[发明专利]粘性河岸土体抗拉强度的间接测定方法

说明书

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，具体的说是基于粘性河岸土体发生绕轴崩 塌的力学机理，提出一种粘性河岸土体抗拉强度的间接测定方法。

背景技术

目前国内外对粘性土体抗拉强度研究较少，且由于粘性土体一般不作为抗 拉材料使用，故实际工程中通常忽略其抗拉强度。但在遇到类似土体产生裂隙 及二元结构河岸崩塌等实际工程问题时，由于它们的崩塌力学机理涉及到土体 的抗拉强度，就有必要对该参数进行测试及研究。

土体抗拉强度的测试成果依赖于相应的试验方法和理论基础。传统的土体 抗拉强度试验主要包括直接拉伸试验和间接拉伸试验两类。直接拉伸试验是对 土体样本直接施加轴向拉力，在无侧限压力或侧向压力保持不变的条件下测试 土样的抗拉强度。间接拉伸试验则是假设土的拉伸破坏符合一定的应力-应变关 系，用压裂等间接方法进行试验，然后用与试验方法相适应的理论公式计算抗 拉强度。

然而粘性土体的抗拉强度受其物理指标(如含水率及干密度)的影响，且与 土体的结构密切相关。传统的试验方法通常需要将采集的土体样本进行重塑， 这往往会对土体原状结构产生较大扰动，进而影响土体的抗拉强度，致使此类 室内试验结果与原状土体的实际抗拉强度存在较大偏差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种粘性河岸土体抗拉强度的间接测定方法，该方 法能弥补传统土体抗拉试验中必须对土样进行重塑或扰动较大而导致测试结果 出现较大偏差的缺陷。

本发明的原理为：基于粘性土体在下部掏空后发生绕轴崩塌的力学机理， 推导出抗拉强度的计算公式；并通过现场原型试验测定河岸土体的临界悬空宽 度，继而间接测定其抗拉强度。具体为：粘性河岸土体的绕轴崩塌过程表现为 当下部土体被掏空后，上部悬空土体逐渐失去支撑，随着悬空宽度的增加，土 体表面出现裂缝，随后裂缝逐渐发展，最后悬空土体在其自重作用下发生绕轴 崩塌，绕轴崩塌的中性轴位于裂缝以下土体的受力中心。根据悬臂梁平衡力学 理论，粘性河岸土体发生绕轴崩塌的力学条件为悬空土体自重引起的外力矩大 于断裂面上由土体抗拉及抗压应力形成的抵抗力矩，且应力通常沿断裂面呈三 角形分布。通过建立相应力学平衡表达式，可得出土体崩塌的临界悬空宽度与 重力及土体抗拉/压强度的函数关系。故通过现场实验测定粘性土体发生崩塌的 临界悬空宽度及相应崩塌土体的大小及重量，可间接测定粘性河岸土体的抗拉 强度。

本发明粘性河岸土体抗拉强度的间接测定方法，包括如下步骤：

(1)选择测试对象及地点，记录相应GPS坐标及测试时间，试验土体为河岸 上部的粘性土层，优选土体组成较为均匀且表面植被分布较少的土体，以减少 植被根系对土体抗拉强度的影响；

(2)选取适量土体，测定土体的体积及重量，得到土体的天然容重；将该测 试土体进行烘干，测定烘干后的重量；

(3)现场采用河岸土体挖空的方法，开展原型崩塌试验，包括如下子步骤；

(3.1)确定试验土体的范围；

(3.2)平整试验土体表面，清除土体表层的杂草及根系；

(3.3)在试验土体两侧切出竖向土槽，以释放相邻土体的应力；

(3.4)选取特定高度的粘性河岸土体，平整缓慢地掏空试验土体底部，使上 部土体逐渐悬空，记录每次的掏空后的土体悬空宽度；

(3.5)增大悬空宽度直至试验土体顶部出现明显拉伸裂缝，表明将要发生崩 塌，小幅度地继续掏空试验土体下部土层，记录悬空土体的宽度；

(3.6)当顶部拉伸裂缝充分发展时，试验土体产生明显且剧烈的绕轴晃动， 表明即将发生崩塌，及时测量土体崩塌时的临界悬空宽度；

(3.7)取不同高度及不同长度的试验土体，重复步骤(3.1)-步骤(3.6)；

(4)对不同时段及不同位置的试验土体，开展现场崩塌试验，确定其临界 悬空宽度；

(5)整理、汇总试验数据，并计算粘性河岸土体物理参数，包括但不限于含 水率、干容重和干密度；

(6)基于粘性河岸土体发生绕轴崩塌的力学机理，依据临界情况下的力学平 衡条件，推求土体抗拉强度的计算公式，并利用临界悬空宽度，及试验土体形 态和物理参数间接计算土体的抗拉强度；

(7)根据以上试验数据，绘制土体含水率及干密度与其抗拉强度的关系曲线 图，分析土体抗拉强度随含水率及干密度的变化规律。