[發明專利]粘性河岸土體抗拉強度的間接測定方法

在審

• 申請號: 201610100950.0
• 申請日: 2016-02-24
• 公開（公告）號: CN105675843A
• 公開（公告）日: 2016-06-15
• 發明（設計）人: 夏軍強;鄧珊珊;宗全利;彭玉明;張曉雷;林芬芬
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 溫珊姍

技術領域

本發明涉及水利工程技術領域，具體的說是基于粘性河岸土體發生繞軸崩 塌的力學機理，提出一種粘性河岸土體抗拉強度的間接測定方法。

背景技術

目前國內外對粘性土體抗拉強度研究較少，且由于粘性土體一般不作為抗 拉材料使用，故實際工程中通常忽略其抗拉強度。但在遇到類似土體產生裂隙 及二元結構河岸崩塌等實際工程問題時，由于它們的崩塌力學機理涉及到土體 的抗拉強度，就有必要對該參數進行測試及研究。

土體抗拉強度的測試成果依賴于相應的試驗方法和理論基礎。傳統的土體 抗拉強度試驗主要包括直接拉伸試驗和間接拉伸試驗兩類。直接拉伸試驗是對 土體樣本直接施加軸向拉力，在無側限壓力或側向壓力保持不變的條件下測試 土樣的抗拉強度。間接拉伸試驗則是假設土的拉伸破壞符合一定的應力-應變關 系，用壓裂等間接方法進行試驗，然后用與試驗方法相適應的理論公式計算抗 拉強度。

然而粘性土體的抗拉強度受其物理指標(如含水率及干密度)的影響，且與 土體的結構密切相關。傳統的試驗方法通常需要將采集的土體樣本進行重塑， 這往往會對土體原狀結構產生較大擾動，進而影響土體的抗拉強度，致使此類 室內試驗結果與原狀土體的實際抗拉強度存在較大偏差。

發明內容

本發明的目的在于提供一種粘性河岸土體抗拉強度的間接測定方法，該方 法能彌補傳統土體抗拉試驗中必須對土樣進行重塑或擾動較大而導致測試結果 出現較大偏差的缺陷。

本發明的原理為：基于粘性土體在下部掏空后發生繞軸崩塌的力學機理， 推導出抗拉強度的計算公式；并通過現場原型試驗測定河岸土體的臨界懸空寬 度，繼而間接測定其抗拉強度。具體為：粘性河岸土體的繞軸崩塌過程表現為 當下部土體被掏空后，上部懸空土體逐漸失去支撐，隨著懸空寬度的增加，土 體表面出現裂縫，隨后裂縫逐漸發展，最后懸空土體在其自重作用下發生繞軸 崩塌，繞軸崩塌的中性軸位于裂縫以下土體的受力中心。根據懸臂梁平衡力學 理論，粘性河岸土體發生繞軸崩塌的力學條件為懸空土體自重引起的外力矩大 于斷裂面上由土體抗拉及抗壓應力形成的抵抗力矩，且應力通常沿斷裂面呈三 角形分布。通過建立相應力學平衡表達式，可得出土體崩塌的臨界懸空寬度與 重力及土體抗拉/壓強度的函數關系。故通過現場實驗測定粘性土體發生崩塌的 臨界懸空寬度及相應崩塌土體的大小及重量，可間接測定粘性河岸土體的抗拉 強度。

本發明粘性河岸土體抗拉強度的間接測定方法，包括如下步驟：

(1)選擇測試對象及地點，記錄相應GPS坐標及測試時間，試驗土體為河岸 上部的粘性土層，優選土體組成較為均勻且表面植被分布較少的土體，以減少 植被根系對土體抗拉強度的影響；

(2)選取適量土體，測定土體的體積及重量，得到土體的天然容重；將該測 試土體進行烘干，測定烘干后的重量；

(3)現場采用河岸土體挖空的方法，開展原型崩塌試驗，包括如下子步驟；

(3.1)確定試驗土體的范圍；

(3.2)平整試驗土體表面，清除土體表層的雜草及根系；

(3.3)在試驗土體兩側切出豎向土槽，以釋放相鄰土體的應力；

(3.4)選取特定高度的粘性河岸土體，平整緩慢地掏空試驗土體底部，使上 部土體逐漸懸空，記錄每次的掏空后的土體懸空寬度；

(3.5)增大懸空寬度直至試驗土體頂部出現明顯拉伸裂縫，表明將要發生崩 塌，小幅度地繼續掏空試驗土體下部土層，記錄懸空土體的寬度；

(3.6)當頂部拉伸裂縫充分發展時，試驗土體產生明顯且劇烈的繞軸晃動， 表明即將發生崩塌，及時測量土體崩塌時的臨界懸空寬度；

(3.7)取不同高度及不同長度的試驗土體，重復步驟(3.1)-步驟(3.6)；

(4)對不同時段及不同位置的試驗土體，開展現場崩塌試驗，確定其臨界 懸空寬度；

(5)整理、匯總試驗數據，并計算粘性河岸土體物理參數，包括但不限于含 水率、干容重和干密度；

(6)基于粘性河岸土體發生繞軸崩塌的力學機理，依據臨界情況下的力學平 衡條件，推求土體抗拉強度的計算公式，并利用臨界懸空寬度，及試驗土體形 態和物理參數間接計算土體的抗拉強度；

(7)根據以上試驗數據，繪制土體含水率及干密度與其抗拉強度的關系曲線 圖，分析土體抗拉強度隨含水率及干密度的變化規律。