一种无粘性地基土内摩擦角和变形模量的预测方法与流程

本发明属于无粘性地基土工程领域，更具体地，涉及一种无粘性地基土内摩擦角和变形模量的预测方法。

背景技术：

有效内摩擦角是无粘性土的抗剪强度指标，变形模量是无粘性土的压缩性指标，它们是无粘性土上地基基础设计的两个重要参数。

根据我国建筑地基基础设计规范，无粘性土的有效内摩擦角主要采用原状土室内剪切试验获得，或者应用原位标准贯入试验结果与内摩擦角的经验公式估计得到。土的压缩性指标确定主要采用原状土室内压缩试验、原位浅层或深层平板载荷试验、或旁压试验等方法获取。上述室内试验方法由于会破坏土的原状性，对土层相关参数的真实值会有影响；同时，土工试验需要相关的高精密专业仪器设备，试验操作过程复杂。而以原位试验为基础的方法难以同时得到这两个重要参数。因此，如何在不进行室内土工试验的条件下，获取土层的有效内摩擦角和变形模量以指导初步的地基基础设计，有着高效、低成本等重要意义。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种无粘性地基土内摩擦角和变形模量的预测方法，通过现场获取的土层剪切波波速、压缩波波速以及土层深度，结合已有的土力学基本原理及经验公式，由此解决无室内土工试验下内摩擦角和变形模量计算的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种无粘性地基土内摩擦角和变形模量的预测方法，其特征在于，该预测方法包括下列步骤:

(a)测定待预测地基土的土层压缩波波速剪切波波速和中间深度Z_i；

(b)根据经验公式计算所述土层密度ρ_i，通过该土层密度与所述土层的中间深度Z_i计算所述土层的竖向有效应力σ′_voi，该竖向有效应力结合无限弹性介质内波的传播特性以及弹性理论计算出所述土层的泊松比v_i和变形模量E_i；

(c)根据广义胡克定律计算无粘性土静止土压力系数K_0i，然后通过该K_0i和待预测的内摩擦角的关系式计算所述

(d)根据无粘性土的初始变形模量E_i和有效围压应力σ′_ci的关系式，得到所述土层模量数K_i的表达式，将所述泊松比v_i、初始变形模量E_i和竖向有效应力σ′_voi代入该表达式中计算出所述土层模量数K_i；

(e)在所述待预测地基土上附加预设应力Δσ_i，根据待计算变形量与所述土层模量数K_i，所述泊松比v_i和竖向有效应力σ′_voi的关系式计算该待预测变形模量E_i^*。

优选地，在步骤(a)中，测定所述和优选采用单孔法、跨孔法或面波法中的一种。

优选地，在步骤(b)中，所述经验公式优选采用下列表达式(一)，

所述泊松比v_i和变形模量E_i优选采用下列表达式(二)和(三)，

优选地，在步骤(c)中，所述广义胡克定律计算K_0i优选采用下列表达式(四)，

所述该K_0i和待预测的内摩擦角的关系式优选采用下列表达式(五)计算，

优选地，在步骤(d)中，所述土层模量数K_i的表达式优选按照下列表达式(六)，其中，p_a为标准大气压强，

优选地，在步骤(e)中，待预测变形模量与所述土层模量数K_i，所述泊松比v_i和竖向有效应力σ′_voi的关系式优选按照下列表达式(七)进行，

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，够取得下列有益效果：

1、本发明通过采用地质勘察的压缩波和剪切波波速，并且不采用土工试验，能够预测出非饱和无粘性土的强度和刚度参数，相对现有计算方法而言，更加经济高效；

2、本发明通过采用单孔法、跨孔法或面波法中的一种获得压缩波和剪切波波速，能够保证压缩波及剪切波速的准确性，同时通过结合广义胡克定律、无限弹性介质内波的传播特性、以及无粘性地基土本身特性，实现预测内摩擦角和变形量的准确性；

3、本发明提供的计算方法步骤简单，成本低廉，计算过程便于控制，所计算的无粘性土的内摩擦角和土层变形模量参数准确度高，可应用于结构基础初步设计中，大大降低设计成本。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的内摩擦角和变形量的计算方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本发明的估计非饱和无粘性地基土内摩擦角和变形模量的方法的具体流程图，其技术原理是根据当前土层的压缩波波速剪切波波速并考虑基础施加的附加应力，用以估算当前土层的抗剪强度参数(有效内摩擦角)和土层的变形模量，该方法主要包括如下步骤：

1)在岩土工程勘察中，采用单孔法、跨孔法或面波法测定土层的压缩波波速剪切波波速计算出土层的中间深度Z_i

2)根据下述经验公式求得土层的密度：

从而可得土层的竖向有效应力：

根据无限弹性介质内波的传播特性及弹性理论可得到：

联立上面两式既可以得到由压缩波波速剪切波波速表示土的泊松比v_i和变形模量E_i的公式：

3)根据广义胡克定律，结合无黏性土的的静止土压力系数的计算公式，可建立用泊松比v_i来表示有效内摩擦角的公式，求得有效内摩擦角的值：

4)根据无黏性土的变形模量公式和土层的有效围压应力σ′_ci的计算公式：

可得土层的模量数K_i计算公式为：

将上述步骤2)求得的泊松比v_i、变形模量E_i值和土层中间深度的竖向有效应力σ′_voi带入上式可以求得模量数K_i。

5)根据步骤4)求得的土层的模量数，考虑在原地基上建设基础的附加应力Δσ_i，计算原土层在建立基础后的地基变形模量E_i：

以下为本发明的实施例：

根据勘擦报告，当前土层第一层的压缩波波速为328m/s²，剪切波波速为167m/s²，土层厚度为14m，用测量工具测量土层第一层中间深度为7m。拟建造的基础对土层的附加应力为Δσ_i＝100KPa。

1)根据勘擦报告，获取土层的压缩波波速剪切波波速和计算出土层中间深度Z_i值分别为167m/s²、328m/s²和7m。

2)根据经验公式求得土层的密度：

从而可得土层的竖向有效应力：

根据无限弹性介质内波的传播特性和弹性理论可得：

联立上面两式既可以得到由压缩波波速剪切波波速表示土的泊松比v_i和变形模量E_i的值为：

3)根据广义胡克定律，结合无黏性土的静止土压力系数的计算公式，可建立用泊松比v_i来表示有效内摩擦角的公式，求得有效内摩擦角的值：

4)根据无黏性土的变形模量公式和土层的有效围压应力σ′_ci的计算公式：

将上述步骤2)求得的泊松比v_i、变形模量E_i值和土层中间深度的竖向有效应力σ′_voi带入上式可以求得模量数K_i为：

5)根据步骤4)求得的土层的模量数，考虑在原地基上建设基础的附加应力Δσ_i，计算原土层在建立基础后的地基变形模量E_i：

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。