剪切波速与天然孔隙比的相关性分析

类别中的应用

,,李帅赵纯青唐丽华

( ,830011)新疆维吾尔自治区地震局新疆乌鲁木齐

。: 摘要场地类别是结构抗震设计中确定地震动参数的重要依据相关规范允许在土类原位测试的

。。,基础上结合经验判定场地类别但在工程地质条件复杂的场地中这种方法存在很大的偏差通过

、对比分析石河子某建筑场地根据地基土的工程地质特性地基承载力等条件确定的场地类别与使用

,,剪切波速判定的场地类别说明经验方法存在的局限性实测剪切波速依然是判定场地类别的可靠。方法

: ; ; 关键词剪切波速场地类别石河子

,场地类别是根据场地覆盖层厚度和场地土刚度等因素按有关规定对建设场地所做的分

,。,类用以反映不同场地条件对基岩地震震动的综合放大效应在一般的工程建设中我们采用

,,,实测剪切波速的方法对场地类别进行判定当无实测剪切波速时可根据岩土名称和性状依 ,1-2,,, 据相关规范划分土的类型再利用当地经验剪切波速范围内估计各土层的剪切波速进而

。,。确定建筑场地类别当场地条件较好时这是判定场地类别比较有效且经济的方法但当场

,。地工程地质条件复杂时利用上述方法判定场地类别会产生较大的偏差

,, 石河子某建设场地位于石河子北开发区开发区内场地地质条件较为复杂地层岩性多以

、、,100 m,。互层状砾石土粉土粉砂等构成覆盖土层超过地下水位较浅在场地岩土勘察过程

,、、,中勘察方根据场地内的动探试验标准贯入试验土层的土工试验以及承载力试验等结果判

,,,定此场地类别为?类与之前在该地区开展工作确定的?类场地有较大偏差为此我们采用

,。多种测试方法对场地的剪切波速进行了测试重新判定场地类别

1 场地工程地质条件简介

8, 0‰。,,,石河子某建设场地地形平坦开阔地势南高北低略向西倾自然坡度仅为该场

,3,,,,地地貌上位于玛纳斯河西岸冲洪积平原的下部由于玛纳斯河进入平原后河道很不稳定 ,,。形成曲流有许多废弃的古河道和牛轭湖场地就位于玛纳斯河废弃的古河道上古河道内第

,、、、、、。四纪沉积物的成分较为复杂主要以砾石砂砾石粉砂细砂粉土粉质粘土等构成

,60 m ,,,由钻孔揭露场地勘探深度范围内地层较为复杂主要以粉土与圆砾的互层为主

*收稿日期: 2012-02-0;9 修回日期: 2012-02-2,2 : ( 1982 : ) ,,,2006 ,作者简介李帅男助理工程师年毕业于成都理工大学工程地质专业从事工程地质和地震地质的研究, E-mail: peter82550@16 3, com

1 表地基土层的基本工程地质性质

/ m/ m土层编号岩性埋深厚度状态

—, 00, 3 : 0, 6稍湿湿松散 ?耕土 0, 3 : 0, 6 0, 9 : 3, 7 ? 粉质粘土 —,湿饱和软塑 0, 35 : 4, 37 0, 5 : 1, 9 ? 细砂圆砾松散 0, 9 : 16, 57 7, 3 : 15, 6 ?粉土圆砾 —, 稍密中密饱和12, 53 : 19, 51 4, 6 : 9, 5l ? 粉土圆砾 —,稍密中密饱和 14, 57 : 29, 75 0, 5 : 7, 2 ? 粉土圆砾 ,—饱和稍密中密 22, 08 : 32, 04 0, 6 : 4, 2 ? 粉土圆砾 , 饱和密实25, 57 : 35, 84 3, 1 : 7, 5 ? ,—饱和稍密中密 30, 97 : 36, 67 0, 6 : 5, 2 ?

,,饱和中密饱和35, 64 : 39, 87 0, 9 : 3, 1 ?

38, 04 : 40, 86 7, 9 : 10, 6 —,稍密中密饱和

,—中密饱和中密密实

2 初步判定场地类别的依据

GB5002-2010 ) 5, 7, 4 《》《》( 勘察方依据岩土工程勘察规范第条和建筑抗震设计规范 ( GB50011-201) 04, 1, 3 ,,表条当场地内无实测剪切波速时可根据岩土名称和性状以及地层

,,承载力来划分土的类型再利用当地经验剪切波速范围内估计各土层的剪切波速进而确定建

。筑场地类别

2, 1 地基土层工程地质特性

,、( 为初步判定场地类别勘察方对场地内布设的钻孔采用了动力触探标准贯入等试验试

2、3) ,。验结果见表以获取场地内各土层的地质特性

2 3 表地基土层重型动力触探试验成果统计表表地基土层标贯试验成果统计表

/ / 土层编号样本数范围值击平均值击 / / 土层编号样本数范围值击平均值击 843, 0 : 5, 94? 8, 0 : 14, 411, 1206 ?7 4, 8 : 16, 4 11, 2 ?

144 7, 3 : 23, 8 15, 1 ? 306, 7 : 13, 210, 4 ?47 13, 3 : 32, 9 22 ? 348, 9 : 18, 011, 7 ?15 11, 9 : 26, 6 18, 8 ?

7 25, 2 : 21, 5 27, 3 ?79, 6 : 16, 113, 2

: 3 ,,,1 由表可知场地地下水位埋藏较浅地层较为复杂主要以粉土与圆砾的互层为主

—,《》( GB50011-2010 ) 且各地基土层的性状主要为稍密中密由此根据建筑抗震设计规范表 4, 1, 3( 4) ,—。文中为表勘察方将场地土的类型初步判定为中软土中硬土 2, 2 地基土承载力

,。地基承载力是指地基承担荷载的能力也是初步判定场地土类型的一项依据承载力在

,其某一方向平面上的剪应力达到土的抗剪强度时该点或小区域内各点就发生剪切破坏而处

,,。,在极限平衡状态土中应力将发生重分布最终导致建筑物因为地基失稳而发生破坏为此为

,、( 、确定场地内各土层的地基承载力可以通过物理力学指标计算原位测试标准贯入试验重型动 ) ,,( 5) 。力触探试验等方法对比结合当地经验综合分析后给出了各土层的承载力特征值表

4 表土的类型划分和等效剪切波速范围 ) 1/ ms 土层剪切波速范围 ?土的类型岩土名称和性状

V, 800 、较硬且完整的岩石岩石坚硬S 800V, 500? S ,、坚硬土或软质岩石破碎和较破碎的岩石或软和较软的岩石密实的碎石土中密稍密的

,、、f,150 ,碎石土密实中密的砾粗中砂的粘性土和 ak 500?V, 250 中硬土 S 粉土,坚硬黄土

、、,、f150 ,稍密的砾粗中砂除松散外的细粉砂的粘性土和粉 ?ak 250?V, 150 中软土 S f, 130,,土的填土可塑黄土 ak

f130 ,,,淤泥和淤泥质土松散的砂新近沉积的粘性土和粉土?的 ak V?150 软弱土 S ,填土流塑黄土

: fkPa) ; V。( 注为由载荷试验等方法得到的地基承载力特征值为岩土剪切波速 ak S

5 表各层土承载力特征值

f/ kPaf/ kPaf/ kPa 承载力特征值承载力特征值承载力特征值土层编号土层编号土层编号 ak ak ak

/150170? ? ?

90240250? ? ?

100200200 ? ? 270 290250? ?

5 ,,。,由表可知场地内第?层圆砾承载力值较高有作为天然地基的条件因此为进一步

,3 。确定第?层圆砾承载力特征值的准确性特在第?层圆砾上实施了个点的平板载荷试验

,240 : 420 kPa,330 kPa。试验结果标明第?层圆砾层的承载力特征值范围值为平均值为但

,,, 是由于场地位于古河道上地层较为复杂为考虑到基础实际情况与平板载荷试验时的差异

,结合重型动力触探试验的结果综合分 6 表建筑场地的类别划分 ,析后推荐第 ?层圆砾层承载力特征值

岩石的剪切波速场地类别 290 kPa。为或土的等效 ) 1?? ???01,/ ms 由各土层承载力结果可知场地内 ?剪切波速

V, 800 f, 150 kPa,0各土层承载力排除了场地 S ak 800V, 500? S 0,1,土类型为中软土同时结合表依据表 500V, 250? S , 5 5 ?6,500 判定场地内土的等效剪切波速 ?250V, 150? S , 3 3 : 50 , 50 V, 250,5 m,场地内覆盖层厚度?场地 S V150 , 3 3 : 15 15 : 80 , 80 ?S 。类别为?类

3 场地类别复核

2 ,、,由第节的试验结果认定场地土层类型为中密稍密的碎石土且粘性土和粉土承载力

,,类别判定的准确性从而为建筑物的地基处理和建筑结构设计提供良好的依据我们对场地类

。别判定采用常规的等效剪切波速的方法判定

、,,剪切波速测试方法分为单孔检层法跨孔法和瑞雷波法为准确判定场地类别我们采用

,,单孔检层法和瑞雷波法以单孔检层法测试为主要方法用瑞雷波法为单孔检层法进行验证

,、1 ,3 ,此次我们在场地内分别在场地南北两侧和场地中间各选个钻孔共个钻孔来测定场地

,( 1) ,,6,内各土层的剪切波速并根据公式计算出场地内的等效剪切波速最终依据表判定场

。地类别

V= d/ t ,( 1) se0

t = ( d/ V) ,( 2) i si ? i = 1

Vm / s; d,,,m,20 m 式中为土层等效剪切波速单位是为计算深度单位是取和坚硬土层 se 0

( 500 m / s) ; t 剪切波速大于顶面埋深两者中的低值为剪切波在地面至计算深度之间的传播时 ,s; d ,m; V间单位是为计算深度范围内土层的厚度单位是为计算深度范围内土层的剪切波 si

,m / s; n 。速单位是为计算深度范围内土层的分层数

3, 1 单孔检层法测试方法及测试结果

3 ,此次单孔检层法测试工作采用重庆地质仪器厂生产的井中分量检波器信号接收与采

( GEOPEN) MINI24 。集选用吉林大学生产的骄鹏工程测试仪首先我们将叩板震源设置一般

,4,2 m ,,,距孔口左右平放一块压重物的木板测试孔应位于木板长轴的中垂线上使木板与地

。1 000 kg 。,( 面紧密接触木板上压约的重物当分别水平敲击木板两端时产生弹性波此时以 S ) 。波为主

,,,通过上述方法我们获得了钻孔剪切波速数据对其进行处理得到场地内各土层的剪切 ( 1 : 4) ,6,,7。波速图并根据表得到如下结果见表

1 ZK1 2 ZK2 图场地钻孔剪切波速波形图图场地钻孔剪切波速波形图

3 图场地钻孔柱状图

Fig, 3Bore histogram

7 表场地土层类型及场地类别判定结果

钻孔编号等效剪切波速土层类型场地类别

ZK1206 ?中软土

ZK2 209 ? 中软土

ZK3 207 ?中软土

,通过使用剪切波速结果判定得出场地

,,整体类别为?类场地土类型属中软土特别

,,是第?层圆砾经过测试该层的剪切波速

140 :24 6 m / s,,5 0范围在局部较硬地层

m / s,,2因此也属于中软土这与第节 4 ZK3 图场地钻孔剪切波速波形图

Fig, 4 Shear velocity oscillogram of ZK3 ,,的结论相矛盾所以为进一步验证剪切波

5 ZK2 6 ZK3 图钻孔瑞雷波法测试结果图钻孔瑞雷波法测试结果

Fg, 5 Rayegh wavet estng resut of Z2 Fg, 6 Rayegh wavet estng resut of Z3 iliilKiliilK3, 2 瑞雷波法测试方法及测试结果

F,瑞雷波法是将激振器在测线的一端施加某一频率的稳态强迫振动离激振器不同距离 i

2 ,,分别埋设个或多个检波器接收瑞雷波使用重锤或落锤在地面进行击震产生一个频率范围

,。内的地震波由信号采集系统记录信号利用

V= KV, ?r 1 S

V,,K。来换算横波速度式中是与介质泊松比 μ 有关的常数 S 1

5 : 6 ,,ZK2 由图结果可知通过对瑞雷波法测试的试验数据进行分析计算获得钻孔和钻 ZK3 250 V, 150,,孔的等效剪切波速范围在场地类别应为?类印证了用单孔检层法所测? S

。得的剪切波速的结果的正确性

4 结论

( 1) ,、,,研究表明中密稍密的砾石土不一定都是中硬土应该根据实测的剪切波速值来划

。,分土层的类型并且剪切波速作为场地土层类型和场地类别的判定标准具有较强的可靠性

。和准确性

( 2) 、,动力触探标准贯入试验等原位测试方法可以揭示土类的岩土特性但是仅仅依靠这

。,些方法来确定场地类别时要特别注意其局限性当场地工程地质条件复杂时应该采用实测

,7,,,。,完整数据的收敛性亦较差有效的工作方法应该是首先通过相应的数理统计分析谨慎

,,考察地基测试及试验数据可靠度的置信水平并通过多种测试方法进一步分析地基的工程特 ,。性为设计与施工提供可靠的技术依据

,,,( 4) 物探结果具有一定的多解性因此我们应采用多种方法对测试数据进行反复分析

。最终得到较好的结果

:参考文献

,1, 中华人民共和国住房和城乡建设部, GB50011 ) 2010 建筑抗震设计规范( ,S,, 北京: 中国建筑工业出版社,2010,

,2, 中华人民共和国建设部, GB50021 ) 2001 岩土工程勘察规范 ,S,, 北京: 中国建筑工业出版社,2002,

,3, 史兴民,李红帅, 新疆玛纳斯河冲积平原的沉积与演化,J,, 干旱区资源与环境,2010,24( 12) : 128-133,

,4,《工程地质手册》编委会, 工程地质手册( 第四版) ,M,, 北京: 中国建筑工业出版社,2006,

,5, 田景富,刘宏, 瑞雷波技术在工程场地勘探与评价中的应用,J,, 地质灾害与环境保护,2006,17( 3) : 90-94,

,6, 王芳蓉, 东南亚某国电厂软弱地基的工程特性研究,J,, 地质灾害与环境保护,2010,21( 2) : 28-31,

,7, 周文,谭明,裴亮,等, 地震应急响应快速评估系统参数本地化测试分析,J,, 内陆地震,2012,26( 1) : 83-89,

APPLICATION ON JUDGMENT OF CONSTRUCTION

SITE CLASSIFICATION IN SHIHEZI WITH

SHEAR WAVE VELOCTY I

LI Shuai,ZHAO Chunq-ing,TANG Li-hua

( Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region,Urumqi 830011,Xinjiang,China) Abstract: Site classification is an important basis for determining groundm otion parameter onstr uc- tural seismic design, According to ther elated specifications,site classification can be edtermined by experience on the absis of in-situ test, When engineering geological condition of site was veryc om- plex,such methode xisted great edviation, By making comparative analysis of site classification in Shihezi determined by engineering geological characteristic,foundation bearing capacity and judged by shear waveve locity,the result showstha t: empirical method haslim itation while actual measure- ment shear wavevelo city was ar eliable technique for site classification,

Key words: Shear waveve locity; Site classification; Shihezi

剪切波速与天然孔隙比的相关性分析

剪切波速与天然孔隙比的相关性分析第26卷第3期湖南科技大学(自然科学版)Vo1.26No.3 2011年9月JournalofHunanUniversityofScience&Technology(NaturalScienceEdition)Sept.2

011

剪切波速与天然孔隙比的相关性分析

徐宏伟,李晶,孙丽萍

(辽宁工程勘察设计院,辽宁锦州121000)

摘要:为了提高沈阳城区土层剪切波速估值的准确性,采用单孔速度检层法实测土层剪切波速,采用符合国标规定的

取土器采取I级土样,按《土工试验方法标准》(GB50123—1999)进行室内土工试验,取得大量实测剪切波速与天然孔隙比数

据.通过回归分析得出两者之间的经验关系式为=一598.18e0+712.65,经检验相关系数R=0.903.用该关系式估算沈阳

城区土层剪切波速简便易行,且准确性高.

关键词:剪切波速;天然孔隙比;回归分析;场地类别

中图分类号:TU195文献标识码:A文章编号:1672—9102(2011)03—0061—04 《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)规定

对丁类建筑及丙类建筑中层数不超过10层,高度不

超过24m的多层建筑,当无实测剪切波速时,可根

据岩土名称和性状,先划分土的类型,再利用当地经

验在一定的剪切波速范围内估算各土层的剪切波

速….但由于个人对当地经验掌握程度的不同,往

往导致对相同或相似土层的剪切波速估值差异很

大.因此找出一个关系式,用简便易得且有确定性的

指标参数换算剪切波速,用于当地剪切波速的估算

具有明显的实用价值.有人探讨过剪切波速与标准

贯入击数之间的关系.j,还有人分析研究过剪切波速与土层埋深的关系-6,也有人统计过剪切波速与其它物理力学指标之间的关系"-lO]. 土是一种复杂的地质体,其岩性,密度,孔隙性, 密实程度,埋深等因素均对剪切波速有不同程度的影响.而这些因素又都与孔隙性有关,一般情况下, 天然孔隙比越大则密度,密实度越小;埋深越大,密实度越大,密度越高,相应的天然孔隙比越小.可见孔隙性是影响土层剪切波速的主要因素. 本文采用天然孑L隙比代表土的孔隙性指标,就剪切波速与天然孔隙比二者的关系进行回归分析, 找出二者之间的关系式,若其相关性显着,则可利用天然孑L隙比估算剪切波速.

1试验方法及参数选取

1.1试验区地层情况简介

基础数据来源于辽宁工程勘察设计院进行的沈阳地铁一号线岩土工程勘察.

场地位于沈阳市城区,所处地貌单元为浑河冲洪积扇,勘察深度范围内的地层有全新统人工堆积层(Q:l1),全新统浑河高漫滩及古河道冲积层 (Q),全新统浑河新扇冲洪积层(Q),上更新统浑河老扇冲洪积层(Q).各地层简述如下: 1)全新统浑河高漫滩及古河道冲积层(Q) 粉质粘土(?一1):黄褐,灰褐色,软塑,可塑. 粉细砂(?一3):黄褐色,稍密一中密.

中粗砂(?一4):黄褐色,稍密一中密为主,湿一

饱和.

2)全新统浑河新扇冲洪积层(Q叫)

粉质粘土(?一1):黄褐色,可塑为主.

粉细砂(?一3):黄褐色,中密一密实,饱和. 收稿日期:2011—05一l1

基金项目:高等学校特色专业建设点资助(TS11027) 通信作者:徐宏伟(1968一),男,辽宁辽阳人,高级工程师,主要从事岩土工程,水文地

质及环境地质专业方面的研究.E—mml:lngckcsjy

@126.corn

中粗砂(?一4):灰色,灰绿色,中密,密实, 饱和.

砾砂(?一5):黄褐色,密实,饱和.

3)上更新统浑河老扇冲洪积层(Q;-p1) 粉质粘土(?一1):黄褐色,灰色,可塑.

粉土(?一2):棕黄色,中密,饱和.

粉细砂(?一3):黄褐色,中密,饱和.

中粗砂(?一4):黄褐色,锈黄色,中密,密实, 饱和.

砾砂(?一5):黄褐色,中密,密实,饱和.

4)第四系中更新统冲洪积层(Q;-p1) 粉质粘土(?一1):黄褐色,可塑.

中粗砂(?一4):黄褐,褐黄色,密实,饱和.

砾砂(?一5):黄褐色,黄色,密实,饱和.

1.2土工试验取样方法及参数确定原则

在粘性土中采用薄壁取土器及单动三重管取土器采取I级土试样,在砂性土中采用内环刀取砂器及单动三重管取土器(粉细砂)采取I级土试样.样品取出地面后,立即盖好盒盖同时蜡封,并于当天送至设在现场的土工试验室进行试验.室内土工试验严格按

《土工试验方法标准》(GB50123—1999)进行. 常规指标中含水量,重度,孔隙比,液性指数,压缩性指标,抗剪强度(包括三轴压缩试验结果)指标,原位测试(标贯,动触试验)指标当子样个数?6 时,上下各剔除10%异常值后,提供子样个数,界限最大值,界限最小值,算术平均值,标准差,变异系数,标准值;当子样个数<6时,仅提供子样个数,最大值,最小值,算术平均值.

1.3剪切波速测试方法及参数确定

波速测试采用单孔速度检层法,测试点距为 1.0In.所用仪器为FDP204PS触摸屏一体化高分辩浮点动测仪,测试原理如图1:

图1波速测试原理图

Fig.1Illustrativediagramofwavevelocitytest

在上图中,假设在地面的A点激发,激发点到井口的距离为,在井中P点接收,检波器至孔口深为 H由图可见,由点传播到P点的直达波传播速度为

=——

式中:为直达波传播速度(m/s);S为A,P两点间距离(m);t为弹性波从A点传播到P点的时间 (S).

要把波沿s传播的时间t换算成沿井壁传播的时间t,可由下式求出:

to=?t.

H+Ho

K=————————————一.

?+(日+Ho)

式中:to为波从振源到达测点经斜距校正后的时间 (s)(相当于波从孔口到达测点的时间);t为波从振源传播到测点的时测时间(s);k为斜距校正系数;H为测点的深度(ITI);Ho为振源与孔口的高差 (m),当振源低于孔口时,为负值;为振源板中心到测试孔口的水平距离(m).

然后,根据每一深度上经斜距校正后的时间计算该深度的剪切波及压缩波波速:

式中:为第i点的剪切波或压缩波波速(m/s);t 为第i点斜距校正后的时间(S);t为第i一1点斜距校正后的时间(S).

测试前首先平整场地,将木板置于井口l一3m 处,使木板的长轴方向与井口和木板的中点的连线相垂直,在木板的中点下面埋置一检波器(触发开关),用来记录激发纵,横波的起始时间(触发时间);在木板上压上重物(本场地测试用汽车钻液压脚,或后轮,压力均大于500kg),将带有磁控贴壁装置的三分量井中检波器置于井底,张开贴壁装置,使检波器与井壁紧密接触;连接仪器,触发开关和检波器;用铁锤水平敲击木板的一端以激发地震波,在测试仪显示屏上得到满意的剪切波和压缩波波形后, 存盘记录,然后再敲击木板的另一端,同样得到满意的剪切波和压缩波波形后,存盘记录,该点测试完成.提升检波器至下一测点进行测试.

单孔测试完成后,再对部分测试点(大于总点数的10%)进行重复测试(方法同上),以检验测试精度.

2回归分析

本次勘察工作共分11个工点,每个工点波速测

试4孑L,每孔测深50m,测试问距1m;每工点取一

级原状样200—400个,每个一级原状样均测天然孔

隙比.为了充分利用这些实测数据,使回归关系式更

具有代表性,同时又不至于因样本过多,导致回归分

析过于繁琐,首先对数据进行了工点内统计,即上下

各剔除10%异常值后,取算数平均值做为该工点内

各土层的剪切波速,天然孔隙比的代表值.对11个

工点分别统计后,得到对应数据70组,涵盖了从中

更新统至全新统,从粉质粘土到圆砾共15个土层,

几乎包括了沈阳市区常见的所有土层(详见表1).

以天然孔隙比为横坐标,以剪切波速为纵坐标,

做一e.散点图(图2).

表1天然孔隙比及剪切波速统计值一览表

Tab.1Statisticstableofnaturalvoidratioandshearwavevelocity

霉岩土名称天然1:1:孔隙e霉岩土名称天隙(切波m/s零岩土名称天隙~剪/(切m波/)

?一1粉质粘土0.914174?一4中,粗砂0.537360?一4中,粗砂0.568381 ?一1粉质粘土0.797201?一4中,粗砂0.529330?一4中,粗砂0.571373 ?一1粉质粘土0.891186?一4中,粗砂0.568352?一4中,粗砂0.599331 ?一1粉质粘土0.831186?一4中,粗砂0.556382?一5砾砂0.585420 ?一1粉质粘土0.925124?一4中,粗砂0.539355?一5砾砂0.572415 ?一1粉质粘土0.868172?一4中,粗砂0.521376?一5砾砂0.473443 ?一l粉质粘土0.814173?一5砾砂0.477371?一5砾砂0.485426 ?一3粉,细砂0.767222?一5砾砂0.517383?一5砾砂0.490411 ?一4中,粗砂0.602281?一1粉质粘土0.763283?一5砾砂0.539407 ?一4中,粗砂0.605285?一1粉质粘土0.758283?一5砾砂0.516403 ?一4中,粗砂0.625320?一1粉质粘土0.780264?一5砾砂0.527423

?一1粉质粘土0.745272?一l粉质粘土0.742293?一5砾砂0.518414 ?一1粉质粘土0.798234?一1粉质粘土0.710256?一5砾砂0.534410 ?一1粉质粘土0.728263?一1粉质粘土0.716295?一5砾砂0.552428 ?一1粉质粘土0.678282?一1粉质粘土0.719293?一l粉质粘土0.735315 ?一1粉质粘土0.714285?一1粉质粘土0.708294?一4中,粗砂0.501446 ?一1粉质粘土0.743313?一2粉土0.656351?一4中,粗砂0.547406 ?一3粉,细砂0.6983l0?一3粉,细砂0.684334?一4中,粗砂0.586401 ?一3粉,细砂0.594314?一3粉,细砂0.614336?一4中,粗砂0.595380 ?一3粉,细砂0.603322?一4中,粗砂0.648370?一4中,粗砂0.578393 ?一3粉,细砂0.590359?一4中,粗砂0.586394?一4中,粗砂0.584395 ?一3粉,细砂0.614342?一4中,粗砂0.611369?一5砾砂0.544410 ?一4中,粗砂0.535345?一4中,粗砂0.628403

?一4中,粗砂0.506340?一4中,粗砂0.592378

鼍

鲻

盛

畚

r=一598.18%+712.65R0.815

图2剪切波速与天然孔隙比散点图

Fig.2Scatterdiagramofshearwavevelocityandnature

voidratio

应用最小二乘法得一元线性回归关系式:

=一598.18e0+712.65.(1)

R=0.815(即相关系数R=0.903).

孔隙比

e=e0-

孔隙比：s(1+e0)H0

有效应力原理：土体是有土的颗粒骨架和颗粒骨架间的空隙构成的，在外加应力的作用下，土体会产生两种不同性质的应力，一种是通过土颗粒骨架传递的应力，另一种是作用在土孔隙上并由其中的气体和孔隙水所承受的孔隙应力。土中任意点的孔隙压力对各个方向的作用是相等的，因此它只能使土粒产生压缩，并促使孔隙水沿土体的空隙发生渗流，而不能使土颗粒产生位移，使土体发生体积变化和压缩变形。由颗粒承受的折算到单位土体截面面积上的那一部分应力称为有效应力。

饱和土体在外力作用下其孔隙水压力逐渐消散，有效应力同步增长，体积压缩不断发生的过程称为饱和土体的排水固结过程。由此可定义一点的固结度为：

σι(t)σ-u(t)u(t)U(t)===1- σσσ

C和?被称为抗剪强度指标或抗剪强度参数。

土的抗剪强度应表示为剪切破坏面上法向有效应力的函数。抗剪公式为：τf=σ?tan? ιι

σ1=σ3tan(45+对于无粘性土，其极限平衡条件可简化为：2ο?)或σ3=σ1tan2(45ο-) 22?

对应于直接剪切试验的快剪、固结快剪和慢剪试验，三轴压缩试验按剪切前的固结程度和剪切时的排水条件，可以分为一下三种试验方式：（1）不固结不排水剪切试验：试样在施加周围压力和随后施加竖向压力直至剪切破坏的整个过程中都不允许土中水排出，实验自始至终关闭排水阀门。（2）固结不排水剪切试验：在施加周围压力的过程中，打开排水阀门，允许土样排水固接，待土样的排水固结完成后再关闭排水阀门，施加竖向压力，直至试样在不排水条件下发生剪切破坏。（3）固结排水剪切试验：试样在施加周围压力时允许土样排水固结，待土样固结稳定后，再在排水条件下缓慢施加竖向压力，直至试件剪切破坏。

当无粘性土的坡角与土的内摩擦角相等时，作用于土坡坡面上任意质点的抗滑力等于滑动力，即土坡处处于极限平衡状态。无粘性土坡稳定的极限坡脚等于土的内摩擦角，并称其为无粘性土坡的自然休止角。

土压力的定义：挡土墙后的填土因自身重力或外荷载作用在墙背上产生的侧向压力称为土压力。

朗肯土压力理论：朗肯研究了竖向在自重应力下，半无限土体内各点应力从弹性平衡状态发展为极限平衡状态的应力条件，假定挡土墙直立，光滑无摩擦，在此基础上提出了计算挡土墙土压力的理论。

无粘性土主动土压力沿墙高为直线分布，即与深度成正比，若取单位墙长计算，泽主动土压力Ea为：Ea=12?1γHtan2(45ο-)=γH2Ka Ea通过三角形的形心，作用在距墙底222

H/3处。

地基的破坏形式有三种：整体剪切破坏，局部剪切破坏，冲剪破坏。

整体剪切破坏：在荷载试验的p-s曲线中有较明显的拐点，随着荷载增加，剪切破坏区不断增大，最终在地基中形成一贯通地面的连续滑动面，基础急剧下沉或向一侧倾斜，与此同时基础四周地面隆起。

局部剪切破坏：p-s曲线从一开始就呈非线性变化，荷载下土体的剪切破坏也是从基础边缘开始，随着p增加，极限平衡区相应扩大，加荷终了时，极限平衡区发展到基底下一定范围内，但尚未形成贯通至地面的连续破裂面。地基破坏时，荷载板两侧地面只是略微隆起，但变形速率增大，总变形量很大局部剪切破坏是渐进的，即破坏面上土的抗剪强度未能完全发挥出来。

冲剪破坏：其变形发展速率更快。试验中，荷载板几乎是垂直下切，两侧不发生土体隆起，地基土沿荷载板侧发生发生垂直剪切破坏面。

地基极限承载力是地基单位面积上所能承受的最大荷载。

实际基础的买只深度和基础宽度对地基承载力的有利影响：fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)

式中：fa-修正后的地基承载力特征值

fak-地基承载力特征值，按前述方法确定

ηb,ηd-分别为基础宽度和埋深地基承载力修正系数

γ-基础底面以下土的重度，水位以下取浮重度

b-基础底面宽度，m，当基宽小于3m按3m取值，大于6m按6m取值

γm-基础底面以上土加权平均重度，水位以下各土层γi取浮重度

d-基础埋置深度，m，一般自室外地面标高算起。

按施工方法的不同，桩可被分为预制桩和灌注桩两大类。

群桩基础中的每根桩称为基桩，竖向荷载作用下的群桩基础，由于桩、土和承台之间的相互作用，其基桩的承载力和沉降性状往往与相同地质条件和设置方法下的同尺寸单桩有显著差别，这种现象被称为群桩效应。

桩基负摩阻力验算：符合下列条件之一的桩基，当桩周土层产生的沉降超过基桩的沉降时，应考虑桩侧负摩阻力。

（1）桩穿越较厚松散填土、自重湿陷性黄土、欠固结土层进入相对较硬土层时。

（2）桩周存在软弱土层，邻近桩侧地面承受局部较大的长期荷载，或地面大面积堆载时。

（3）由于降低地下水位，桩周土中有效应力增大，并产生显著压缩沉降时。

考虑桩周土沉降可能引起桩侧负摩阻力对桩基承载力和沉降的影响时，应根据具体工程情况具体对待。当缺乏可参照的工程经验时，可按下列规定验算

（1）对于摩擦型基桩，取桩身计算中性点以上的累计侧阻力为零，再按下式验算基础承载力。γsafN≤R

（2）对于端承型基桩除应满足上式要求外，上应考虑负摩阻力引起基桩的下拉荷载，并验算基桩承载力。γsaf(N+1.27Qg)≤1.6R

软土的主要工程特征：（1）多属于中液限与高液限无机粘土，其液限值大部分在34%~43%之间，塑性指数大部分在20左右，在塑性图上主要位于A线以上，C线以外。

（2）含水量w为34%~89%，个别地区的泥炭质软土含水量更高，达299%，多数大于土的液限，属于流动状态，天然孔隙比e=1.0~2.45，最高达7.0，都是淤泥和淤泥质土，以淤泥质土为主。 n

（3）压缩系数a1-2=0.51~2.33MPa-1，属高压缩性土。

（4）抗剪强度低。无测限抗压强度qu=5~48kPa，最大不超过80kPa左右，快剪的粘聚力cq=5~13kPa、

（5）渗透性小

（6）灵敏度一般为3~5，即完全扰动后期强度可降低70%~80%，属于灵敏性土。因此这类地基土场地施工时应尽量减小对基底土的扰动，以发挥土的天然强度。

（7）具有吸附力

（8）在剪应力的长期作用下，软土具有明显的流变特性。在一定条件下，流变可导致地基土的破坏。土的塑性越大，长期强度降低就会越多。

地基处理的目的：主要是改善地基上部土体的工程性质，使地基能够达到和满足建筑物对地基强度，稳定性和变形的要求。按照各地基处理方式的基本原理，可以将地基处理方法的机理分为三大类：土质改良，土的置换和土的加固或补强。

最有含水量和最大干密度：对粘性土而言，在一定压实机械的功能条件下，存在一个含水量，在该含水状态下土最易被压实，并能达到最好的压实效果，该含水量被称为该夯击能量下最优含水量，相对应的最密实状态下的干密度则称为最大干密度。

压实系数：土土的控制干密度与最大干密度的比例称为压实系数，压实系数是工程中用以评价土体是否被压实的重要指标。

土粒比重、孔隙比

2土壤力學實驗

試驗二

土粒比重孔隙比孔隙率及飽和度試驗

摘要

此試驗求土壤之土粒比重G,並以試驗一所得含水量s

w及乾單位重γ之數據,進而計算孔隙比e、孔隙率nd

及飽和度S。本試驗結果,平均土粒比重G,2.60,s孔隙比e,1.723,孔隙率n,63.27,,飽和度S,94.52,

指導教授:楊全成

班級:土資三乙

組別:第5組

組員:江宏晟

洪進明

黃弘志

黃柏融

李昱琛

一、試驗目的,

求土壤之土粒比重G,並配合試驗一土壤之濕單位重γ、含水量w及sm乾單位重γ三個參數,以計算孔隙比e、孔隙率n及飽和度S。提供土d

壤之一般參數,作為工程應用參考之依據。二、試驗說明,

1. 孔隙比(Void Ratio)e,

土壤內所含孔隙之體積(V)與土粒之體積(V)比值稱為孔隙比。 vs

(0?e??) VS

2. 孔隙率(Porosity)n,

土壤內所含孔隙之體積(Vv)與土壤之總體積(V)比值稱為孔隙

率,通常以百分比表示之。(0%?n?100%)

Vn, V

3. 飽和度(Degree of Saturation)S,

土壤內所含水之體積(Vw)與孔隙之體積(Vv)比值稱為飽和度,通

常以百分比表示之。(0%?S?100%)

4. 土粒單位重(Unit Weight of Solid Matter)γ, s

土壤內所含土粒之重量(W)與土粒之體積(V)比值稱為土粒單ss

,,位重。 VS

5. 土粒比重(Specific Gravity of Solid Matter)G, s

土粒之單位重(γ)與4oC水之單位重(γ)比值稱為土粒比重。(一sw

般約為2.45~2.85)

G,,,,G,SSSW

其中

3333 γ(4oC)=1.00g/cm=1.00t/m=1000kg/m=9.8KN/m3=62.4#/ftw

土粒之比重用試驗方法直接求出之公式,

G,，GSW

21W，W,WS

其中W= 乾土重。 s

W= 比重瓶+乾土+水重。 1

W= 比重瓶+水重。 2

G= 溫度T oC 蒸餾水比重。如水之單位重與溫度之關係表所w

示。

土壤天然性質間之基本關係,

水之單位重與溫度之關係,

三、試驗儀器,

1. 磅秤或電子秤。 2. 酒精燈。

3. 三腳架。 4. 石綿網。 5. 有塞比重瓶。 6. 蒸餾水。

7. 溫度計。

8. 溫水槽。

9. 溫烘箱。

四、試驗步驟,

1.土粒比重、孔隙比、孔隙率及飽和度試驗(ASTM D854-92)

2.稱乾土重,WS

3.量試驗時蒸餾水之溫度,T?

4.比重瓶+乾土+半滿水,煮沸10分鐘,加滿水冷卻至T?蓋上蓋子,稱比重瓶+乾土+水,W1

5. 比重瓶+乾土+半滿水於T?蓋上蓋子稱比重瓶+水重,W2 6.查表求溫度T?蒸餾水比重,GS

G,，GSW 7.土粒比重

21W，W,WS

8.由公式求孔隙比,e,〔,Gγ,/γ〕,1 swd

孔隙率,n,e/,1，e,×100,,,

飽和度,S,,GW/e,×100,,, s

流程:

土粒比重、孔隙比、孔隙率及飽和度試驗流程圖土粒比重試驗

試樣編號 No.1 No.2 No.3 乾土重,W s

100.2100.1 100.0 (g)

試驗時蒸餾水溫度,T

24.6 24.6 24.6 (?)

比重瓶，乾土，水重,W 1

208.26 195 .87 196 .38 (g)

比重瓶，水重,W 2

146.5 134.41 1 34.77

(g)

溫度T蒸餾水比重,G 0.997 0.997 0.997 w

土粒之比重,G,〔W/,W，W,W,〕sss21

2.60 2.58 2.60 ×G w

平均土粒比重,G, 2.60 s

試樣編號 No.1 土粒之比重,G 2.60 s

孔隙比,e,〔,Gγ,/γ〕,1 1.723 swd

孔隙率,n,e/,1，e,×100,,, 63.27 飽和度,S,,GW/e,×100,,, 94.52 s

七、試驗問題討論,

1.如何求得原狀土樣之飽和度及孔隙比?

(1) 孔隙率(Porosity)n

土壤內所含孔隙之體積(V)與土壤之總體積(V)比值稱為孔隙 v

率,通常以百分比表示之。

,SW，，G

,,1e,, , 故需求G、γ、γ的值。 swd,d，，

G= 土力比重,用試驗是體之乾土重/試體在水中排該水的體 s

積,×蒸餾水的比重。

γ = 4 oC時水的比重為1。 w

γ=為試驗一所求得之乾單位重。 d

(2) 飽和度(Degree of Saturation)S

土壤內所含水之體積(Vw)與孔隙之體積(Vv)比值稱為飽和度,

通常以百分比表示之。(0%?S?100%)

Gw，，

SS,,,,故需求G、γ、γ的值。 swde，，

G=土力比重,用試驗是體之乾土重/試體在水中排該水的體積,s

×蒸餾水的比重。

w =為試驗一所求得之含水量。

e =為上式所求得之孔隙。

2. 試寫出土粒比重試驗公式,並說明如何得各參數內容?

G,，GSW ANS,

21W，W,WS

其中W= 乾土重。 s

W= 比重瓶+乾土+水重。 1

W= 比重瓶+水重。 2

G= 溫度T oC 蒸餾水比重w

初始孔隙比

关于Abaqus渗流及流固耦合分析中的几点认识

当只进行渗流计算时:

1、由于Abaqus中缺乏非耦合的孔压单元，这时可采用耦合单元，但要约束住所有位移的自由度。

2、渗流材料参数选择。在CAE中都是在(Material-creat-other-pore fluid)选项中。

(1)Gel:定义凝胶微粒吸湿膨胀的发育过程，这在一般的岩土分析中应用不多。

(2)Moisture swelling:定义由于吸湿饱和所引起的固体骨架体积膨胀(或负吸力引起的骨架收缩)。

(3)Permeability:定义饱和介质的渗透系数，该渗透系数可以在type选项中定义为各向同性、正交各向异性和各向异性，并且可以根据Void Ratio定义为孔隙比的函数。在Suboptions中选择Saturation Dependent 参数来指定与饱和度相关性系数ks(s)，缺省设置为ks,s3，而非饱和介质渗透系数k’=ksk。选择Velocity dependence参数可以激活Forchheimer定律，缺省的是Darcy定律。

(4)Pore Fluid Expansion:定义固体颗粒与流体体积热变化效应。

(5)Porous Bulk Moduli:定义固体颗粒与流体体积模量。

(6)Sorption:定义负孔隙压力与饱和度之间的相关性。当type=Absorption时，定义吸湿曲线，type=Exsorption时定义排水曲线。 3、载荷及边界条件

(1)通过(Load-creat-step-fluid-surface pore fluid)选项定义沿着单元表面的外法线方向的渗流速度vn，当考虑降雨影响时可采用此载荷 (2)边界条件(Boundary condition-creat-other-pore pressure)选项定义孔压边界条件，此时要先假定浸润面的位置，然后定义浸润面上的孔压为零，Abaqus会在后续的分析计算中自动计算出浸润面的位置。Abaqus默认的是不透水边界。

(3)当渗流自由面遇到临空的自由排水面时，需要定义一个特殊的边界条件。此时可以通过在inp文件中加入*Flow或*Sflow来定义 (4)初始条件的定义。初始条件中一般要定义以下几种:

*initial condition,type=saturation 初始饱和度

*initial condition,type=pore pressure 初始孔压

*initial condition,type=ratio 初始孔隙比

当进行耦合分析时，基本步骤同上，但要去掉除边界条件之外的约束，同时还要在边界上加上流体压力。

Initial void ratio is not supported in ABAQUS/CAE

import的时候CAE不认识*INITIAL CONDITIONS, TYPE=RATIO 这一行，遇到这类cae不支持的关键词，解决办法如下:

1.你可以将这句在cae中手动写进inp，具体方法:使用edit keywords

2.你可以不使用cae来提交job，具体方法:将inp文件放在默认工作目录temp，然后在command 运行abaqus job=(job name).inp，当然也可以使用dos命令改command的默认路径。

3.通过cae提交job，具体方法:打开cae之后，直接建立一个job，然后把source中默认的model改为inp file，再选择路径，然后summit即可。

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