一种黏土地层中泥水劈裂裂隙伸展模型的构建方法与流程

本发明涉及地下工程领域，尤其涉及一种黏土地层中泥水劈裂裂隙伸展模型的构建方法。

背景技术：

土体中的劈裂现象在土力学及地基基础领域还是一个比较新的课题，既有的相关研究都是关于土体劈裂注浆，浆液在土体内部劈裂形成注浆裂缝并逐渐在钻孔附近形成纵横交错的网状浆脉。

上述情形一般只针对其注浆的效果进行研究，并且需考虑浆液在土体中的渗透作用，但如果注浆速率及压力达到一定程度后，浆液来不及渗透进土体就已经在压力的作用下将土体劈开，并且后续的裂隙向自由地表面继续伸展，现有技术中暂没有关于劈裂发生、裂隙延伸过程的详细研究。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的上述缺陷，提供一种黏土地层中泥水劈裂裂隙伸展模型的构建方法，由此可通过构建的模型计算劈裂裂隙的伸展速度、总延伸量等参数，实现对泥水劈裂过程中的一些参数的量化，以及为更深一步研究土体中泥水劈裂伸展机理提供参考与借鉴。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种黏土地层中泥水劈裂裂隙伸展模型的构建方法，其具体包括如下步骤：

s1、用黏土堆积形成厚度为16-22m的均一黏土层；

s2、在所述黏土层中竖直埋设直径为钢管，以及在所述钢管底端连接泥水加压管，且在所述泥水加压管的外周面开设至少一个加压孔；在所述黏土层上方设置用于存储加压液体的泥水箱以及加压装置，且使得所述泥水箱与所述钢管连通；在所述泥水箱与所述钢管之间设置第一阀门，且所述泥水箱上还设置有排气阀；所述泥水箱的底部设置用于测量所述泥水箱内的压力变化的地表压力计；用加压管连接所述加压装置与泥水箱，且在所述加压装置上连接用于测量加压装置中压力变化的加压压力计；所述钢管底部设置有用于测量所述钢管内压力变化的前端压力计；

s3、加压前，先开启排气阀以排出所述泥水箱内的空气，开启加压装置，以此通过加压管给所述泥水箱中的加压液体加压，加压速度为1-2kpa/s，使加压液体在压力作用下进入到所述钢管以及泥水加压管中，且从所述加压孔中流出，以此形成泥水劈裂；

s4、假定所述泥水劈裂的裂隙在厚度均匀的圆形板状空间内延伸，且向地表伸展，同时将所述加压孔的直径简化为0，则按照公式(1)-(3)计算圆形板状空间的周长及达到该周长所需的时间，所述公式(1)-(3)如下：

qt＝πr²b(1)；

其中，b为圆形板状空间p1的厚度；q为劈裂伸展流量为；r为圆形板状空间p1的半径；y为任意时刻圆形板状空间p1的周长；t为圆形板状空间p1的周长达到y时所需的时间；

或，假定所述泥水劈裂的裂隙在厚度均匀的半椭圆形板状空间内延伸，并将半椭圆简化为梯形，且同时所述加压孔的直径d不为0，则按照公式(4)-(8)计算半椭圆形板状空间半短轴的伸展速度、半椭圆的长轴长度达到该长轴长度所需的时间，所述公式(4)-(8)如下：

q＝bδa＝byδl(4)；

其中，b为半椭圆形板状空间的厚度；q为劈裂伸展流量；△a为单位时间内梯形面积的增加量；y为任意时刻半椭圆的长轴长度；t为椭圆的长轴长度达到y时所需的时间；l为半椭圆半短轴的长度；△l为单位时间内l的增加量；v为半椭圆的半短轴的伸展速度；为半椭圆板状的短轴与梯形斜边的夹角。

优选的，所述步骤s3中，假定所述泥水劈裂的裂隙在厚度均匀的半椭圆形板状空间内延伸，且同时所述加压孔直径d不为0的情形下：

(1)当所述加压孔的埋深h≤d时，则

(2)当所述加压孔的埋深h>d时，则

其中，β为半椭圆形板状空间与水平面之间的角度；ys为半椭圆半短轴伸展到地表时的长度。

优选的，所述β为30°-45°。

优选的，所述钢管直径为45-55mm，所述泥水加压管的长度为15-30cm。

本发明技术方案的有益效果在于：

本发明的方法构建的模型计算劈裂裂隙的伸展速度、总延伸量等参数，且与实际观测到的泥水劈裂实验数据相符，由此实现对泥水劈裂过程中的一些参数的量化，以及为更深一步研究土体中泥水劈裂伸展机理提供参考与借鉴。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的实施例一中黏土地层中泥水劈裂裂隙伸展模型的构建方法中所使用装置的结构示意图；

图2a是本发明的实施例一中加压孔直径简化为0时，泥水劈裂裂隙的伸展示意图；

图2b是本发明的实施例一中加压孔直径简化为0时，泥水劈裂裂隙在圆板状空间p1内的示意图；

图3a是本发明的实施例一中加压孔直径不为0时，泥水劈裂裂隙的伸展示意图；

图3b是本发明的实施例一中加压孔直径不为0时，泥水劈裂裂隙在半椭圆形p2内的示意图；

图4是本发明的实施例一中加压孔直径不为0时，泥水劈裂裂隙伸展的简化模型示意图；

图5a是本发明的实施例一中加压孔的埋深h≤d时，裂隙的伸展方向示意图；

图5b是本发明的实施例一中加压孔的埋深h>d时，裂隙的伸展方向示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一：

本发明中的黏土地层中泥水劈裂裂隙伸展模型的构建方法包括如下步骤：

s1、如图1所示，用黏土堆积形成厚度为16-22m(优选为18m)的均一黏土层；

s2、如图1所示，在所述黏土层中竖直埋设直径为45-55mm(优选为50mm)钢管1，以及在所述钢管1底端连接长度为15-30cm(优选为20cm)的泥水加压管2，且在所述泥水加压管2的外周面开设至少一个加压孔21；在所述黏土层上方设置用于存储加压液体(所述加压液体为膨润土与水的混合物，按重量比计，所述膨润土的质量分数为10％-20％)的泥水箱3以及加压装置4，且使得所述泥水箱3与所述钢管1连通；在所述泥水箱3与所述钢管1之间设置第一阀门5，且所述泥水箱3上还设置有排气阀9；所述泥水箱3的底部设置用于测量所述泥水箱3内的压力变化的地表压力计8；用加压管6连接所述加压装置4与泥水箱3，且在所述加压装置4上连接用于测量加压装置4中压力变化的加压压力计7；所述钢管1底部设置有用于测量所述钢管3内压力变化的前端压力计10；此外，为了能进行精确的实验，钢管1和黏土层之间用混凝土砂浆密实充填，以形成混凝土砂浆层11；

加压前，先开启排气阀9以排出所述泥水箱3内的空气，开启加压装置4，以此通过加压管6给所述泥水箱3中的加压液体加压，加压速度为1-2kpa/s，使其在压力作用下进入到所述钢管1以及泥水加压管2中，且从所述加压孔21中流出，以此形成泥水劈裂；

s3、通过试验后的开挖观测来看，不同泥水劈裂的裂隙大致在半径不同、厚度均匀的圆形板状空间内延伸，因此假定裂隙在厚度均匀的圆形板状空间p1内延伸(如图2a-2b所示)，且向地表伸展，同时由于所述加压孔21直径较小，且其埋深h(如图1所示，所述埋深定义为加压孔21的圆心至地表的垂直距离)相对其直径d要大得多，因此在该种假定情况下，所述加压孔21的直径d可以近似简化为0；在此基础上，由于黏土渗透性差，泥水很难渗透进土体，因此假定流入劈裂裂隙空间的泥水容量等于劈裂裂隙的体积，进一步的，在数据处理单元中预先输入公式(1)-(3)，且按照公式(1)-(3)计算裂隙前端伸展至地表的时间，所述公式(1)-(3)如下：

qt＝πr²b(1)；

其中，b为圆形板状空间p1的厚度；q为劈裂伸展流量为；r为圆形板状空间p1的半径；y为任意时刻圆形板状空间p1的周长；t为圆形板状空间p1的周长达到y时所需的时间；

当裂隙伸展到地表、且圆形板状空间p1的周长约为125m时，通过公式(3)计算得到裂隙伸展到地表的时间为613s，而通过实际观测得到，实际发生劈裂的时刻约为第1509s，裂隙伸展到地表的时刻约为第2138s，中间经历了629s，基本符合该公式(3)的计算结果；

上述情况中将加压孔21的直径d简化为0，但实际上加压孔21直径d不会为0，其大小会直接影响裂隙发展的方向，该种情形下，裂隙大致在厚度均匀的半椭圆形板状空间p2(如图3a-3b所示)内延伸，因此，步骤s3中还给出了另一种假定的情形，即，假定所述泥水劈裂的裂隙在厚度均匀的半椭圆形板状空间p2内延伸，且向地表伸展，但此时所述加压孔21的直径为d不为0，同时，为便于计算，如图3a所示，该种情况中将半椭圆简化为梯形(即图3a中的阴影部分a1)，其厚度不变，其中，椭圆长轴为梯形的一个底边，与椭圆半短轴端点相切的、且与所述椭圆长轴平行的线段为梯形的另一个底边，随着劈裂的伸展，其所增加的面积即为阴影部分a2,a3….。同样，在数据处理单元中预先输入公式(4)-(8)，按照公式(4)-(8)计算裂隙前端伸展至地表的时间；

q＝bδa＝byδl(4)；

其中，b为半椭圆形板状空间p2的厚度；q为劈裂伸展流量；△a为单位时间内梯形面积的增加量(即图中的阴影部分a2、a3…)；y为任意时刻半椭圆的长轴长度；t为椭圆的长轴长度达到y时所需的时间；l为梯形的高度(也即半椭圆半短轴的长度)；△l为单位时间内l的增加量；v为半椭圆的半短轴的伸展速度；为半椭圆板状的短轴与梯形斜边的夹角。

具体的，由于假定流入劈裂裂隙空间的泥水容量等于劈裂裂隙的体积，那么单位时间内加压液体流过的流量等于其流过的面积乘以裂隙宽度，即q＝bδa＝byδl，则可以推导出进一步的，在裂隙伸展过程中，由图4可知，y和l满足若以l的伸展方向代表半椭圆形板状空间p2的伸展方向(也即图3a中箭头所指方向)，那么半椭圆形板状空间p2朝向地表的伸展速度由此可推导出进一步对其两边积分得到于是，裂隙前端延伸量(也即任意时刻椭圆的长轴长度)达到y时所需的时间为

此外，所述步骤s3中，假定所述泥水劈裂的裂隙在厚度均匀的半椭圆板状空间内向地表的方向伸展，且同时所述加压孔的直径为d的情形下：

(1)如图5a所示，当所述加压孔21的埋深h≤d时，可以认为加压孔21所在地层的应力状态为最大主应力与最小主应力基本相等，此时裂隙所在的半椭圆板状空间p2沿着从垂直方向到水平方向任意角度发生，并且朝着唯一的自由面即地表面斜向上伸展，则其中，β为半椭圆形板状空间p2与水平面之间的角度，各种情况下通过以往试验测得该角度β为30°-45°；

(2)如图5b所示，当所述加压孔的埋深h>d时，可以认为加压孔21所在地层的应力状态最大主应力与最小主应力的差值较大，裂隙所在的半椭圆板状空间沿着与水平方向上的最小主应力垂直的方向(即垂直于地表的方向)伸展，则

其中ys为半椭圆半短轴伸展到地表时的长度。

综上所述，本发明的构建的模型计算劈裂裂隙的伸展速度、总延伸量等参数，且与实际观测到的泥水劈裂实验数据相符，由此实现对泥水劈裂过程中的一些参数的量化，以及为更深一步研究土体中泥水劈裂伸展机理提供参考与借鉴。

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。