粘性河岸土體抗拉強度的間接測定方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及水利工程技術領域，具體的說是基于粘性河岸土體發(fā)生繞軸崩塌的力 學機理，提出一種粘性河岸土體抗拉強度的間接測定方法。
【背景技術】
[0002] 目前國內外對粘性土體抗拉強度研究較少，且由于粘性土體一般不作為抗拉材料 使用，故實際工程中通常忽略其抗拉強度。但在遇到類似土體產(chǎn)生裂隙及二元結構河岸崩 塌等實際工程問題時，由于它們的崩塌力學機理涉及到土體的抗拉強度，就有必要對該參 數(shù)進行測試及研究。
[0003] 土體抗拉強度的測試成果依賴于相應的試驗方法和理論基礎。傳統(tǒng)的土體抗拉強 度試驗主要包括直接拉伸試驗和間接拉伸試驗兩類。直接拉伸試驗是對土體樣本直接施加 軸向拉力，在無側限壓力或側向壓力保持不變的條件下測試土樣的抗拉強度。間接拉伸試 驗則是假設土的拉伸破壞符合一定的應力-應變關系，用壓裂等間接方法進行試驗，然后用 與試驗方法相適應的理論公式計算抗拉強度。
[0004] 然而粘性土體的抗拉強度受其物理指標(如含水率及干密度）的影響，且與土體的 結構密切相關。傳統(tǒng)的試驗方法通常需要將采集的土體樣本進行重塑，這往往會對土體原 狀結構產(chǎn)生較大擾動，進而影響土體的抗拉強度，致使此類室內試驗結果與原狀土體的實 際抗拉強度存在較大偏差。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種粘性河岸土體抗拉強度的間接測定方法，該方法能彌 補傳統(tǒng)土體抗拉試驗中必須對土樣進行重塑或擾動較大而導致測試結果出現(xiàn)較大偏差的 缺陷。
[0006] 本發(fā)明的原理為:基于粘性土體在下部掏空后發(fā)生繞軸崩塌的力學機理，推導出 抗拉強度的計算公式;并通過現(xiàn)場原型試驗測定河岸土體的臨界懸空寬度，繼而間接測定 其抗拉強度。具體為:粘性河岸土體的繞軸崩塌過程表現(xiàn)為當下部土體被掏空后，上部懸空 土體逐漸失去支撐，隨著懸空寬度的增加，土體表面出現(xiàn)裂縫，隨后裂縫逐漸發(fā)展，最后懸 空土體在其自重作用下發(fā)生繞軸崩塌，繞軸崩塌的中性軸位于裂縫以下土體的受力中心。 根據(jù)懸臂梁平衡力學理論，粘性河岸土體發(fā)生繞軸崩塌的力學條件為懸空土體自重引起的 外力矩大于斷裂面上由土體抗拉及抗壓應力形成的抵抗力矩，且應力通常沿斷裂面呈三角 形分布。通過建立相應力學平衡表達式，可得出土體崩塌的臨界懸空寬度與重力及土體抗 拉/壓強度的函數(shù)關系。故通過現(xiàn)場實驗測定粘性土體發(fā)生崩塌的臨界懸空寬度及相應崩 塌土體的大小及重量，可間接測定粘性河岸土體的抗拉強度。
[0007] 本發(fā)明粘性河岸土體抗拉強度的間接測定方法，包括如下步驟：
[0008] (1)選擇測試對象及地點，記錄相應GPS坐標及測試時間，試驗土體為河岸上部的 粘性土層，優(yōu)選土體組成較為均勻且表面植被分布較少的土體，以減少植被根系對土體抗 拉強度的影響；
[0009] (2)選取適量土體，測定土體的體積及重量，得到土體的天然容重;將該測試土體 進行烘干，測定烘干后的重量；
[0010] (3)現(xiàn)場采用河岸土體挖空的方法，開展原型崩塌試驗，包括如下子步驟；
[0011] (3.1)確定試驗土體的范圍；
[0012] (3.2)平整試驗土體表面，清除土體表層的雜草及根系；
[0013] (3.3)在試驗土體兩側切出豎向土槽，以釋放相鄰土體的應力；
[0014] (3.4)選取特定高度的粘性河岸土體，平整緩慢地掏空試驗土體底部，使上部土體 逐漸懸空，記錄每次的掏空后的土體懸空寬度；
[0015] (3.5)增大懸空寬度直至試驗土體頂部出現(xiàn)明顯拉伸裂縫，表明將要發(fā)生崩塌，小 幅度地繼續(xù)掏空試驗土體下部土層，記錄懸空土體的寬度；
[0016] (3.6)當頂部拉伸裂縫充分發(fā)展時，試驗土體產(chǎn)生明顯且劇烈的繞軸晃動，表明即 將發(fā)生崩塌，及時測量土體崩塌時的臨界懸空寬度；
[0017] (3.7)取不同高度及不同長度的試驗土體，重復步驟(3.1)-步驟(3.6);
[0018] (4)對不同時段及不同位置的試驗土體，開展現(xiàn)場崩塌試驗，確定其臨界懸空寬 度；
[0019] (5)整理、匯總試驗數(shù)據(jù)，并計算粘性河岸土體物理參數(shù)，包括但不限于含水率、干 容重和干密度；
[0020] (6)基于粘性河岸土體發(fā)生繞軸崩塌的力學機理，依據(jù)臨界情況下的力學平衡條 件，推求土體抗拉強度的計算公式，并利用臨界懸空寬度，及試驗土體形態(tài)和物理參數(shù)間接 計算土體的抗拉強度；
[0021] (7)根據(jù)以上試驗數(shù)據(jù)，繪制土體含水率及干密度與其抗拉強度的關系曲線圖，分 析土體抗拉強度隨含水率及干密度的變化規(guī)律。
[0022]本發(fā)明粘性河岸土體抗拉強度的間接測定方法的有益效果在于：
[0023] (1)通過現(xiàn)場開展粘性河岸土體的原型崩塌試驗，間接測定河岸土體的抗拉強度， 避免了傳統(tǒng)試驗中必須重塑土體樣本而對土體產(chǎn)生較大擾動，進而影響測試結果；
[0024] (2)基于土體發(fā)生繞軸崩塌的力學機理，從其力學平衡表達式中推求土體抗拉強 度的計算公式，測試結果能直接應用于預測荊江等河段二元結構河岸的崩塌過程。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明一種實施例的示意圖。
[0026]圖2a為本發(fā)明一種實施例的裂縫開始出現(xiàn)的示意圖；
[0027]圖2b為本發(fā)明一種實施例的裂縫發(fā)展變寬的示意圖。
[0028]圖3為繞軸崩塌時懸空土體的受力分析圖。
[0029]圖4為含水率對河岸土體抗拉強度的影響曲線。
[0030]圖5為干密度對河岸土體抗拉強度的影響曲線。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖，對本發(fā)明做進一步說明。如圖1-圖5所示，一種粘性河岸土體抗拉 強度的間接測定方法，具體步驟如下：
[0032] 步驟1:選擇測試對象及地點。記錄相應GPS坐標及測試時間。試驗土體應選取河岸 上部的粘性土層，土體組成較為均勻且表面植被分布較少的土體，以減少植被根系對土體 抗拉強度的影響。
[0033] 步驟2:在各測試地點，取適量土體，現(xiàn)場測定其天然重量!!^!^)及體積Vn(m3)，即 可用于確定土體的天然容重rn(kN/m3)。受現(xiàn)場試驗條件限制，需將該測試土體帶回實驗室， 測定烘干后的重量md(kg)。
[0034]步驟3:現(xiàn)場采用河岸土體挖空的方法，開展原型崩塌試驗，包括步驟3.1-3.7; [0035] 步驟3.1:確定試驗土體范圍，即沿河道方向選取長度為L(0.5-1.0m)的試驗土體， 記錄該參數(shù)值(如圖1)。
[0036]步驟3.2:平整試驗土體表面。緩慢地清除試驗土體表面凹凸不平的部分，使其盡 量平整光滑，并清除土體表層的雜草及根系。