一种纤维与土界面强度参数确定方法与流程

本发明涉及一种抗剪强度参数确定方法，特别是一种纤维与土界面强度参数确定方法。

背景技术：

为了解决现有纤维土界面强度参数确定方法的不足，主要体现在不方便，低效，本发明基于能量耗散原理采用直剪试验确定纤维土界面强度参数。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足而提供一种纤维与土界面强度参数确定方法。

为了实现上述目的，本发明所设计的一种纤维与土界面强度参数确定方法，其通过能量耗散原理采用直剪试验确定纤维土界面强度参数。

纤维土的直剪能量耗散wfs为基质土直剪能量耗散ws与纤维与土界面破坏能量耗散wf之和。

wfs＝ws+wf(1)

所述基质土直剪能量耗散ws可通过直剪试验获得其f-s曲线，然后采用bp神经网络算法进行曲线拟合，其网络结构通常为1个输入层节点，2个隐含层节点和1个输出层节点，隐含层和输出层传递函数分别为

f(v)＝v(3)

特别地，在采用bp神经网络进行曲线拟合时，以直剪试验获得的剪切位移s为输入变量，剪力f为输出变量。为保证拟合精度，需要对输入变量和输出变量进行归一化处理。

经过拟合可得到f-s的拟合函数为

式中：

根据

可计算得到土体剪切能量耗散ws，其中smax＝4mm。

纤维与土界面强度可表示为

式中：lf为纤维长度，df为纤维直径，asf、δsf为纤维与土界面强度参数。

制作纤维土试样，同样进行直剪试验，获得f-s曲线，按照(2)～(5)得到纤维土的能量耗散wfs。

不同倾角的纤维在土中的体积密度为

式中，θ为纤维与水平方向的夹角，vf为纤维土试样中纤维的体积，v为纤维土试样体积。

在法向应力p作用下，θ方向纤维所受法向应力为

取θ方向微元体进行分析，θ方向微元体体积为

微元体中纤维的数量为

式中fv为单根纤维的体积

把(9)、(11)代入(10)可得

单根纤维与土界面破坏时的能耗为

在微元体中纤维与土界面破坏所需能耗为

将(6)、(8)、(12)和(13)代入(14)可得

其中，c1与纤维含量，纤维长度lf和纤维直径df有关，c2、c3与法向应力和基质土的内摩擦角有关。

由于纤维只能承受拉力，不能承受压力，在直剪试验过程中纤维与土界面破坏总能耗为

将(15)代入(16)可得

其中，与基质土的内摩擦角有关。

联立(1)与(17)代入基质土与纤维土直剪能耗ws和wfs，即可求得纤维土界面强度参数asf和δsf。

一种纤维与土界面强度参数的确定可按照如下步骤进行：

一、按照《土工试验方法标准》(gb/t50123-1999)制作基质土直剪试样，并按照快剪试验方法进行土样直剪试验，获得各级法向应力状态下f-s曲线以及土体的内摩擦角

二、采用神经网络算法进行曲线拟合，得到f(s)的函数表达式，神经网络结构为1个输入层节点，2个隐含层节点和1个输出层节点，隐含层和输出层传输函数分别为式(2)和(3)。

三、按照式(5)进行定积分计算，获得第i级法向应力作用下土样破坏的能耗wsⁱ。

四、取一定质量的土样，并加入与基质土样相同的含水量进行搅拌2分钟，并静置24小时，然后加入相对干土质量百分比的纤维，进行搅拌5分钟。

五、按照步骤一至三，确定纤维土样在第i级法向应力作用下剪切破坏能耗wfsⁱ。

六、根据纤维长度lf、直径df和掺量，计算纤维体积vf，c1。

七、根据法向应力p和土体内摩擦角计算c2，c3和c4。

八、第i级法向应力作用下时

九、由wfsⁱ＝wsⁱ+wfⁱ，第i级法向应力作用下时yi＝wfⁱ＝wfsⁱ-wsⁱ。

十、以不同法向应力下xi为横坐标，yi为纵坐标，将(xi，yi)绘制在坐标系上，采用线性拟合的方式将这些数据点进行拟合，拟合出来方程形式为y＝kx+c，可得出k和c的计算值。

十一、根据式(18)和式(19)可计算出纤维与土界面强度参数asf和δsf。

δsf＝arctank(19)

本发明得到的一种纤维与土界面强度参数确定方法，其能够通过能量耗散原理采用直剪试验确定纤维土界面强度参数；其具备方法简单、高效等优点。

附图说明

图1是在法向应力p作用下，θ方向纤维所受法向应力示意图；

图2是θ方向微元体体积计算的示意图；

图3是铁尾矿粉f-s拟合曲线的示意图；

图4是掺1％聚丙烯纤维铁尾矿粉f-s拟合曲线的示意图；

图5是线性拟合结果的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明提供的一种纤维与土界面强度参数确定方法，其通过能量耗散原理采用直剪试验确定纤维土界面强度参数。

纤维土的直剪能量耗散wfs为基质土直剪能量耗散ws与纤维与土界面破坏能量耗散wf之和。

wfs＝ws+wf(1)

所述基质土直剪能量耗散ws可通过直剪试验获得其f-s曲线，然后采用bp神经网络算法进行曲线拟合，其网络结构通常为1个输入层节点，2个隐含层节点和1个输出层节点，隐含层和输出层传递函数分别为

f(v)＝v(3)

特别地，在采用bp神经网络进行曲线拟合时，以直剪试验获得的剪切位移s为输入变量，剪力f为输出变量。为保证拟合精度，需要对输入变量和输出变量进行归一化处理。

经过拟合可得到f-s的拟合函数为

式中：

根据

可计算得到土体剪切能量耗散ws，其中smax＝4mm。

纤维与土界面强度可表示为

式中：lf为纤维长度，df为纤维直径，asf、δsf为纤维与土界面强度参数。

制作纤维土试样，同样进行直剪试验，获得f-s曲线，按照(2)～(5)得到纤维土的能量耗散wfs。

纤维在土中的体积密度为

式中，θ为纤维与水平方向的夹角，vf为纤维土试样中纤维的体积，v为纤维土试样体积。

如图1，在法向应力p作用下，θ方向纤维所受法向应力为

如图2，取θ方向微元体进行分析，θ方向微元体体积为

微元体中纤维的数量为

式中fv为单根纤维的体积

把(9)、(11)代入(10)可得

单根纤维与土界面破坏时的能耗为

在微元体中纤维与土界面破坏所需能耗为

将(6)、(8)、(12)和(13)代入(14)可得

其中，c1与纤维含量，纤维长度lf和纤维直径df有关，c2、c3与法向应力和基质土的内摩擦角有关。

由于纤维只能承受拉力，不能承受压力，在直剪试验过程中纤维与土界面破坏总能耗为

将(15)代入(16)可得

其中，与基质土的内摩擦角有关。

联立(1)与(17)代入基质土与纤维土直剪能耗ws和wfs，即可求得纤维土界面强度参数asf和δsf。

一种纤维与土界面强度参数的确定可按照如下步骤进行：

一、按照《土工试验方法标准》(gb/t50123-1999)制作基质土直剪试样，并按照快剪试验方法进行土样直剪试验，法向应力分别为100kpa、200kpa、300kpa和400kpa，获得各级法向应力状态下f-s曲线以及土体的内摩擦角

二、采用神经网络算法进行曲线拟合，得到f(s)的函数表达式，神经网络结构为1个输入层节点，2个隐含层节点和1个输出层节点，隐含层和输出层传输函数分别为式(2)和(3)。

三、按照式(5)进行定积分计算，获得第i级法向应力作用下土样破坏的能耗wsⁱ。

四、取一定质量的土样，并加入与基质土样相同的含水量进行搅拌2分钟，并静置24小时，然后加入相对干土质量百分比的纤维，进行搅拌5分钟。

五、按照步骤一至三，确定纤维土样在第i级法向应力作用下剪切破坏能耗wfsⁱ。

六、根据纤维长度lf、直径df和掺量，计算纤维体积vf，c1。

七、根据法向应力p和土体内摩擦角计算c2，c3和c4。

八、第i级法向应力作用下时

九、由wfsⁱ＝wsⁱ+wfⁱ，第i级法向应力作用下时yi＝wfⁱ＝wfsⁱ-wsⁱ。

十、以不同法向应力下xi为横坐标，yi为纵坐标，将(xi，yi)绘制在坐标系上，采用线性拟合的方式将这些数据点进行拟合，拟合出来方程形式为y＝kx+c，可得出k和c的计算值。

十一、根据式(18)和式(19)可计算出纤维与土界面强度参数asf和δsf。

δsf＝arctank(19)

举例：聚丙烯纤维与铁尾矿粉质量比为1％，铁尾矿粉的含水量为17％，纤维长度lf＝6mm，直径df＝0.023mm，直剪试样体积v＝60cm³，那么

按照《土工试验方法标准》(gb/t50123-1999)制作铁尾矿粉直剪试样，并按照快剪试验方法进行铁尾矿粉直剪试验，法向应力分别为100kpa、200kpa、300kpa和400kpa，获得各级法向应力状态下f-s曲线如图3，铁尾矿粉的内摩擦角为12.3°。可计算各级法向应力作用下的c1、c2、c3和c4。

表1各级法向应力作用下c1、c2、c3和c4计算结果

铁尾矿粉试样在100kpa、200kpa、300kpa和400kpa作用下的f-s试验和拟合曲线，如图3，bp神经网络拟合参数计算结果如表2。

表2铁尾矿粉直剪试验f-s曲线bp神经网络拟合参数

按照(6)可获得各级法向应力状态下铁尾矿粉试样直剪破坏的能量耗散，如表3。

表3各级法向应力作用下铁尾矿粉试样直剪破坏的能量耗散

取一定584g铁尾矿粉，并加入99g水进行搅拌2分钟，并静置24小时，然后加入5.84g聚丙烯纤维，进行搅拌5分钟。按照《土工试验方法标准》(gb/t50123-1999)制作纤维铁尾矿粉直剪试样，并按照快剪试验方法进行纤维铁尾矿粉直剪试验。掺1％聚丙烯纤维的铁尾矿粉在100kpa、200kpa、300kpa和400kpa作用下的直剪试验f-s数据点和拟合曲线如图4，bp神经网络拟合参数计算结果如表4。

表4掺1％聚丙烯纤维铁尾矿粉直剪试验f-s曲线bp神经网络拟合参数

按照(6)可获得各法向应力状态下掺1％聚丙烯纤维铁尾矿粉直剪能量耗散，如表5。

表5各级法向应力作用下掺1％聚丙烯纤维铁尾矿粉直剪能量耗散

根据和yi＝wfⁱ＝wfsⁱ-wsⁱ可得各级法向应力作用下的xi和yi，如表6。

表6xi、yi计算值

以xi为横坐标，yi为纵坐标将其画在直角坐标系，并采用线性拟合，如图5。

根据和δsf＝arctank，其中c＝0.0387，tank＝0.0122，可得asf＝0.242kpa，δsf＝0.7°。从而可以获得掺1％聚丙烯纤维时，在17％含水量时，聚丙烯纤维与铁尾矿粉的界面强度参数分别为asf＝0.242kpa，δsf＝0.7°。