本发明涉及到崩塌、落石防治工程领域，尤其涉及一种颗粒特征参数计算缓冲层弹性模量的方法。
背景技术
崩塌、落石是一种发生在山区或公路边坡的自然现象。崩塌、落石发生后，巨大的石块滚落到山坡下或路边，对附近的居民住房、工厂等建筑设施，或公路等，都会造成极大的破坏。为了减缓冲击力的影响，采取土石缓冲层进行有效的防护就是一种经济有效的措施。最为经济适用的缓冲层就是由石块、砂石、土等材料组成，由其中一种或多种组成，因此不同的土石缓冲层的颗粒粒径具有不同的缓冲效果，而缓冲效果可以由缓冲层的弹性模量表达。
目前国内外对土石缓冲层的弹性模量的研究比较粗略，仅仅考虑了几种颗粒粒径的范围，软硬及密实程度，给出相应的弹性模量范围。这种颗粒粒径范围不仅比较粗略，具体的粒径范围定义也不明确，实际应用上确定其范围比较困难，不能满足实际的需要：当实际工地的可用土石材料比较粗时，如比较大的块石，大于卵石的粒径，就超越了目前的土石的弹性模量给定范围，无法确定弹性模量的取值，也无法判断是否能够满足减缓滚石冲击力的要求，或是浪费人力物力。
此外，这种缓冲层密实度的分级方法比较粗略，实际应用中可能会引起较大的误差，不能满足实际的需要。还有，这种划分方法没有考虑土石缓冲层的颗粒均匀度，当实际工地的土石缓冲层的颗粒均匀度不一致时，无法确定准确的弹性模量的取值，也无法判断是否能够满足减缓滚石冲击力的要求。
公开号为cn104360389a，公开日为2015年02月18日的中国专利文献公开了一种致密砂岩储层岩石弹性模量计算方法，其特征在于，包括：获取测井参数和致密砂岩储层的岩石物性参数；根据所述测井参数和所述岩石物性参数，结合预先建立的孔隙裂缝衰减模型计算高频下的岩石弹性模量；根据所述高频下的岩石弹性模量，结合预先建立的自洽模型，计算岩石的高频基质弹性模量；利用所述岩石的高频基质弹性模量，结合所述孔隙裂缝衰减模型，计算任意频率下的饱和岩石弹性模量。
该专利文献公开的致密砂岩储层岩石弹性模量计算方法，针对致密砂岩储层的孔隙度的特点，利用建立的适用于致密砂岩储层的岩石物理模型，如：孔隙裂缝衰减模型和自洽模型对致密砂岩储层进行分析，得到致密砂岩储层的岩石弹性模量。但是，由于未考虑致密砂岩储层岩石的颗粒特征参数对弹性模量的影响，因此其计算方法不适用于野外大尺度的粗大石块缓冲层的实际计算，对于崩塌、落石的防灾减灾适用性较差。
技术实现要素：
本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种颗粒特征参数计算缓冲层弹性模量的方法，本发明充分考虑了土石的颗粒特征参数对弹性模量的影响，计算方法适用于野外大尺度的粗大石块缓冲层的实际计算，计算结果准确可靠，对于崩塌、落石的防灾减灾具有更高的防灾适用性。
本发明通过下述技术方案实现：
一种颗粒特征参数计算缓冲层弹性模量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、测算获得土石缓冲层颗粒特征参数，包括土石中值粒径d、土石颗粒不均匀系数cu和土石密实度s，土石中值粒径d指土石颗粒中重量百分数为50％的颗粒粒径，单位mm；土石颗粒不均匀系数cu通过式1计算；
cu＝d60/d10式1
式中，d60为土石颗粒中重量百分数为60％的颗粒粒径，单位mm；d10为土石颗粒中重量百分数为10％的颗粒粒径，单位mm；
b、通过式2计算土石密实度s；
s＝vm/v式2
式中，vm为土石最小体积，单位m3；v为土石实际体积，单位m3；
c、根据土石的特征参数计算土石弹性模量m；
当土石中值粒径d≥2mm时，为砾石、卵石或粗土石，通过式3计算；
m＝17.9d0.33s4.3cu0.65式3
当土石中值粒径0.02mm≤d＜2mm时，为砂石，通过式4计算；
m＝11.3d0.9s4.3cu0.65式4
当土石中值粒径d＜0.02mm时，为含10％-50％黏土的砂质黏土，通过式5计算；
m＝46.3s3.6式5
其中，m为土石弹性模量，单位mpa；d为土石中值粒径，单位mm；s为土石密实度；cu为土石颗粒不均匀系数。
所述土石颗粒不均匀系数cu包括三个级别，均匀级、基本均匀级和不均匀级，土石颗粒不均匀系数cu≤5为均匀级；土石颗粒不均匀系数5＜cu≤10为基本均匀级；土石颗粒不均匀系数cu＞10为不均匀级，通过式1计算的土石颗粒不均匀系数cu判断级别。
所述土石密实度s包括三个级别，松散级、密实级和紧密级。
本发明的基本原理如下：
缓冲层土石弹性模量与土石颗粒粒径有关，也与土石颗粒粒径分布及土石缓冲层密实度有关。这些物理量大小及特征决定了土石缓冲层弹性模量的大小，也决定了土石缓冲层缓冲冲击力的能力与特征。
本发明通过大量的实验研究和理论推导，研究了土石缓冲层颗粒粒径与土石缓冲层弹性模量的关系。根据国内外研究成果：滚石冲击力与冲击物的质量、运动速度、弹性模量、冲击物运动方向和被冲击物的平面夹角有关，还与被冲击物的弹性模量有关，这些物理量决定了滚石冲击力的大小。
当被冲击物是土石缓冲层时，土石缓冲层弹性模量的数量级在0.3-200mpa，其远小于滚石弹性模量，滚石弹性模量的数量级在5000-80000mpa。土石缓冲层弹性模量与滚石弹性模量的关系表达式为：
其中，e为综合弹性模量，单位mpa；e1为滚石弹性模量，单位mpa；e2为土石缓冲层弹性模量，单位mpa。
最终对冲击力有影响的弹性模量为综合弹性模量e。当滚石弹性模量远大于土石缓冲层弹性模量时，滚石弹性模量可以忽略不计，只需要土石缓冲层弹性模量就可以计算滚石在缓冲层上以及被缓冲层保护的建筑物的冲击力，而且这个冲击力远小于没有缓冲层情况下滚石直接冲击建筑物的冲击力，并随缓冲层弹性模量的降低而降低。
本发明的有益效果主要表现在以下方面：
一、本发明，“a、测算获得土石缓冲层颗粒特征参数，包括土石中值粒径d、土石颗粒不均匀系数cu和土石密实度s，土石中值粒径d指土石颗粒中重量百分数为50％的颗粒粒径，单位mm；土石颗粒不均匀系数cu通过式1计算；b、通过式2计算土石密实度s；c、根据土石的特征参数计算土石弹性模量m”，充分考虑了土石的颗粒特征参数对弹性模量的影响，计算方法适用于野外大尺度的粗大石块缓冲层的实际计算，计算结果准确可靠，对于崩塌、落石的防灾减灾具有更高的防灾适用性。
二、本发明，对于土石缓冲层弹性模量的计算考虑了土石的具体密实度对弹性模量的影响，使得计算结果更加准确，对于崩塌、落石的防灾减灾具有更好的实际应用意义。
三、本发明，由于对土石缓冲层弹性模量的计算考虑了土石的具体粒径值对弹性模量的影响，因此计算结果更准确；对于土石缓冲层弹性模量的计算考虑了土石颗粒级配，即均匀程度对弹性模量的影响，因此进一步提高了计算结果的准确性和可靠性，对于崩塌、落石的防护及山区防灾减灾具有更好的指导意义。
四、本发明，对土石缓冲层中不同土石类型，如砾石及以上粗大土石，砂石类型的细颗粒土石，含有黏土的土石，都有不同的计算方法，使得计算土石缓冲层弹性模量的准确性得到极大的提高，从而能够为设计防御冲击力措施提供可靠依据。
具体实施方式
实施例1
一种颗粒特征参数计算缓冲层弹性模量的方法，包括以下步骤：
a、测算获得土石缓冲层颗粒特征参数，包括土石中值粒径d、土石颗粒不均匀系数cu和土石密实度s，土石中值粒径d指土石颗粒中重量百分数为50％的颗粒粒径，单位mm；土石颗粒不均匀系数cu通过式1计算；
cu＝d60/d10式1
式中，d60为土石颗粒中重量百分数为60％的颗粒粒径，单位mm；d10为土石颗粒中重量百分数为10％的颗粒粒径，单位mm；
b、通过式2计算土石密实度s；
s＝vm/v式2
式中，vm为土石最小体积，单位m3；v为土石实际体积，单位m3；
c、根据土石的特征参数计算土石弹性模量m；
当土石中值粒径d≥2mm时，为砾石、卵石或粗土石，通过式3计算；
m＝17.9d0.33s4.3cu0.65式3
当土石中值粒径0.02mm≤d＜2mm时，为砂石，通过式4计算；
m＝11.3d0.9s4.3cu0.65式4
当土石中值粒径d＜0.02mm时，为含10％-50％黏土的砂质黏土，通过式5计算；
m＝46.3s3.6式5
其中，m为土石弹性模量，单位mpa；d为土石中值粒径，单位mm；s为土石密实度；cu为土石颗粒不均匀系数。
“a、测算获得土石缓冲层颗粒特征参数，包括土石中值粒径d、土石颗粒不均匀系数cu和土石密实度s，土石中值粒径d指土石颗粒中重量百分数为50％的颗粒粒径，单位mm；土石颗粒不均匀系数cu通过式1计算；b、通过式2计算土石密实度s；c、根据土石的特征参数计算土石弹性模量m”，充分考虑了土石的颗粒特征参数对弹性模量的影响，计算方法适用于野外大尺度的粗大石块缓冲层的实际计算，计算结果准确可靠，对于崩塌、落石的防灾减灾具有更高的防灾适用性。
实施例2
一种颗粒特征参数计算缓冲层弹性模量的方法，包括以下步骤：
a、测算获得土石缓冲层颗粒特征参数，包括土石中值粒径d、土石颗粒不均匀系数cu和土石密实度s，土石中值粒径d指土石颗粒中重量百分数为50％的颗粒粒径，单位mm；土石颗粒不均匀系数cu通过式1计算；
cu＝d60/d10式1
式中，d60为土石颗粒中重量百分数为60％的颗粒粒径，单位mm；d10为土石颗粒中重量百分数为10％的颗粒粒径，单位mm；
b、通过式2计算土石密实度s；
s＝vm/v式2
式中，vm为土石最小体积，单位m3；v为土石实际体积，单位m3；
c、根据土石的特征参数计算土石弹性模量m；
当土石中值粒径d≥2mm时，为砾石、卵石或粗土石，通过式3计算；
m＝17.9d0.33s4.3cu0.65式3
当土石中值粒径0.02mm≤d＜2mm时，为砂石，通过式4计算；
m＝11.3d0.9s4.3cu0.65式4
当土石中值粒径d＜0.02mm时，为含10％-50％黏土的砂质黏土，通过式5计算；
m＝46.3s3.6式5
其中，m为土石弹性模量，单位mpa；d为土石中值粒径，单位mm；s为土石密实度；cu为土石颗粒不均匀系数。
所述土石颗粒不均匀系数cu包括三个级别，均匀级、基本均匀级和不均匀级，土石颗粒不均匀系数cu≤5为均匀级；土石颗粒不均匀系数5＜cu≤10为基本均匀级；土石颗粒不均匀系数cu＞10为不均匀级，通过式1计算的土石颗粒不均匀系数cu判断级别。
对于土石缓冲层弹性模量的计算考虑了土石的具体密实度对弹性模量的影响，使得计算结果更加准确，对于崩塌、落石的防灾减灾具有更好的实际应用意义。
由于对土石缓冲层弹性模量的计算考虑了土石的具体粒径值对弹性模量的影响，因此计算结果更准确；对于土石缓冲层弹性模量的计算考虑了土石颗粒级配，即均匀程度对弹性模量的影响，因此进一步提高了计算结果的准确性和可靠性，对于崩塌、落石的防护及山区防灾减灾具有更好的指导意义。
实施例3
一种颗粒特征参数计算缓冲层弹性模量的方法，包括以下步骤：
a、测算获得土石缓冲层颗粒特征参数，包括土石中值粒径d、土石颗粒不均匀系数cu和土石密实度s，土石中值粒径d指土石颗粒中重量百分数为50％的颗粒粒径，单位mm；土石颗粒不均匀系数cu通过式1计算；
cu＝d60/d10式1
式中，d60为土石颗粒中重量百分数为60％的颗粒粒径，单位mm；d10为土石颗粒中重量百分数为10％的颗粒粒径，单位mm；
b、通过式2计算土石密实度s；
s＝vm/v式2
式中，vm为土石最小体积，单位m3；v为土石实际体积，单位m3；
c、根据土石的特征参数计算土石弹性模量m；
当土石中值粒径d≥2mm时，为砾石、卵石或粗土石，通过式3计算；
m＝17.9d0.33s4.3cu0.65式3
当土石中值粒径0.02mm≤d＜2mm时，为砂石，通过式4计算；
m＝11.3d0.9s4.3cu0.65式4
当土石中值粒径d＜0.02mm时，为含10％-50％黏土的砂质黏土，通过式5计算；
m＝46.3s3.6式5
其中，m为土石弹性模量，单位mpa；d为土石中值粒径，单位mm；s为土石密实度；cu为土石颗粒不均匀系数。
所述土石颗粒不均匀系数cu包括三个级别，均匀级、基本均匀级和不均匀级，土石颗粒不均匀系数cu≤5为均匀级；土石颗粒不均匀系数5＜cu≤10为基本均匀级；土石颗粒不均匀系数cu＞10为不均匀级，通过式1计算的土石颗粒不均匀系数cu判断级别。
所述土石密实度s包括三个级别，松散级、密实级和紧密级。
对土石缓冲层中不同土石类型，如砾石及以上粗大土石，砂石类型的细颗粒土石，含有黏土的土石，都有不同的计算方法，使得计算土石缓冲层弹性模量的准确性得到极大的提高，从而能够为设计防御冲击力措施提供可靠依据。