不同测试力下岩土层性质参数之间互相换算的方法与流程

本发明涉及一种不同测试力下岩土层性质参数之间互相换算的方法，其属于工程力学、岩土力学基础理论与应用技术研究领域。

背景技术：

长期以来，工程地质勘探主要以确定地层的承载力为目标，而不确定地层的性质参数。然而，地层的承载力与地层的性质参数关系非常密切，要确定地层的承载力，就必须通过探测来确定地层的性质参数。

地层的性质参数并不是常数，而是变数。在工程地质勘探中，无论现场进行原位测试还是在室内进行力学实验，只要探测方法不同，或探测力不同，所获得的地层性质参数都会不同。这些不同参数在数据上存在不统一性，不能直接进行相互对比，需要通过换算之后才能相互对比。长期以来，人们始终不很清楚这一点，所以，在工程地质勘探中，人们一直没有考虑这个问题。当前，在国内外都没有考虑这个问题。

发明专利《地基极限承载力的测量方法》(专利号：201310012898x)给地层性质确定了两种参数：虚度和实度。一般来说，探测力越大，虚度就越大，实度就越小；反之，亦反。因此，在工程地质勘探中需要考虑不同探测作用下地层性质参数的统一性和可对比性问题。

技术实现要素：

本发明针对工程地质勘探中未考虑地层性质参数统一性和可对比性的缺陷，提供一种不同测试力下岩土层性质参数之间互相换算的方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种不同测试力下岩土层性质参数之间互相换算的方法，已知地层的极限承载力为fmax＝t0f0；在勘探中使用的探测工具产生的探测强度即探测力为f，通过探测获得某地层的虚度和实度分别为e和t，而在标准测试力f0的作用下该地层的虚度和实度分别为e0和t0，那么，它们之间的相互换算公式分别为

和

所述虚度和实度参数随着作用强度和变形强度变化而变化，即作用强度越小、变形量越小、虚度越小、实度越大。

本发明的有益效果是：考虑地层性质参数在数据上的统一性和可对比性的意义在于确定不同建筑物作用下地层性质的变化规律，为建筑物基础设计和施工奠定良好的基础。在勘探过程中，可以选择不同的测试作用来获取不同的地层性质参数，然后，根据本发明给出了的互换公式，将所测得的地层性质参数数据换算为某一标准的数据。标准的地层性质参数主要用于地层性质差别的统一对比，用于划分地层的工程地质级别，有着重要的工程地质学研究意义。

基于作用学新理论，解决了现有地层性质测试数据统一换算和对比性问题，为基础理论科学、基础理论应用科学、工程地质勘探科学的发展与完善拓宽了道路。

附图说明

图1为某地层虚度与作用强度之间的关系曲线示意图；

图2为某地层实度与作用强度之间的关系曲线示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

1、正确认识地层性质和地层承载力概念

在传统理论中有很多描述地层性质的概念，如松散、密实、坚硬、软弱、完整、破碎、可塑性、不可塑性、孔隙度、裂隙度、脆性、粘性、韧性、含水性等等，然而，人们对这些概念中的许多概念的本质含义却不是很清楚。所以，长期以来，地层性质的度量始终没有确切的定量标准，一般都是采用定性描述方法大致描述地层性质特征。

根据作用学新理论，工程地质研究中涉及到的地层性质概念主要是地层在作用下变形或不变形的一种性质，其本质是变形程度或不变形程度。变形程度决定于地层的松散程度、孔隙裂隙程度、风化程度、内部质点活动性等等，其实质是决定于地层内部和外部可变形空间存在的多少。作用学将变形程度叫做虚度，即虚弱或软弱程度。不变形程度决定于地层的密实程度，其实质是决定于地层内部空间含量的多少以及质点的排列组合关系和联结方式等。作用学将不变形程度叫做实度，即坚硬程度。虚度与实度不仅与内部质空关系有关，与周围环境之间的质空关系也有关。虚度和实度都是一种百分数，或者是介于0～1之间的小数。其物理特性类似于百分比含量等物理学概念，并不是任意参数，只是它们与作用有关，与变形有关。虚度记为e，实度记为t，两者都是无量纲参数，它们分别用于度量地层的软弱程度和密实坚硬程度，详见发明专利《地基极限承载力的测量方法》(专利号：201310012898x)。

地层的承载力是指地层在保持不产生任何变形量前提下所能够承载的最大作用强度。作用强度是指作用物体对单位受作用面产生的作用力，传统理论称之为应力，记为σ，其量纲为“吨/米²”或“牛顿/米²”。在保持不变形条件下，地层能够承受的最大应力值就等于地层的承载力，记为σmax。

2、地层虚度、实度和承载力与作用强度、变形强度之间的关系规律

虚度和实度都不是确定的常数，而是一种随着作用强度和变形强度变化而变化的一种物理量。一般来说，作用强度越小，变形量越小，虚度越小，实度越大；反之，作用强度越大，变形量越大，虚度越大，实度越小。但是，承载力却是一种不变的常数。根据定义，地层的承载力是一种恒量，它一般不改变其值的大小。任何一种地层，无论多么软弱，它都有一个使其虚度等于0、实度等于1的作用强度范围。如图1所示，任意地层的虚度和实度及其承载力与作用强度之间的关系规律是特定的：当作用强度(应力)介于0～17.688吨/米²之间时，地层保持不变形，其虚度总是等于0，实度总是等于1，该地层的承载力是σ＝17.688吨/米²。当作用强度大于17.688吨/米²时，地层的虚度和实度就随着作用强度的增大而变化：作用强度越大，地层变形量越大，虚度值越大，实度值越小；反之，亦反。

3、认识测试力对地层性质参数取值的影响

地层的性质参数的取值不仅决定于地层本身的性质，而且受测试力即作用强度的控制。测试力的大小，即作用强度的大小，直接规定材料性质参数取值的标尺和取值范围，直接限定了材料性质参数测试仪器的适用范围。

如果分别用两种测试力来测试地层的性质，测试力分别为100公斤和200公斤，那么，测试结果会得到同一种地层的两种不同性质参数，并且，100公斤测试力适用测试的地层范围远远少于200公斤测试力适用测试的地层范围，而且，两个测试力下度量材料性质的标尺完全不同。

如果用100公斤力测试得到某地层的虚度值为e＝0.1＝10％，实度值为t＝0.9＝90％，那么，在200公斤测试力下，该地层的虚度值为e＝0.55＝55％，该地层的实度为t＝0.45＝45％。在使用两种测试力测试地层性质时，计算地层虚度和实度的公式都是根据作用学给出来的理论公式

和

来完成的。在公式中的作用量a可以看做是参数，即a是度量材料性质的尺度或标定量；而虚作用量af和实作用量at都是与材料性质参数即虚度和实度有关的变量。测试力f与作用量之间的关系是a＝ft，t表示作用时间。测试力确定以后，作用量随作用时间变化而变化。当规定作用时间为单位时间时，即当t＝1时，a＝f。假设在100公斤测试力支配下，在单位时间内，探头自由运动能产生的位移量是l＝5单位，而在探测地层时探头在地层中的实际位移量为x＝0.5单位，那么，作用量是a＝100×5＝500，虚作用量是af＝100×0.5＝50，实作用量是at＝100×(5-0.5)＝450，因此，虚度和实度分别为

当探测力改为200时，在探测力支配下，在单位时间内，探头自由运动产生的位移量是l＝10单位，探测上述同一个地层时探头的实际位移量是x＝5.5单位，探测同一个地层的作用量变为a＝200×10＝2000，虚作用量变为af＝200×5.5＝1100，实作用量是at＝200×(10-5.5)＝900，因此，虚度和实度分别变为

通过上述论证可以看出：测试力不同，度量材料性质的尺度不同，材料表现出来的作用学性质特征也不同。一般来说，测试力只适用于它的取值所限定的测试范围。这种限定主要决定于其所能产生的最大位移量，即在一定作用量支配下，探头只能产生一个特定的最大位移量，该最大位移量限定在测试地层性质时探头的探测位移范围，不能产生超出其最大位移量范围的变形位移量。如果取一个超出范围的变形位移量数值来计算，就会得到不切实际的地层性质参数。如上述在100公斤测试力下探头的极限位移量是l＝5单位，如果用大于该位移量的数据，假如取变形位移x＝5.5单位来计算地层的虚度，结果会得到不切实际的地测性质数，即会得到不切的虚度值和实度值：

和

这两个数值都是错误数值，因为虚度和实度的最大值都是1，它们的最小值都是0，没有大于1的虚度值，也没有小值是0的实度值。

总之，在大测试力下测得的变形数据不能用于小测试力下计算地层性质参数公式的计算，因为参数不相同。

4、不同测试力下产生的不同岩土层性质参数之间的相互换算

假设在勘探中使用的探测工具产生的探测强度即探测力为f，通过探测获得某地层的虚度和实度分别为e和t，而在标准测试力f0的作用下该地层的虚度和实度分别为e0和t0，那么，它们之间的相互换算公式分别为

和

根据发明专利《地基极限承载力的测量方法》(专利号：201310012898x)，地层的极限承载力为

fmax＝t0f0。

5、应用方法举例

例：在工程地质勘探中选择确定了某个持力地层。确定依据是：在200公斤探测力(公斤/米²)下该持力地层的虚度是0.01，实度是0.99。而该地层承载的建筑物产生的作用强度是500公斤/米²。问：选择该持力地层做天然地基能否满足承载建筑物的需要？

解：由题意知，探测力是f＝200公斤/米²，虚度是e＝0.01，实度是t＝0.99，承载力即标准探测力是f0＝500公斤/米²。

根据互换公式和得：建筑物作用下该持力地层的虚度是

建筑物作用下该持力地层的实度是

答：选择该地层作持力地层、构成天然地基是不合理的。因为在建筑物的作用下，该地层的可变形程度即虚度值为60.4％，不可变形程度为39.6％，地层变形速度会很大，变形量会很大，不能保证建筑物的稳定性，满足不了承载建筑物的需要。建议选择大于500公斤/米²的探测强度进行探测，确定在大于500公斤/米²探测强度条件下，地层的虚度和实度满足承载建筑物的要求。例如，在600公斤/米²的探测强度条件下，找到虚度为0.01、实度为0.99、厚度足够的地层，可以选择其为建筑物的持力地层。该地层在承载500公斤/米²建筑物作用强度条件下，其虚度为

其实度为

由于虚度和实度都是介于0～1之间的数，而计算结果是虚度小于0的数，实度是大于1的数，而计算结果出现了小于0的虚度和大于1的实度，违背了虚度和实度概念的客观含义，在理论上说不通。产生这种错误结果的原意是：600公斤测试力下测试计算地层性质的公式与小于600公斤测试力下测试计算地层性质的公式不一致性。但是，换算公式仍然具有应用价值，换算结果仍有实用价值。因为，在这种情况下，虚度为负值和实度为超过1的数值能够说明：该建筑物压力达不到使地基下沉变形的条件。计算虚度值为e0＝-0.188、计算实度值为t0＝1.188，虽然因为取值标尺不正确而产生了与实际不符的虚度值和实度值，但这种脱离实际的数值也能用于承载力计算：在保持不变形条件下，该地层能够产生承载建筑物的最大承载作用强度为

fmax＝t0f0＝500×1.188＝594公斤/米²。

只要建筑物对该地层产生的压强不超过594公斤/米²，建筑物就不会下沉，就能保持稳定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。