CN108376188A - 黄土湿陷性的评价计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种黄土湿陷性的评价计算方法，根据孔内注水旁压实验结果计算出浸水后黄土的应力—应变(湿陷变形)曲线，根据该曲线确定黄土的湿陷起始压力，通过地基土某一深度浸水后的应力值与湿陷起始压力值的比较判定黄土的湿陷性，从而可确定黄土的(自重)湿陷底界，湿陷底界可做为湿陷性黄土地基处理的最大深度，自重湿陷底界是确定地基处理深度的重要依据，同时可做为桩基的中性点深度；根据黄土浸水后的应力—应变曲线可计算出某一的应力段的模量，据模量可计算黄土的湿陷量。本发明的有益效果是：公开了一种计算黄土(自重)湿陷量的方法，为黄土湿陷量的计算提供了一条新的途径。

Description

黄土湿陷性的评价计算方法
技术领域
本发明涉及建筑工程技术领域，具体涉及一种黄土湿陷性的评价计算方法，可用于大厚度自重湿陷性黄土的湿陷底界、湿陷起始压力、桩基中性点深度和黄土湿陷量的确定。
背景技术
黄土在我国分布较广，很多地区的黄土不但有湿陷性，而且具有自重湿陷性，自重湿陷性黄土在我国西北、华北等地分布的面积及厚度均较大，而大厚度自重湿陷黄土的评价与处理在工程中是一项较为棘手的问题。目前黄土的湿陷量可通过浸水载荷试验、野外试坑浸水试验和室内试验计算得到。浸水载荷试验及野外试坑浸水试验精度高，但投资、费用较大，试验周期长，工程中不宜普遍采用。工程常采用的方法是按现行《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025-2004)中规定的室内试验法进行，该方法的依据是室内有侧限固结试验，其试验条件与野外土的应力状态有较大出入，计算时其修正系数变化幅度太大，所确定的湿陷底界、桩基中性点位置、湿陷量等均与野外浸水试验结果存在较大差异，并且试验过程相对复杂。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种简单快捷、基于原位测试的黄土湿陷性的评价计算方法。
为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
一种黄土湿陷性的评价计算方法，包括以下步骤：
步骤1，在试验场地间隔建立第一钻孔和第二钻孔，且两个钻孔均钻至湿陷性黄土层底部；在所述的两个钻孔中，由上至下分别确定多个测试点；
步骤2，第一钻孔中由下至上在每个测试点处分别进行旁压试验；
步骤3，对第二钻孔的孔底进行防渗处理后进行注水，然后在第一个测试点处进行旁压试验；将第二钻孔回填至第二个测试点之下，并进行防渗处理后注水，再进行第二次旁压试验；按照相同的方法，直至最后一个测试点完成旁压试验；
步骤4，分别绘制第一钻孔、第二钻孔中各测试点的旁压试验曲线，然后将所述的两组旁压试验曲线均转换为垂向的应力-应变曲线；
步骤5，对于两个钻孔中相同位置的测试点，计算第二钻孔的应力-应变曲线与第一钻孔的应力-应变曲线上对应点的差值，并根据差值绘制应力-应变曲线，然后根据该曲线确定测试点所在位置的湿陷起始压力；
步骤6，如黄土中某一深度在饱和状态下的应力大于该深度对应的湿陷起始压力，则判定该深度的黄土湿陷。
进一步地，所述的第一钻孔、第二钻孔的直径、深度相同，每一个钻孔中相邻测试点之间的间距相同。
进一步地，步骤3中所述的防渗处理后注水的具体步骤包括：
用石灰和黄土以1:3的重量比例混合后在孔底铺设15cm并用冲击钻夯击，然后注水，记第二钻孔横截面为S，则注水量为S立方米；注水后等待至少8小时，在试验前观察若孔底水位高于10cm，则将孔内的水抽去；然后在测试点进行旁压试验。
一种黄土自重湿陷底界及桩基中性点深度的确定方法，包括：
计算不同深度黄土的饱和自重应力，饱和自重应力与湿陷起始压力相等或最接近的位置即中性点的位置，同时也是自重湿陷底界；总应力(即饱和自重应力与上部建筑物产生的附加应力之和)与湿陷起始压力相等或接近的位置即黄土的湿陷底界。
进一步地，在确定所述桩基中性点的位置时，在同一坐标系下，根据不同位置的湿陷起始压力绘制起始压力曲线，根据黄土不同位置的自重应力绘制自重应力曲线，求取起始压力曲线与自重应力曲线的交点，或起始压力曲线上与自重应力曲线上最接近的点对应的位置即为中性点位置。
一种黄土自重湿陷量的计算方法，包括：
确定黄土的自重湿陷底界深度，将该深度以相同的间隔分为不同的分层；
根据应力-应变曲线，计算所述分层的湿陷模量：
上式中，Ei为第i分层土的湿陷模量，P2i为分层上界处黄土的饱和自重应力，P1i为分层下界处黄土的饱和自重应力，s2i、s1i分别为P2i、P1i在所述应力-应变曲线上对应的变形量；
按照下面的公式计算每个分层的自重湿陷量：
上式中，Δsi为第i分层土的自重湿陷量，为第i分层土的应力增量，hi为分层的厚度；
则黄土的自重湿陷量为：
上式中，s为黄土的自重湿陷量，n为分层的层数；P2i若为总应力，则计算所得的s即为黄土的湿陷量。
本发明具有以下技术特点：
本发明的思路是，将浸水后湿陷性黄土的旁压试验即横向载荷试验的应力——应变(湿陷变形)曲线转换为纵向(载荷试验)应力——应变曲线，根据曲线拐点确定湿陷起始压力，以湿陷起始压力与地基土层中某一点的总应力的关系判定黄土层的湿陷与否，根据纵向应力——应变曲线确定土的模量，根据模量以及地基土中某一点的应力、用传统的力学方法计算湿陷变形，即湿陷量，从而达到既可确定黄土层的湿陷底界，又可计算黄土湿陷量的目标。本发明方法基于原位试验(旁压试验)，可以简便、快捷地评价黄土湿陷性，并且为湿陷性黄土中桩基中性点、湿陷底界的确定以及黄土自重湿陷量或湿陷量的计算提供了一条新的途径。
附图说明
图1中(a)为第一钻孔、第二钻孔的俯视示意图，(b)为第一钻孔、第二钻孔的截面示意图；
图2为通过旁压试验所得到的P-V曲线示意图；
图3为通过转换得到的湿陷变形的应力-应变曲线(第二曲线)；
图4为本发明方法的流程图。
具体实施方式
本发明公开了一种通过孔内注水旁压实验法评价黄土湿陷性的方法。进行旁压测试的前提是，对整个(野外)场地的湿陷性已有一定的了解，如已进行了探井开挖或钻探，进行了不同深度的湿陷系数、自重湿陷系数测定。
一种黄土湿陷性的评价计算方法，包括以下步骤：
步骤1，在试验场地间隔建立第一钻孔(1#)和第二钻孔(2#)，且两个钻孔均钻至湿陷性黄土层底部；在所述的两个钻孔中，由上至下分别确定多个测试点；
本方案中，设置的第一钻孔和第二钻孔分别用于进行天然状态及浸水状态下的旁压试验。两孔的距离适当，尽量保持两孔的土性一致，但又不会在测试过程中相互影响，例如两孔的间距可以为2～3m，如图1中的(a)和(b)所示。两个钻孔的直径、深度均一致，并且在钻孔时，两个钻孔应均钻至湿陷性黄土层的底部，即钻至湿陷系数及自重湿陷系数小于0.015的位置。本实施例中，钻孔深度H＝19m。
在两个钻孔中，由下至上分别确定多个测试点，例如对于第一钻孔，从下至上，分别确定距离钻孔底部1m、3m、5m、…、19m为测试点；记1m处为第一个测试点，3m处为第二个测试点，以此类推。第二钻孔中测试点的设置和第一钻孔相同，即两个钻孔中在相同深度的测试点位置对应。
步骤2，第一钻孔中由下至上在每个测试点处分别进行旁压试验；本实施例中，在第一钻孔中1m、3m、5m、…、19m这些测试点处依次利用旁压器进行旁压试验；
步骤3，对第二钻孔的孔底进行防渗处理后进行注水，然后在第一个测试点处进行旁压试验；
可选地，一种进行防渗处理和注水的方法为：用石灰和黄土以1:3的重量比例混合后在第二钻孔底铺设15cm并用冲击钻重锤夯击5～7次，然后注水，记第二钻孔横截面为S，则注水量为S立方米，即注水深度为1m；如果在注水后发现水位下降明显，如1小时内水位下降一半以上，则需再补充S立方米水，直至水位下降不明显；注水后等待至少8小时，使黄土能充分饱和。
8小时后进行试验前，观察若孔底水位高于10cm，则将孔内的水抽去；如果孔有塌陷，则通过钻机进行清孔，然后在测试点进行旁压试验。这里的测试点即为第一个测试点，即距离孔底1m的位置。
在第二钻孔第一次进行注水旁压试验后，第二钻孔回填至第二个测试点(3m处)之下，黄土的回填量可以为两个测试点高度的差值，例如回填2米黄土；此时对回填后形成的孔底进行防渗处理后注水，具体的防渗处理和注水的方法与第一次相同，然后再进行第二次旁压试验；按照与第一次、第二次相同的方法，不断进行回填、防渗、注水和旁压试验，直至最后一个测试点(19m处)完成旁压试验。
步骤4，分别绘制第一钻孔、第二钻孔中各测试点的旁压试验曲线，然后将所述的两组旁压试验曲线均转换为垂向的应力-应变(P-S)曲线；
如图2所示，为旁压试验曲线(P-V曲线)示意图，其中P为旁压试验时测试点的压力，V为旁压腔的体积变形量。每一个测试点均对应一个P-V曲线，则一个钻孔就生成了一组P-V曲线；然后将P-V曲线转换成垂向的应力-应变曲线(为方便理解和表述，此处的应力-应变曲线记为第一曲线)，应力-应变曲线(P-S)中的P指对应点的应力，S指对应点的应变。转换方法来自于下面的文献：
刘琼,杨光华,李德吉.用旁压试验结果推算载荷试验p-s曲线[J].广东水利水电,2008(08):82-84.
杨光华.地基非线性沉降计算的原状土切线模量法[J].岩土工程学报,2006(11):1927-1931；
步骤5，对于两个钻孔中相同位置的测试点，计算第二钻孔的应力-应变曲线与第一钻孔的应力—应变曲线上对应点变形的差值，并根据差值绘制应力-应变曲线，然后根据该曲线确定测试点所在位置的湿陷起始压力；
经过上面的步骤，每一个钻孔均生成了一组应力-应变曲线，即在1m、3m、5m、…、19m处的应力应变曲线，然后计算两个钻孔中同一位置测试点的P-S曲线的差值，并将该差值生成新的应力-应变曲线(记为第二曲线)，即两个钻孔同一个测试点的两条第一曲线对应位置做差后，结果仍然是一条曲线，即所述的第二曲线。
具体地，将第二钻孔的第一个测试点的第一曲线上不同应力对应的应变S2减去第一钻孔上第一个测试点第一曲线上对应应力的应变S1，差值即为湿陷变形量S0，然后绘制P-S曲线，即所述的第二曲线。第二曲线P-S，其中的P代表应力，但S则代表湿陷应变。
绘制好第二曲线后，根据该曲线确定湿陷起始压力Psh，如图3所示，曲线的拐点处即为湿陷起始压力；不同曲线形态的Psh取值方法参考以下文献：
郑晏武，中国黄土的湿陷性，北京：地质出版社，1982。
步骤6，如黄土中某一深度在饱和状态下的应力大于该深度对应的湿陷起始压力，则判定该深度的黄土湿陷。
通过上述的步骤后，每一个测试点(即本实施例中1m、3m、5m、…、19m处)确定了一个湿陷起始压力Psh，然后将湿陷起始压力与土层深度对应起来。
在实际应用时，例如需要判定黄土1米深度是否湿陷，则首先通过旁压试验或其附近勘探点的资料计算饱和状态下黄土中1米深处的应力，然后将应力与经过本方法确定的1米处的湿陷起始压力比较，当所述的应力大于等于Psh时即可判为湿陷，否则为不湿陷。
如果需要判定的深度与本方法测试的深度不一致，例如需要测试的深度为2米，而本方法只提供了1米和3米深度对应的Psh，则可以求取1米和3米位置对应的Psh平均值作为2米处的Psh，或者将不同深度的Psh连接成一条曲线来确定不同位置的Psh。
在上述技术方案的基础上，本发明还提供了一种黄土自重湿陷底界及桩基中性点深度的确定方法，包括：
计算不同深度黄土的饱和自重应力，饱和自重应力与湿陷起始压力相等或最接近的位置即中性点的位置，同时也是自重湿陷底界；同样的方法可确定考虑上部荷载时的湿陷底界：总应力(即饱和自重应力与上部建筑物产生的附加应力之和)与湿陷起始压力相等或最接近的位置即湿陷底界。
优选地，在确定所述中性点的位置时，在同一坐标系下，根据不同位置(深度)的湿陷起始压力绘制起始压力曲线(即将不同位置的湿陷起始压力依次连接起来形成的曲线)，根据黄土不同位置(深度)的饱和自重应力绘制饱和自重应力曲线，求取起始压力曲线与饱和自重应力曲线的交点，或起始压力曲线上与自重应力曲线上最接近的点对应的位置即为中性点位置，即深度。
在上述技术方案的基础上，本发明进一步提供了一种黄土(自重)湿陷量的计算方法，利用第二曲线(P-S)可计算出相应的应力段的模量，不妨称该模量为湿陷模量，再根据湿陷模量及土的某一深度处的附加应力、按力学原理即可计算出自重湿陷量或湿陷量，计算深度至自重湿陷或湿陷底界，该底界以下黄土不具自重湿陷性或湿陷性，底界以上黄土具有自重湿陷性或湿陷性。下面举例说明黄土自重湿陷量的计算，具体步骤包括：
确定黄土的自重湿陷底界深度(即前面步骤1中所述的湿陷性黄土底部所对应的位置)，将该深度以相同的间隔分为不同的分层；本实施例中，以2m为间隔分层，例如距离孔底0～2.0m、2.0～4.0m、4.0～6.0m、6.0～8.0m、8.0～10.0m、10.0～11.0m…进行分层，使得不同的测试点位于不同的分层中。若遇地层分界，如有古土壤夹层，则小层的分层界限取地层分界深度。
根据应力-应变曲线，计算所述分层的湿陷模量：
上式中，Ei为第i分层土的湿陷模量，P2i为分层上界处黄土的饱和自重应力，P1i为分层下界处黄土的饱和自重应力，s2i、s1i分别为P2i、P1i在所述应力-应变曲线(这里指第二曲线)上对应的变形量；
以2.0～4.0m的自重湿陷量计算为例，P2i为2m处土的自重应力，P1i为4米处土的自重应力，在第二曲线上找出这两个值对应的变形量即s2i、s1i。
按照下面的公式计算每个分层的自重湿陷量：
上式中，Δsi为第i分层土的自重湿陷量，为第i分层土的应力增量，即某一小层底部黄土的饱和自重应力与其顶部自重应力之差，hi为分层的厚度，本实施例中取2m；
则黄土的自重湿陷量为：
上式中，s为黄土的自重湿陷量，n为分层的层数。
如果孔深较大，测试周期较长，浸水孔可同时采用多个钻孔、分段进行测试的方法，如某一钻孔进行1m、5m、9m，……测试，另一钻孔进行3m、7m、11m….测试；同理可计算黄土的湿陷量，不同之处是计算时P2i采用总应力，即P2i若为总应力，则计算所得的s即为黄土的湿陷量。

Claims (8)

1.一种黄土湿陷性的评价计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在试验场地间隔建立第一钻孔和第二钻孔，且两个钻孔均钻至湿陷性黄土层底部；在所述的两个钻孔中，由上至下分别确定多个测试点；
步骤2，第一钻孔中由下至上在每个测试点处分别进行旁压试验；
步骤3，对第二钻孔的孔底进行防渗处理后进行注水，然后在第一个测试点处进行旁压试验；将第二钻孔回填至第二个测试点之下，并进行防渗处理后注水，再进行第二次旁压试验；按照相同的方法，直至最后一个测试点完成旁压试验；
步骤4，分别绘制第一钻孔、第二钻孔中各测试点的旁压试验曲线，然后将所述的两组旁压试验曲线均转换为垂向的应力-应变曲线；
步骤5，对于两个钻孔中相同位置的测试点，计算第二钻孔的应力-应变曲线与第一钻孔的应力-应变曲线上对应点的差值，并根据差值绘制应力-应变曲线，然后根据该曲线确定测试点所在位置的湿陷起始压力；
步骤6，如黄土中某一深度在饱和状态下的应力大于该深度对应的湿陷起始压力，则判定该深度的黄土湿陷。
2.如权利要求1所述的黄土湿陷性的评价计算方法，其特征在于，所述的第一钻孔、第二钻孔的直径、深度相同，每一个钻孔中相邻测试点之间的间距相同。
3.如权利要求1所述的黄土湿陷性的评价计算方法，其特征在于，步骤3中所述的防渗处理后注水的具体步骤包括：
用石灰和黄土以1:3的重量比例混合后在孔底铺设15cm并用冲击钻夯击，然后注水，记第二钻孔横截面为S，则注水量为S立方米；注水后等待至少8小时，然后观察若孔底水位高于10cm，则将孔内的水抽去；然后在测试点进行旁压试验。
4.一种黄土自重湿陷底界及桩基中性点深度的确定方法，其特征在于，包括：
计算不同深度黄土的饱和自重应力，饱和自重应力与湿陷起始压力相等或最接近的位置即中性点的位置，同时也是自重湿陷底界。
5.如权利要求1所述的黄土自重湿陷底界及桩基中性点深度的确定方法，其特征在于，在确定所述中性点的位置时，在同一坐标系下，根据不同位置的湿陷起始压力绘制起始压力曲线，根据黄土不同位置的自重应力绘制自重应力曲线，求取起始压力曲线与自重应力曲线的交点，或起始压力曲线上与自重应力曲线上最接近的点对应的位置即为中性点位置。
6.如权利要求4所述的黄土自重湿陷底界及桩基中性点深度的确定方法，其特征在于，将所述的饱和自重应力替换为总应力，即饱和自重应力与上部建筑物产生的附加应力之和，则总应力与湿陷起始压力相等或最接近的位置即黄土的湿陷底界。
7.一种黄土自重湿陷量的计算方法，其特征在于，包括：
确定黄土的自重湿陷底界深度，将该深度以相同的间隔分为不同的分层；
根据应力-应变曲线，计算所述分层的湿陷模量：
上式中，Ei为第i分层土的湿陷模量，P2i为分层上界处黄土的饱和自重应力，P1i为分层下界处黄土的饱和自重应力，s2i、s1i分别为P2i、P1i在所述应力-应变曲线上对应的变形量；
按照下面的公式计算每个分层的自重湿陷量：
上式中，Δsi为第i分层土的自重湿陷量，为第i分层土的应力增量，hi为分层的厚度；
则黄土的自重湿陷量为：
上式中，s为黄土的自重湿陷量，n为分层的层数。
8.如权利要求7所述的黄土自重湿陷量的计算方法，其特征在于，将P2i替换为总应力，则计算所得的s则为黄土的湿陷量。
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