專利名稱：基于微結(jié)構(gòu)參數(shù)的黏土固結(jié)系數(shù)預(yù)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于土木工程學(xué)科巖土微結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域，具體涉及為一種基于微結(jié)構(gòu)參數(shù)的黏土固結(jié)系數(shù)預(yù)測方法。
背景技術(shù)：
黏土的固結(jié)問題是土力學(xué)的基本課題之一，是進(jìn)行地基沉降預(yù)測、建筑物壽命評(píng)估、地基基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固等工作的基礎(chǔ)。經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，對(duì)位于黏土或軟黏土地基上的各種基建項(xiàng)目，如公路、鐵路、水利、工業(yè)與民用建筑物等土木工程的沉降量、沉降差和沉降發(fā)展提出了越來越嚴(yán)格的要 求。比如，聞速鐵路、聞速公路、火箭和飛機(jī)等新型廠房，對(duì)地基基礎(chǔ)等工程在施工和運(yùn)彳丁期間的沉降和變形控制提出了越來越高的要求。而不同地區(qū)的黏土由于其成因不同，均具有鮮明的區(qū)域性和個(gè)性。正確把握相關(guān)地基的固結(jié)特性，對(duì)控制其沉降量、沉降差和沉降過程，具有決定性作用。21世紀(jì)土力學(xué)的核心問題是建立土的結(jié)構(gòu)性數(shù)學(xué)模型，黏土的固結(jié)壓縮特性由其微結(jié)構(gòu)控制，應(yīng)該建立宏觀力學(xué)現(xiàn)象與微觀結(jié)構(gòu)之間的數(shù)值關(guān)系。因此，要認(rèn)識(shí)巖土工程的宏觀力學(xué)特性，必須從認(rèn)識(shí)其微結(jié)構(gòu)著手。所以，根據(jù)土的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和不同狀態(tài)條件下相應(yīng)的宏觀力學(xué)現(xiàn)象，建立土的本構(gòu)模型，以反映土的宏觀力學(xué)特點(diǎn)與微觀結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在關(guān)系，是土木工程的發(fā)展方向。早在二十世紀(jì)初，土力學(xué)的創(chuàng)始人Terzaghi就提出來了巖土微結(jié)構(gòu)的概念和重要性。二十世紀(jì)五十年代中期到六十年代后期，隨著光學(xué)顯微鏡、偏光顯微鏡和X-射線衍射等技術(shù)的引入，人們對(duì)土微結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)有了較大提高，提出了從某些側(cè)面描述土結(jié)構(gòu)性的定量化指標(biāo)。上世紀(jì)六十年代末到八十年代中期，土微結(jié)構(gòu)研究在結(jié)構(gòu)層次和結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)的廣度上得到了較大發(fā)展，出現(xiàn)了描述結(jié)構(gòu)形態(tài)諸要素的方法和一些反映結(jié)構(gòu)性影響的力學(xué)模型。土的微結(jié)構(gòu)包括結(jié)構(gòu)單元特征、顆粒排列特征、孔隙性和結(jié)構(gòu)連接等方面。土的結(jié)構(gòu)性包括土體顆粒和孔隙的性狀、排列形式及顆粒之間的相互作用。形成土體結(jié)構(gòu)性強(qiáng)弱的原因主要包括土的組成成分、荷載作用、飽和度等。而黏土的顆粒組成、孔隙特征和分布、結(jié)構(gòu)性、應(yīng)力水平和應(yīng)力歷史等是決定其固結(jié)壓縮特性的主要因素。目前，關(guān)于土的固結(jié)壓縮理論的研究成果已經(jīng)比較豐富，但仍然存在不少問題，主要包括(I)在黏土固結(jié)過程中，土的微結(jié)構(gòu)(顆粒體和孔隙體兩個(gè)方面)再造過程和規(guī)律非常復(fù)雜，目前尚無適當(dāng)方法對(duì)這一過程進(jìn)行刻畫和描述；(2)雖然建立了一些針對(duì)黏土固結(jié)特性與其微結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的某些定量關(guān)系，但均停留在對(duì)單個(gè)微結(jié)構(gòu)參數(shù)的刻畫，從整體層面上對(duì)微結(jié)構(gòu)再造過程進(jìn)行刻畫的方法和思路還沒有給出；(3)由于土的復(fù)雜性，其宏觀固結(jié)特性具有明顯的個(gè)性和區(qū)域性，現(xiàn)有成果很難反映不同黏土的固結(jié)特性與其微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系
發(fā)明內(nèi)容
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于微結(jié)構(gòu)參數(shù)的黏土固結(jié)系數(shù)預(yù)測方法，從而達(dá)到對(duì)土的固結(jié)特性預(yù)測更為客觀、合理，可靠性更高的目的。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種基于微結(jié)構(gòu)參數(shù)的黏土固結(jié)系數(shù)預(yù)測方法，該方法包括有以下步驟(I)進(jìn)行不同壓力作用下黏土的常規(guī)土工固結(jié)實(shí)驗(yàn)，采用凍干法制備微結(jié)構(gòu)試樣樣品，尺寸為5謹(jǐn)X 10mmX ICtam ;(2)測取步驟(I)完成后相應(yīng)微結(jié)構(gòu)試樣的孔隙比；(3)采用時(shí)間平方根法算出步驟(I)相應(yīng)的固結(jié)系數(shù)；(4)對(duì)步驟(I)制備的微結(jié)構(gòu)試樣樣品電鏡掃描，獲取試樣的微觀結(jié)構(gòu)照片；(5)基于步驟(2)得到的孔隙比，利用Leica Qffin圖像處理軟件對(duì)步驟(4)獲得 的微結(jié)構(gòu)照片進(jìn)行顆粒體區(qū)域和孔隙體區(qū)域分割；(6)根據(jù)步驟(5)的圖像分割結(jié)果，抽取顆粒體的單元總數(shù)、單元方向、總面積、總周長、面積比的信息；(7)采用主成分分析方法對(duì)步驟(6)獲得的顆粒體數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，建立累計(jì)貢獻(xiàn)率95%以上的孔隙體主成分表達(dá)式，表達(dá)式是Cv=ai+a2XPrinl+a3XPrin2 ;其中，Cv代表固結(jié)系數(shù)，B1代表常數(shù)項(xiàng)系數(shù)，a2代表第一主成分系數(shù)，a3代表第二主成分系數(shù)；(8)在步驟(3)和步驟(7)基礎(chǔ)上，建立主成分與土固結(jié)系數(shù)之間的二元一次函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)固結(jié)系數(shù)的預(yù)測。本發(fā)明的效果是采用該固結(jié)系數(shù)預(yù)測方法，將黏土的固結(jié)系數(shù)與其微結(jié)構(gòu)參數(shù)聯(lián)系起來，建立了宏觀力學(xué)指標(biāo)與微觀參數(shù)主成分之間關(guān)系，現(xiàn)階段在巖土領(lǐng)域?qū)偈桌灰坏┙⒘松鲜鲫P(guān)系，即可根據(jù)黏土的孔隙比和微觀參數(shù)主成分，得到不同壓力作用下對(duì)應(yīng)的固結(jié)系數(shù)指標(biāo)；因一般固結(jié)實(shí)驗(yàn)，特別是軟黏土的固結(jié)實(shí)驗(yàn)，需要耗費(fèi)大量時(shí)間，該方法可有效縮短土木工程勘察階段的實(shí)驗(yàn)耗時(shí)。


圖I為本發(fā)明的對(duì)應(yīng)干密度I. 39g/cm3的50kPa固結(jié)壓力作用完成后的SEM圖；圖2為本發(fā)明的對(duì)應(yīng)閾值為112的圖I的二值化圖。
具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的基于微結(jié)構(gòu)參數(shù)的黏土固結(jié)系數(shù)預(yù)測方法加以說明。本發(fā)明的基于微結(jié)構(gòu)參數(shù)的黏土固結(jié)系數(shù)預(yù)測方法作用機(jī)理是基于一方面，不同壓力作用下，特定飽和黏土固結(jié)完成后的飽和密度和干密度是不同的，且完全取決于壓力大?。涣硪环矫?，在相同壓力作用下，不同土的固結(jié)過程和固結(jié)結(jié)果存在較大差異。也就是說，黏土的固結(jié)取決于其本身固有的特性(礦物成分、密度、顆粒組成、孔隙組成、孔隙比、壓縮模量、固結(jié)系數(shù)、強(qiáng)度指標(biāo)等)，而某些固有特性(密度、孔隙組成、孔隙比、壓縮模量、固結(jié)系數(shù)、強(qiáng)度指標(biāo)等)又依賴于固結(jié)壓力的大小。不同壓力作用下進(jìn)行固結(jié)，得到的黏土固有特性和狀態(tài)是特有的。黏土的微結(jié)構(gòu)照片可以反映顆粒體占據(jù)分析空間的狀態(tài)，采用主成分分析方法后，較少微結(jié)構(gòu)主成分參數(shù)可以涵蓋所有單個(gè)微結(jié)構(gòu)參數(shù)攜帶的大部分信息。也就是說，用少數(shù)合成參數(shù)可以刻畫黏土的微結(jié)構(gòu)狀態(tài)。這些合成參數(shù)取決于單個(gè)微結(jié)構(gòu)參數(shù)，并最終依賴于黏土的固有特性。因此，建立黏土在不同固結(jié)壓力作用下，微結(jié)構(gòu)參數(shù)與固結(jié)系數(shù)之間的通用關(guān)系式在理論上是完全可靠的。本發(fā)明的基于微結(jié)構(gòu)參數(shù)的黏土固結(jié)系數(shù)預(yù)測方法，即根據(jù)土的初始微觀結(jié)構(gòu)特征和固結(jié)壓力大小，計(jì)算固結(jié)問題中一些重要參數(shù)的方法。該方法的理論基礎(chǔ)是“任何材料的物理力學(xué)性質(zhì)和工程性質(zhì)均取決于該材料的物質(zhì)組成、微觀結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境；反過來，工作條件和工作環(huán)境對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)又產(chǎn)生重要影響”。該方法以少量常規(guī)固結(jié)實(shí)驗(yàn)、掃描電鏡測試、圖像信息抽取為基礎(chǔ)，獲得土的力學(xué)參數(shù)和對(duì)應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，通過主成分分析法建立微結(jié)構(gòu)主成分，并最終建立微結(jié)構(gòu)參數(shù)主成分與固結(jié)系數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。至此，就可以根據(jù)建立的數(shù)學(xué)關(guān)系對(duì)固結(jié)系數(shù)進(jìn)行預(yù)測。本發(fā)明的基于微結(jié)構(gòu)參數(shù)的黏土固結(jié)系數(shù)預(yù)測方法，該方法包括有以下步驟(I)進(jìn)行不同壓力作用下黏土的常規(guī)土工固結(jié)實(shí)驗(yàn)，采用凍干法制備微結(jié)構(gòu)試樣樣品，尺寸為5謹(jǐn)X ICtamX ICtam ; (2)測取步驟(I)完成后相應(yīng)微結(jié)構(gòu)試樣的孔隙比；(3)采用時(shí)間平方根法算出步驟(I)相應(yīng)的固結(jié)系數(shù)；(4)對(duì)步驟(I)制備的微結(jié)構(gòu)試樣樣品電鏡掃描，獲取試樣的微觀結(jié)構(gòu)照片；(5)基于步驟(2)得到的孔隙比，利用Leica Qffin圖像處理軟件對(duì)步驟(4)獲得的微結(jié)構(gòu)照片進(jìn)行顆粒體區(qū)域和孔隙體區(qū)域分割；(6)根據(jù)步驟(5)的圖像分割結(jié)果，抽取顆粒體的單元總數(shù)、單元方向、總面積、總周長、面積比的信息；(7)采用主成分分析方法對(duì)步驟(6)獲得的顆粒體數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，建立累計(jì)貢獻(xiàn)率95%以上的孔隙體主成分表達(dá)式，表達(dá)式是Cv=ai+a2XPrinl+a3XPrin2 ;其中，Cv代表固結(jié)系數(shù)，B1代表常數(shù)項(xiàng)系數(shù)，a2代表第一主成分系數(shù)，a3代表第二主成分系數(shù)；(8)在步驟(3)和步驟(7)基礎(chǔ)上，建立主成分與土固結(jié)系數(shù)之間的二元一次函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)固結(jié)系數(shù)的預(yù)測。所述步驟(8)中的二元一次函數(shù)關(guān)系為Cv=O. 0393-0. 0000000845XPrinl+0. 0000000280XPrin2。所述累計(jì)貢獻(xiàn)率95%以上，即為采用該預(yù)測方法計(jì)算得到的固結(jié)系數(shù)與實(shí)測所得固結(jié)系數(shù)相比較，準(zhǔn)確率為95%以上。本發(fā)明的基于微結(jié)構(gòu)參數(shù)的黏土固結(jié)系數(shù)預(yù)測方法的實(shí)現(xiàn)過程加以詳細(xì)說明。以原始SEM圖的圖I和其對(duì)應(yīng)的二值化圖2為例(I)進(jìn)行不同壓力作用下黏土的固結(jié)實(shí)驗(yàn)；重塑土為粉質(zhì)黏土，采用的是標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)實(shí)驗(yàn)，壓力分別是50KPa、100KPa、200KPa、400KPa、800KPa ；(2)根據(jù)常規(guī)土工實(shí)驗(yàn)，測取步驟(I)完成后相應(yīng)土樣的孔隙比；孔隙比分別為0. 971223,0. 745223,0. 640719,0. 556818,0. 419689 ；(3)根據(jù)步驟(1)，采用時(shí)間平方根法算出固結(jié)系數(shù)，cm2/s ；固結(jié)系數(shù)分別為0. 026,0. 023,0. 022,0. 020,0. 019 ；(4)凍干法制備步驟(I)得到的試樣的微結(jié)構(gòu)樣品，尺寸5mmX IOmmX IOmm ;(5)采用掃描電鏡方法獲得步驟(4)樣品的微觀結(jié)構(gòu)照片；(5)基于步驟(2)得到的孔隙比，利用Leica Qffin圖像處理軟件對(duì)步驟(5)獲得的微結(jié)構(gòu)照片按顆粒面積比孔隙面積等于土樣孔隙比的原則進(jìn)行顆粒體區(qū)域和孔隙體區(qū)域分割；(6)根據(jù)步驟(5)的圖像分割結(jié)果，抽取顆粒體的單元總數(shù)N = 5281，單元水平截距 H = 62716. 85，垂直截距 V = 59415. 02，總面積 S = 487110. 94，總周長 C=194767. 92，面積比β=51%。各組固結(jié)壓力下的參數(shù)提取如下表所示
權(quán)利要求
1.一種基于微結(jié)構(gòu)參數(shù)的黏土固結(jié)系數(shù)預(yù)測方法，該方法包括有以下步驟 (1)進(jìn)行不同壓力作用下黏土的常規(guī)土工固結(jié)實(shí)驗(yàn)，采用凍干法制備微結(jié)構(gòu)試樣樣品，尺寸為 5mmX 10mmX 10mm ； (2)測取步驟(I)完成后相應(yīng)微結(jié)構(gòu)試樣的孔隙比； (3)采用時(shí)間平方根法算出步驟(I)相應(yīng)的固結(jié)系數(shù)； (4)對(duì)步驟(I)制備的微結(jié)構(gòu)試樣樣品電鏡掃描，獲取試樣的微觀結(jié)構(gòu)照片； (5)基于步驟(2)得到的孔隙比，利用LeicaQffin圖像處理軟件對(duì)步驟(4)獲得的微結(jié)構(gòu)照片進(jìn)行顆粒體區(qū)域和孔隙體區(qū)域分割； (6)根據(jù)步驟(5)的圖像分割結(jié)果，抽取顆粒體的單元總數(shù)、單元方向、總面積、總周長、面積比的信息； (7)采用主成分分析方法對(duì)步驟(6)獲得的顆粒體數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，建立累計(jì)貢獻(xiàn)率95%以上的孔隙體主成分表達(dá)式，表達(dá)式是Cv=ai+a2XPrinl+a3XPrin2 ;其中，Cv代表固結(jié)系數(shù)，B1代表常數(shù)項(xiàng)系數(shù)，B2代表第一主成分系數(shù)，B3代表第二主成分系數(shù)； (8)在步驟(3)和步驟(7)基礎(chǔ)上，建立主成分與土固結(jié)系數(shù)之間的二元一次函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)固結(jié)系數(shù)的預(yù)測。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于微結(jié)構(gòu)參數(shù)的黏土固結(jié)系數(shù)預(yù)測方法，其特征是所述累計(jì)貢獻(xiàn)率95%以上，即為采用該預(yù)測方法計(jì)算得到的固結(jié)系數(shù)與實(shí)測所得固結(jié)系數(shù)相比較，準(zhǔn)確率為95%以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于微結(jié)構(gòu)參數(shù)的黏土固結(jié)系數(shù)預(yù)測方法，其特征是所述步驟(8)中的二元一次函數(shù)關(guān)系為 Cv=O. 0393-0. 0000000845XPrinl+0. 0000000280XPrin2。
全文摘要
本發(fā)明提供基于微結(jié)構(gòu)參數(shù)的黏土固結(jié)系數(shù)預(yù)測方法，該方法包括有以下步驟進(jìn)行不同壓力作用下土的固結(jié)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)常規(guī)土工實(shí)驗(yàn)測取孔隙比；算出不同固結(jié)實(shí)驗(yàn)的固結(jié)系數(shù)；采用掃描電鏡方法獲得相應(yīng)樣品斷面處的微觀結(jié)構(gòu)照片；對(duì)土的微結(jié)構(gòu)照片進(jìn)行顆粒體區(qū)域和孔隙體區(qū)域分割，并抽取顆粒體單元總數(shù)、單元方向、總面積、總周長、面積比信息；對(duì)顆粒體進(jìn)行分析并建立累計(jì)貢獻(xiàn)率95%以上的主成分表達(dá)式；建立主成分與該種土固結(jié)系數(shù)之間的關(guān)系。有益效果是采用該方法，將黏土的固結(jié)系數(shù)與其微結(jié)構(gòu)參數(shù)聯(lián)系起來，可根據(jù)黏土的孔隙比和微觀參數(shù)主成分，得到不同壓力作用下對(duì)應(yīng)的固結(jié)系數(shù)指標(biāo)，該方法可有效縮短土木工程勘察階段的實(shí)驗(yàn)耗時(shí)。
文檔編號(hào)G01N33/24GK102967694SQ201210286629
公開日2013年3月13日 申請日期2012年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月13日
發(fā)明者李順群, 馮望, 王英紅, 王珂, 高凌霞, 柴壽喜 申請人:天津城市建設(shè)學(xué)院