一种基于宏微观关联的黄土结构势强度判定方法

本发明涉及岩土工程地基土评价技术领域，特别涉及一种基于宏微观关联的黄土结构势强度判定方法。

背景技术：

现代土力学自上世纪形成以来，得到了迅速发展。岩土学者们对其中的重要理论和方法进行了深入的研究，使其能够精确、可靠的解决现实中的许多岩土工程问题。但是，现代土力学常规理论和方法在描述和解决土体大变形、非连续性、渐进破坏等问题上存在一定缺陷。例如，用传统的计算方法，如瑞典条分法、比肖甫法、有限元计算滑坡的稳定性时，虽然将滑体细分成了若干土条或者单元点，但却没有考虑滑面埋深的落差，以及不同深度土体结构性和力学性质的巨大差异，将c和φ看作固定值。这在计算大体积、大厚度滑坡的稳定性时，必然会影响到它的精度。另外，随着岩土工程在不同环境条件下的拓展，强化学作用、强辐射、高地应力、超高/低温、高水压等复杂环境条件下的岩土体多元素耦合受力机制成为了岩土研究者和工程技术人员需要攻克的新的难题，用传统土力学的理论和方法却不能解释和解决这样环境条件下的岩土工程问题。

黄土作为一种典型的结构性土，同样面临着上述困难问题，并且因为它特有的结构性使问题变得更加复杂。黄土的结构性主要在于其孔隙比大、密度低、可溶盐含量高的特点(图8)。这样的结构特点使其具有较大的压缩空间，在受到特殊外力作用，例如浸水、地震或者高荷载时，就会发生塌陷或者液化，这就给工程建设带来了严重的阻力。以陕北高原的城市延安为例，伴随着平山造城、固沟保塬和治沟造地等重大工程的建设，出现了地面沉降、边坡滑移、地基失效等灾变现象。当地政府和相关技术部门采取了许多工程措施，虽然使得延安新区回填黄土的表观力学指标达标，但它仍以45mm/a的最大速率继续下沉。终其原因是对黄土特殊的结构性没有深层次的认知，没有找到这些灾变现象的根本原因和深层机理。湿陷性黄土存在较强的结构性，在常含水率情况下具有较高的强度，一般压力情况下不能摧毁它的孔隙结构，使其充分压缩。即使浸水，如果浸泡时间不充足，不能让其可溶盐充分的溶解，不能彻底破坏土里的盐晶胶结与架空孔隙结构，那也很难让其一次性彻底的发生塌陷。这些现象仅依靠宏观土力学的研究理论和方法是不能够合理解释和有效解决的，必须利用微观的研究方法才能验证和说明。

技术实现要素：

为了解决以上技术问题，本发明的目的在于提供一种基于宏微观关联的黄土结构势强度判定方法，具有宏微观关联、简易、可操作性强、准确性高的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于宏微观关联的黄土结构势强度判定方法，包括以下步骤；

步骤一：进行粒级势的计算及判定；

步骤二：进行孔隙势的计算及判定；

步骤三：进行连接势的计算及判定；

步骤四：对原位场地的黄土结构势的综合判定。

所述步骤一具体为：

一：用激光粒度仪或者实验测试土样的颗粒粒径，绘制土的粒度分布曲线，横坐标为颗粒粒径r，纵坐标为该颗粒累计所占的体积百分比n；其中，体积百分比为无量纲，r的单位为mm；

二：土的粒级势通过大于某一粒径的颗粒累计体积占比(n)的分布特征进行体现，即通过r-n曲线的形态特征体现，r与n存在着幂函数的对应关系，如式(1)所示：

n∝r^—dps(1)dps为土样的粒度分维数，用以反映土的粒级势的大小；其中，dps为无量纲；

三：对dps进行相关计算，将双对数坐标系的横坐标定义为粒径r，纵坐标定义为大于该粒径的颗粒数的占比n，拟合的一次函数的直线斜率即为dps，式(1)转化为式(2)；k为式(1)取对数后的常数项，无量纲；

lnn＝-dps·lnr+k(2)

四：对dps进行等级划分。

所述dps等级划分依据为：

土颗粒的粒度分维值dps和不均匀系数cu还有曲率系数cc有相似的含义，将对cu还有cc的判定方法转换为对数的形式应用到dps的等级划分中，其中cu≥5且cc＝1-3的土为级配良好的土；

级配良好的土的计算其对数坐标下的斜率设dps＝k，那么dps≤1.11，同理，由可计算得dps≥0.37；

所述级配良好的土的dps在[0.37，1.11]这个区间，其粒级势为低等级，中级和高级每次增加或者减少0.37，很高级别为大于1.85。

所述步骤二具体为：

一：用压汞仪或者ct测试不同土样的孔隙信息，横坐标r为等效孔径，纵坐标是孔径r的孔隙占总孔隙体积的百分比，即孔径分布，其中，r的孔隙占体积百分比为无量纲，r的单位为μm；

二：土的孔隙势通过土的大中孔隙比体现，提取不同等效孔径的孔隙求和，或通过试验仪器直接读取，大中孔隙占比可用式(3)表示为：

式中，e0为土样的空隙比，rmax为土样的可测量的最大孔径，υ为大中孔隙的体积百分比，为土样中大、中孔隙体积，为土样中孔隙总体积；其中，e0，υ，与为无量纲，rmax的单位为μm；

三：对υ进行等级划分。

所述步骤三具体为：

通过x射线荧光光谱仪和x射线衍射仪测试黄土的可溶盐含量，在没有x射线荧光光谱仪和x射线衍射仪测试的条件下，通过以下实验方法测试土中碳酸钙的含量近似表示黄土中可溶盐含量；

具体操作步骤为：

一：用分析天平准确称取过0.15mm筛孔的风干土样1-8g(碳酸钙含量不超过0.25g)放置于广口瓶中，在塑料杯中加入5ml浓度为2mol/l浓度氢氧化钾溶液，塞紧瓶塞勿使漏气，将50ml医用注射器连接在乳胶管上端，捏开玻璃珠开关，从广口瓶中抽出50ml空气；

二：用注射器通过乳胶管向广口瓶中注入20ml浓度为2mol/l盐酸溶液，乳胶管上端用止水夹夹紧，轻轻旋转广口瓶使试样与盐酸充分接触均匀，在室温下放置16-24h；

三：打开瓶塞，细心取出塑料杯，用50ml无二氧化碳的纯水，将塑料杯中的氢氧化钾溶液洗入200ml三角瓶中，加百里酚兰酚汰混合指示剂20滴，用1mol/l盐酸溶液滴定至溶液由紫色变为淡红色时，改用0.1mol盐酸标准溶液滴定至溶液刚出现黄色而红色又未完全消失(ph＝8.3)为止(不记用量)，然后加入16滴溴钾酚绿指示剂，用0.1mol/l盐酸标准溶液滴定至溶液由蓝色变为亮黄色(ph＝3.9)为止，记下这次滴定用量；

四：按上述方法再进行一次空白试验；

五：按式(4)计算碳酸钙含量；

式中，c是盐酸标准液浓度；v1以钾溴酚绿为指示剂滴定时盐酸标准溶液用量；v2为空白对比试验，以钾溴酚绿为指示剂滴定时盐酸标准溶液用量；md为烘干土质量，其中，c的单位是mol/l，v1、v2的单位是l，md的单位是g；

六：对可溶盐的含量进行等级划分。

所述步骤四具体为：

一、单个土样的宏观(综合)结构势主要有上述三种微观结构势共同决定，所以单个土样结构势的强弱需要从3种微观结构势分别计算与判定；

二、在原位场地中，对黄土场地的结构势评价和等级判定应在场地平面上至少取3个有代表性的地点，当场地土体不均时，适当增加，每一个选取的有代表性的地点应从黄土层顶部至底部每3-5米取一个点，按照步骤一、二和三对每个土样的连接势、孔隙势和连接势进行计算和判定。

本发明的有益效果：

(1)相较于以宏观视角研究黄土的力学性质与综合结构势，该研究方法能更深层次的揭示黄土发生变形和破坏的内在机理与本质原因。

(2)相较于以微观视角观察和测试土样某点的性质，该研究方法能把控土体的整体性质，可直接或间接评价原状或扰动黄土的结构势及其工程性质，为实际工程提供理论依据和指导。

(3)相较于以宏观物理或力学性质评价黄土的工程性质，该评价方法考虑了引起黄土发生变形和破坏的微观结构性因素，可弥补现行黄土评价、判定方法不能准确反映室外场地黄土大变形的缺点。

附图说明

图1为本发明流程示意图。

图2为土的粒度级配曲线示例图。

图3为土的粒度分维曲线示例图。

图4为孔径分布曲线示例图。

图5为黄土颗粒与团粒的3d结构图。

图6为选取采样点的示意图。

图7为抽黄渠黄土地层选取采样点示例图。

图8黄土的微观断面sem图片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示：一种基于宏微观关联的黄土结构势强度判定方法，包括以下步骤；

步骤一：进行粒级势的计算及判定；

步骤二：进行孔隙势的计算及判定；

步骤三：进行连接势的计算及判定；

步骤四：对原位场地的黄土结构势的综合判定。

所述步骤一具体为：

一：用激光粒度仪或者实验测试土样的颗粒粒径，绘制土的粒度分布曲线，横坐标为颗粒粒径r，纵坐标为该颗粒累计所占的体积百分比n(图2)；其中，体积百分比为无量纲，r的单位为mm；

二：土的粒级势通过大于某一粒径的颗粒累计体积占比(n)的分布特征进行体现，即通过r-n曲线的形态特征体现，r与n存在着幂函数的对应关系，如式(1)所示：

n∝r^—dps(1)dps为土样的粒度分维数，用以反映土的粒级势的大小；其中，dps为无量纲。

三：对dps进行相关计算，将双对数坐标系的横坐标定义为粒径r，纵坐标定义为大于该粒径的颗粒数的占比n，拟合的一次函数的直线斜率即为dps(图3)，式(1)转化为式(2)；k为式(1)取对数后的常数项，无量纲。

lnn＝-dps·lnr+k(2)

四：对dps按照表1进行等级划分。

表1的dps等级划分的科学依据：

土颗粒的粒度分维值dps和不均匀系数cu还有曲率系数cc有相似的含义，将对cu还有cc的判定方法转换为对数的形式应用到dps的等级划分中，其中cu≥5且cc＝1-3的土为级配良好的土；

级配良好的土的计算其对数坐标下的斜率设dps＝k，那么dps≤1.11，同理，由可计算得dps≥0.37；

所以，级配良好的土的dps在[0.37，1.11]这个区间，其粒级势为低等级，中级和高级每次增加或者减少0.37，很高级别为大于1.85。

所述步骤二具体为：

一：用压汞仪或者ct测试不同土样的孔隙信息，横坐标r为等效孔径，纵坐标是孔径r的孔隙占总孔隙体积的百分比，即孔径分布(图4)，其中，r的孔隙占体积百分比为无量纲，r的单位为μm。

二：土的孔隙势通过土的大中孔隙比体现，提取不同等效孔径的孔隙求和，或通过试验仪器直接读取，大中孔隙占比可用式(3)表示为：

式中，e0为土样的空隙比，rmax为土样的可测量的最大孔径，υ为大中孔隙的体积百分比，为土样中大、中孔隙体积，为土样中孔隙总体积；其中，e0，υ，与为无量纲，rmax的单位为μm。

三：对υ按照表4进行等级划分。

表5的大中孔隙占比等级划分的科学依据：

黄土的变形主要包括浸水前的压缩变形以及浸水后的湿陷变形，工程上习惯用土的压缩系数a来区分土压缩性的大小，用湿陷系数δs区分黄土在受压浸水后的湿陷变形量的大小，两者之和是该荷载下黄土土样的最大变形量，因此，参考规范土的压缩性的划分(表2)以及黄土的湿陷变形的划分(表3)，对其大中孔隙比进行等级划分，如果该土样的压缩等级为高，且湿陷等级为强烈，那么土样对应的孔隙结构势位为高，如果该土样的压缩等级为低压缩性，且湿陷等级为轻微，那么土样的对应的孔隙结构势位为低。

因为外界的作用力主要对土里的大中孔隙进行了压缩，对小微孔隙的作用不大，所以假设上述两种变形均来自于土体里的大中孔隙的压缩。依据相关规范，假定100-200kpa下的压缩变形和200kpa下的湿陷变形都来自大中孔隙，且消除了80％的大中孔隙。当土的压缩性高且湿陷强烈时，大中孔隙占比很多，孔隙势为很高。当土的压缩性低且无湿陷时，大中孔隙占比很少，孔隙势为低。按照表2和表3对其大中孔隙进行划分，如表4所示。

所述步骤三具体为：

通过x射线荧光光谱仪和x射线衍射仪测试黄土的可溶盐含量，在没有x射线荧光光谱仪和x射线衍射仪测试的条件下，可通过以下实验方法测试土中碳酸钙的含量近似表示黄土中可溶盐含量。

具体操作步骤为：

一：用分析天平准确称取过0.15mm筛孔的风干土样1-8g(碳酸钙含量不超过0.25g)放置于广口瓶中，在塑料杯中加入5ml浓度为2mol/l浓度氢氧化钾溶液，塞紧瓶塞勿使漏气，将50ml医用注射器连接在乳胶管上端，捏开玻璃珠开关，从广口瓶中抽出50ml空气；

二：用注射器通过乳胶管向广口瓶中注入20ml浓度为2mol/l盐酸溶液，乳胶管上端用止水夹夹紧，轻轻旋转广口瓶使试样与盐酸充分接触均匀，在室温下放置16-24h；

三：打开瓶塞，细心取出塑料杯，用50ml无二氧化碳的纯水，将塑料杯中的氢氧化钾溶液洗入200ml三角瓶中，加百里酚兰酚汰混合指示剂20滴，用1mol/l盐酸溶液滴定至溶液由紫色变为淡红色时，改用0.1mol盐酸标准溶液滴定至溶液刚出现黄色而红色又未完全消失(ph＝8.3)为止(不记用量)，然后加入16滴溴钾酚绿指示剂，用0.1mol/l盐酸标准溶液滴定至溶液由蓝色变为亮黄色(ph＝3.9)为止，记下这次滴定用量；

四：按上述方法再进行一次空白试验；

五：按式(4)计算碳酸钙含量；

式中，c是盐酸标准液浓度；v1以钾溴酚绿为指示剂滴定时盐酸标准溶液用量；v2为空白对比试验，以钾溴酚绿为指示剂滴定时盐酸标准溶液用量；md为烘干土质量。其中，c的单位是mol/l，v1、v2的单位是l，md的单位是g。

六：对可溶盐的含量按照表6进行等级划分。

表6的可溶盐划分的科学依据：

黄土颗粒之间的连接力主要包括范德华力、库仑力和胶结力。范德华力与库仑力比胶结力的级别小很多，为了便于工程应用和推广，可将其简化，将范德华力与库仑力忽略，仅用胶结力表示连接势的大小。

土中的胶结物质主要包括盐晶胶结与黏土矿物，黏土矿物在黄土中含量较低，可将其忽略。所以对黄土连接势的划分简化为对土中盐晶胶结含量的划分。我国黄土的可溶盐含量自西北向东南呈有规律的变化，西北地区可溶盐含量高，连接势强，东南地区可溶盐含量低，连接势弱。黄土中可溶盐主要包括caco3、mgso4、na2so4、na2co3、nacl、caso4，根据黄土中可溶盐所占黄土的比重(表5)，将黄土的连接势分为4个等级(表6)。

所述步骤四具体为：

一、单个土样的宏观(综合)结构势主要有上述三种微观结构势共同决定，所以单个土样结构势的强弱需要从3种微观结构势分别计算与判定。

二、在原位场地中，土层的埋深和地形地貌等地质条件会对土的结构性影响较大。因此，对黄土场地的结构势评价和等级判定应在场地平面上至少取3个有代表性的地点，当场地土体不均时，可适当增加。每一个选取的有代表性的地点应从黄土层顶部至底部每3-5米取一个点，采样方法可参见图6选取采样点的示意图。按照步骤一、二和三对每个土样的连接势、孔隙势和连接势进行计算和判定。

表1粒级势的等级划分

表2土的压缩性等级划分

表3黄土的湿陷性等级划分

表4孔隙势的等级划分

表5自重湿陷性黄土与非自重湿陷性黄土中的可溶盐含量(％)

表6连接势的等级划分

表7抽黄渠场黄土地层微观结构势的等级划分

表8抽黄渠附近黄土湿陷等级

实施例：

以陕西省大荔县抽黄渠附近发生过湿陷的场地为例，对该判定与评价方法进行举例说明。如图7所示，选取了1，2和3号钻井从1.5至20.0m的湿陷性黄土层，每3米取一个试样。其微观结构性指标按照上述方法测试和计算，结果如表7所示。实验测试每个采样点的宏观力学指标-湿陷系数并判断其等级，如表8所示。对比表7和表8可发现，按照本发明测试和划分的土层的孔隙势等级和土层的湿陷等级吻合度较好，说明黄土的湿陷系数这一物理指标主要和黄土的大中孔隙比相关，本发明的判定方法准确。

说明：1号点位离渠道最近，因为渠道漏水该钻孔点约2m以下发生过了湿陷。2号点较远，这一点可以分为2层，9.5m以下因漏水发生过了湿陷，9.5m以上因为埋深较浅，泄露的水没有淹没这一层的黄土。3号点离渠道较远，泄露的水没有影响到这里的黄土。