弃渣场粗粒土抗剪强度指标测定及弃渣场稳定性评估方法

本发明涉及边坡安全检测技术，具体涉及一种弃渣场粗粒土抗剪强度指标测定及弃渣场稳定性评估方法。

背景技术：

1、近年来，随着基础建设的快速发展，工程开挖的不断推进，建设过程中通常会产生大量的弃土弃渣形成渣场。典型的工程弃渣主要是由粗粒土组成的，其力学特性在很大程度上受含水率、最大颗粒直径以及级配参数控制。由于大部分渣场粗粒土存在含水率的空间分布差异和颗粒级配特征的差别，因此类粗粒土的抗剪强度势必存在差异。粗粒土强度参数的确定是工程设计和稳定性评价的重要前提。然而，由于弃渣场多处于山区，现场条件复杂，现场测试难度较大，加之取样的干扰和试验设备尺寸的限制又降低了室内试验数据(黏聚力和内摩擦角)的可靠性，进而致使对渣场稳定性的准确评估难度加大。

2、现有学者在渣场的稳定性评估时，往往忽略了高含石量的粗粒土中岩块之间存在的互锁效应，并且仅仅考虑粗粒土的颗粒级配或压实度而提出的抗剪强度指标经验公式是不够精确的，致使得到的抗剪强度精度低，致使弃渣场稳定性评估时误差较大。

3、现有技术部分学者基于24组砂卵石料试验强度指标，拟合出以下粗粒土抗剪强度指标(黏聚力、内摩擦角)的预测模型如下：

4、

5、式中，c代表黏聚力，代表内摩擦角；dmax是颗粒最大粒径，dmax0为砂与砾石分界粒径值，取5mm，s为级配曲线面积，与颗粒级配曲线有关，a1、a2、b、c1、c2、d1、d2、e均为拟合参数，参数取值如下表；

6、 黏聚力拟合参数 数值 内摩擦角拟合参数 数值 <![cdata[a₁/(kpa)]]> 14.506 <![cdata[a₂/(°)]]> 4.916 b -6.11 <![cdata[c₂/((°)^-1)]]> 0.020 <![cdata[c₁/(kpa)^-1]]> 0.572 <![cdata[d₂/((°)^-1)]]> 0.053 <![cdata[d₁/(kpa)^-1]]> -0.518 e 6.142

7、该预测模型仅仅基于24组砂卵石料直剪试验进行强度预测，但工程弃渣的粗粒土的组成不仅只有砂卵石；同时该预测模型未考虑含水率对抗剪强度的影响，致使通过该模型得到的黏聚力和内摩擦角精度较差，在进行弃渣场稳定性评估时，会出现较大偏差。

技术实现思路

1、针对现有技术中的上述不足，本发明提供的弃渣场粗粒土抗剪强度指标测定及弃渣场稳定性评估方法解决了现有技术粗粒土抗剪强度指标计算时，只考虑粗粒土单一因素，致使粗粒土抗剪强度精度差的问题。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

3、第一方面，提供一种弃渣场粗粒土抗剪强度指标测定方法，其包括步骤：

4、s1、测试弃渣场的粗粒土试样的含水率、最大颗粒直径及粗粒土不均匀系数和曲率系数；

5、s2、根据不均匀系数和曲率系数，计算弃渣场的粗粒土级配参数；

6、s3、根据含水率、最大颗粒直径及粗粒土级配参数，计算粗粒土抗剪强度指标黏聚力和内摩擦角。

7、进一步地，黏聚力和内摩擦角的计算公式为：

8、c＝0.492×[0.382f(w)+1.442g(dmax，m，b)]

9、

10、

11、g(dmax，m，b)＝1.208lndmax+8.909m-1.442b-1.993m2-0.716b2+0.143mb-5.344

12、j(dmax，m，b)＝12.043lndmax+30.488m-7.776b-8.513m2-1.163b2+2.591mb-34.964

13、其中，e为自然对数；w为含水率，单位为％；dmax为最大颗粒直径，单位为mm；m，b均为粗粒土级配参数；c为黏聚力，单位为kpa；为内摩擦角，单位为°；f(w)为黏聚力与含水率的关系式；g(dmax，m，b)为最大颗粒直径与粗粒土级配参数的关系式；h(w)为内摩擦角与含水率的关系式；j(dmax，m，b)为最大颗粒直径与粗粒土级配参数的关系式。

14、上述技术方案的有益效果为：代入试验所得的参数，就可以得到后续进行弃渣场边坡稳定性评价所需要的黏聚力c值与内摩擦角值。该公式考虑参数较多且完整，且参数都是通过简单基础试验得来，较为简便，能够准确、快捷地对黏聚力c值与内摩擦角值进行预测。

15、进一步地，黏聚力和内摩擦角的计算公式的构建方法包括：

16、a1、通过试验测试若干组不同粗粒土试样的含水率w、最大颗粒直径dmax、级配参数m，b，粗粒土试样与弃渣场现场粗粒土渣体匹配；

17、a2、通过直剪试验测试若干组不同粗粒土试样的抗剪强度黏聚力c和内摩擦角

18、a3、分别绘制粗粒土试样的黏聚力c与含水率w、最大颗粒直径dmax和级配参数m，b及内摩擦角与含水率w、最大颗粒直径dmax和级配参数m，b的关系图；

19、a4、根据关系图，构建抗剪强度黏聚力c和内摩擦角与含水率w、最大颗粒直径dmax、级配参数m,b的基本函数：

20、

21、其中，a1、b1、c1以及a2、b2、c2均为拟合参数；

22、a5、采用spss软件对基本函数中的拟合参数a1、b1、c1以及a2、b2、c2进行求解，得到黏聚力和内摩擦角的计算公式。

23、上述技术方案的有益效果为：本方案结合多组室内试验构建拟合公式，并运用spss软件拟合确定最终构建的公式中的拟合参数数值，得到最终的计算模型，该计算模型可以使得到的黏聚力c值与内摩擦角值更接近真实值。

24、进一步地，采用求解粗粒土不均匀系数和曲率系数两个公式构成的方程组，得到弃渣场的粗粒土级配参数：

25、

26、

27、其中，cu和cc分别为粗粒土不均匀系数和曲率系数；m,b均为粗粒土级配参数。

28、上述技术方案的有益效果为：本方案将颗分试验所得的粗粒土不均匀系数cu和曲率系数cc通过简单的二元方程组形式准确地转化成粗粒土级配参数m,b值，转化得来的粗粒土级配参数m,b值，更直观便捷地反映粗粒土级配特征。

29、第二方面，提供一种弃渣场边坡稳定性评估方法，其包括步骤：

30、b1、获取采用弃渣场粗粒土抗剪强度指标测定方法得到的黏聚力和内摩擦角；

31、b2、获取滑坡稳定性计算公式，并采用黏聚力和内摩擦角及滑坡稳定性计算公式计算得到弃渣场的边坡的稳定系数；

32、b3、根据弃渣场的稳定系数，确定弃渣场的边坡的稳定状态。

33、进一步地，当弃渣场的边坡的滑动面为单一平面或圆弧形时，滑坡稳定性计算公式为：

34、

35、

36、rdi＝γwhiwlisinβisin(αi-βi)

37、tdi＝γwhiwlisinβicos(αi-βi)

38、其中，kf为稳定系数；wi为第i条块的重量，单位为kn/m；c为黏聚力，kpa；为内摩擦角，单位为°；li为第i条块滑面长度，单位为m；αi为第i条块滑面倾角，单位为°；βi为第i条块地下水流向，单位为°；a为地震加速度，单位为重力加速度g；ru为孔隙压力比；rdi为第i条块的渗透压力产生的平行滑面分力，单位为kn；γw为水的容重，单位为kn/m3；hiw为第i条块的高度，单位为m；tdi为第i条块的渗透压力产生的平行滑面分力，单位为kn。

39、当弃渣场的边坡的滑动面为折线型时，滑坡稳定性计算公式为：

40、

41、

42、tn＝(wn(sinαn+acosαn)+tdn

43、

44、其中，ψi为第i条块的剩余下滑力传递至第i+1条块时的传递系数；n为条块的总数量；αi+1和αn分别为第i+1条块和第n条块滑面倾角，单位为°；rdn为第n条块的渗透压力产生的平行滑面分力，单位为kn；tdn为第n条块的渗透压力产生的平行滑面分力，单位为kn。

45、进一步地，所述弃渣场的边坡的稳定状态包括：

46、当kf≥1.15，弃渣场边坡属于稳定；当1.05≤kf＜1.15时，弃渣场边坡属于基本稳定；当1.0≤kf＜1.05时，弃渣场边坡属于欠稳定；当kf＜1.0时，弃渣场边坡属于不稳定。

47、本发明的有益效果为：本方案在进行弃渣场粗粒土抗剪强度指标测定时，结合简单的室内试验，就能够做到较为快速、精确的得到粗粒土的抗剪强度指标，避免复杂的室内大型直剪试验或三轴试验，而且该模型综合考虑了粗粒土试样的含水率、最大颗粒直径、级配特征等参数，指标较为全面，适用于不同颗粒级配、不同含水率状态的粗粒土，同时，得到的抗剪强度指标精度较高。

48、由于稳定系数的微小变动，就可能使得边坡的稳定性评估位于下一等级，所以滑坡稳定性计算公式中的每个参数的精度就显得尤为重要，本方案通过多参数得到的抗剪强度由于有较高的精度，其在应用于弃渣场边坡稳定性评估时，一定程度上也会提高稳定系数的精度，从而保证边坡稳定性评估的准确性。