为达到上述及其他目的，本发明还提供一种基于一维应力松弛试验的软土流变参数确定装置，至少包括：

一维应力松弛试验模组，用于对天然软黏土进行一维应力松弛试验，记录竖向应力σ_v随时间t的变化规律；

应力松弛系数获取模组，利用该一维应力松弛试验模组所记录的竖向应力σ_v和时间t的关系，画出lnσ_v-lnt的双对数曲线图，并基于所画曲线获取该曲线斜率，该曲线斜率为应力松弛系数R_α；

其他参数确定模组，根据获得的应力松弛系数利用软土流变参数转换公式来确定软土的其他流变模型参数。

进一步地，该软土流变参数转换公式为：

$R_{\mathrm{\α}}=-\frac{\mathrm{\Δ}{\ln \mathrm{\σ}}_v}{\mathrm{\Δ}\ln t}=\frac{\mathrm{\λ}-k}{\mathrm{\λ\β}}=\frac{C_{\mathrm{\αe}}}{\mathrm{\λ}}$

其中λ为压缩指数，k为回弹指数，λ、k从等速一维压缩试验中直接量取

进一步地，该一维应力松弛试验模组将一维固结状态下的试验土样以恒定的应变速率压缩至某一特定应变值，然后关闭机器动力以保持应变不变，记录竖向应力σ_v随时间t的变化规律。

进一步地，该其他流变参数包括速率效应系数β及次固结系数C_αe。

与现有技术相比，本发明一种基于一维应力松弛试验的软土流变参数确定方法及装置，在一维应力松弛试验的基础上确定应力松弛系数R_α，推导出软土应力松弛系数R_α、速率效应系数β和次固结系数C_αe三者的相互转化关系，并基于一维应力松弛试验测定土体的应力松弛系数R_α，进而通过它们之间的关系来得到速率效应系数β和次固结系数C_αe的大小，具有操作方便、耗时较短、节约试验成本和时间成本、提高试验效率及参数确定准确的优点。

附图说明

图1为本发明一种基于一维应力松弛试验的软土流变参数确定方法的步骤流程图；

图2为本发明一种基于一维应力松弛试验的软土流变参数确定装置的***架构图；

图3为本发明较佳实施例中等速一维固结试验特征图；

图4为本发明较佳实施例中lnσ_v-lnt的双对数曲线图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明一种基于一维应力松弛试验的软土流变参数确定方法的步骤流程图。如图1所示，本发明一种基于一维应力松弛试验的软土流变参数确定方法，包括如下步骤：

步骤101，对天然软黏土进行一维应力松弛试验，记录竖向应力σ_v随时间t的变化规律。具体地，将一维固结状态下的试验土样以恒定的应变速率压缩至某一特定应变值，然后关闭机器动力以保持应变不变，记录竖向应力σ_v随时间t的变化规律。

步骤102，根据步骤101所记录的竖向应力σ_v和时间t的关系，画出lnσ_v-lnt的双对数曲线图，基于所画曲线获得该曲线斜率，例如，在图上量取该曲线的斜率，即为应力松弛系数R_α=△lnσ_v/△lnt

步骤103，根据步骤102所求的应力松弛系数R_α，利用软土流变参数转换公式来确定软土的其他流变模型参数β（速率效应系数）以及C_αe（次固结系数）。软土流变参数转换公式为：

$R_{\mathrm{\α}}=-\frac{\mathrm{\Δ}{\ln \mathrm{\σ}}_v}{\mathrm{\Δ}\ln t}=\frac{\mathrm{\λ}-k}{\mathrm{\λ\β}}=\frac{C_{\mathrm{\αe}}}{\mathrm{\λ}}.$

式中λ为压缩指数，κ为回弹指数，λ、κ可以从等速一维压缩试验中直接量取。

图2为本发明一种基于一维应力松弛试验的软土流变参数确定装置的***架构图。如图2所示，本发明一种基于一维应力松弛试验的软土流变参数确定装置，至少包括：一维应力松弛试验模组201、应力松弛系数获取模组202以及其他参数确定模组203。

其中一维应力松弛试验模组201用于对天然软黏土进行一维应力松弛试验，记录竖向应力σ_v随时间t的变化规律。具体地，一维应力松弛试验模组201将一维固结状态下的试验土样以恒定的应变速率压缩至某一特定应变值，然后关闭机器动力以保持应变不变，记录竖向应力σ_v随时间t的变化规律。

应力松弛系数获取模组202利用一维应力松弛试验模组201所记录的竖向应力σ_v和时间t的关系，画出lnσ_v-lnt的双对数曲线图，并基于所画曲线，获取该曲线斜率，例如，在图上量取该曲线的斜率，即为应力松弛系数R_α=△lnσ_v/△lnt。

其他参数确定模组203根据获得的应力松弛系数利用软土流变参数转换公式来确定软土的其他流变模型参数β（速率效应系数）以及C_αe（次固结系数）。软土流变参数转换公式为：

$R_{\mathrm{\α}}=-\frac{\mathrm{\Δ}{\ln \mathrm{\σ}}_v}{\mathrm{\Δ}\ln t}=\frac{\mathrm{\λ}-k}{\mathrm{\λ\β}}=\frac{C_{\mathrm{\αe}}}{\mathrm{\λ}}.$

式中λ为压缩指数，k为回弹指数，λ、k可以从等速一维压缩试验中直接量取。

图3为本发明较佳实施例中等速一维固结试验特征图，图4为本发明较佳实施例中lnσ_v-lnt的双对数曲线图。以下将配合图3及图4通过一具体实施例对本发明之基于一维应力松弛试验的软土流变参数确定方法作具体介绍。在本发明较佳实施例中，本发明之基于一维应力松弛试验的软土流变参数确定方法，包括以下步骤：

（1）对天然软黏土进行一维应力松弛试验，将一维固结仪以恒定的应变速率压缩至某一特定应变，然后关闭机器动力以保持应变不变，记录竖向应力σ_v与时间t的关系。本实施例选取Berthierville软黏土为样本进行一维应力松弛试验。根据CRS（等应变速率压缩试验）试验，λ=0.492，κ=0.048。记录24h（24小时）内的竖向应力σ_v随时间的变化（如图3所示）。

（2）根据步骤（1）所记录的Berthierville软黏土应力松弛试验竖向应力σ_v和时间t的关系，整理试验数据画出lnσ_v-lnt的双对数曲线图（如图4所示）。在所画的lnσ_v-lnt的双对数曲线上量取该直线的斜率即为应力松弛系数R_α，可以求得应力松弛系数值为R_α=0.068。

（3）根据步骤（2）所求的应力松弛系数R_α，利用软土流变参数转换公式来确定软土的其他流变模型参数β（速率效应系数）以及C_αe（次固结系数）。其参数转换公式为

所以根据步骤（2）所求的应力松弛系数R_α=0.068，可以求的β=18.7，C_αe=0.027。

综上所述，本发明一种基于一维应力松弛试验的软土流变参数确定方法及装置，在一维应力松弛试验的基础上确定应力松弛系数R_α，推导出软土应力松弛系数R_α、速率效应系数β和次固结系数C_αe三者的相互转化关系，并基于一维应力松弛试验测定土体的应力松弛系数R_α，进而通过它们之间的关系来得到速率效应系数β和次固结系数C_αe的大小，具有操作方便、耗时较短、节约试验成本和时间成本、提高试验效率及参数确定准确的优点。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.本发明提出了软土应力松弛系数R_α、速率效应系数β和次固结系数C_αe三者相互转化关系，可以通过测定应力松弛系数R_α，来确定速率效应系数β和次固结系数C_αe的大小，计算比较简单。

2.本发明基于一维应力松弛试验，该试验操作简单，耗时较短，通过一维应力松弛试验画出lnσ_v-lnt的双对数曲线，该曲线斜率便是应力松弛系数R_α，方法简单，便于跟踪记录试验数据。

3.本发明大大降低软土流变参数取值的难度，节约了试验成本和时间成本，同时提高了试验效率。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种基于一维应力松弛试验的软土流变参数确定方法，包括如下步骤： 

步骤一，对天然软黏土进行一维应力松弛试验，记录竖向应力σ_v随时间t的变化规律； 

步骤二，根据步骤一所记录的竖向应力σ_v和时间t的关系，画出lnσ_v-lnt的双对数曲线图，基于所画曲线获得该曲线斜率，该曲线斜率为应力松弛系数R_α； 

步骤三，根据步骤二所求的应力松弛系数R_α，利用软土流变参数转换公式来确定软土的其他流变模型参数。 

2.如权利要求1所述的一种基于一维应力松弛试验的软土流变参数确定方法，其特征在于：于步骤一中，将一维固结状态下的试验土样以恒定的应变速率压缩至某一特定应变值，然后关闭机器动力以保持应变不变，记录竖向应力σ_v随时间t的变化规律。 

3.如权利要求2所述的一种基于一维应力松弛试验的软土流变参数确定方法，其特征在于：该其他流变参数为速率效应系数β及次固结系数C_αe。 

4.如权利要求3所述的一种基于一维应力松弛试验的软土流变参数确定方法，其特征在于，该软土流变参数转换公式为： 

其中λ为压缩指数，k为回弹指数。 

5.如权利要求4所述的一种基于一维应力松弛试验的软土流变参数确定方法，其特征在于：λ、k从等速一维压缩试验中直接量取。 

6.如权利要求1所述的一种基于一维应力松弛试验的软土流变参数确定方法，其特征在于：于步骤二中，对所画曲线进行量取获得该曲线的斜率。 

7.一种基于一维应力松弛试验的软土流变参数确定装置，至少包括： 

一维应力松弛试验模组，用于对天然软黏土进行一维应力松弛试验，记录竖向应力σ_v随时间t的变化规律； 

应力松弛系数获取模组，利用该一维应力松弛试验模组所记录的竖向应力σ_v和时间t的关系，画出lnσ_v-lnt的双对数曲线图，并基于所画曲线获取该曲线斜率，该曲线斜率为应力松弛系数R_α； 

其他参数确定模组，根据获得的应力松弛系数利用软土流变参数转换公式来确定软土的其他流变模型参数。 

8.如权利要求7所述的一种基于一维应力松弛试验的软土流变参数确定装置，其特征在于，该软土流变参数转换公式为： 

其中λ为压缩指数，k为回弹指数，λ、k从等速一维压缩试验中直接量取。 

9.如权利要求8所述的一种基于一维应力松弛试验的软土流变参数确定装置，其特征在于：该一维应力松弛试验模组将一维固结状态下的试验土样以恒定的应变速率压缩至某一特定应变值，然后关闭机器动力以保持应变不变，记录竖向应力σ_v随时间t的变化规律。 

10.如权利要求7所述的一种基于一维应力松弛试验的软土流变参数确定装置，其特征在于：该其他流变参数包括速率效应系数β及次固结系数C_αe。 

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