淺析實(shí)驗(yàn)過程中巖土參數(shù)的合理預(yù)算

魏振峰

（廣西有色勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530031）

巖土是一種比較碎散且不連續(xù)或部分連續(xù)的介質(zhì)，它是由固液汽三種物質(zhì)組合而成的，在巖石經(jīng)過風(fēng)化，沉積之后，形成了與其他物質(zhì)不同的復(fù)雜材料，它的性質(zhì)是具有較強(qiáng)的時(shí)空變異性。在很多巖土工程中，其巖土環(huán)境或地基有著不可完全探知性，主要也是受到操作環(huán)境的影響，所以，研究探測的結(jié)果也是比較模糊的。還有一方面就是不確定性，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，預(yù)測參數(shù)會因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)或概率的不確定，導(dǎo)致預(yù)算的不確定。對巖土進(jìn)行綜合性的勘察實(shí)驗(yàn)，是將理論與實(shí)際結(jié)合起來。

作為一名地質(zhì)勘探的研究者，就要有著技術(shù)過硬，能夠指揮并且及時(shí)的做出重要的地質(zhì)位置選擇，將有關(guān)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤的進(jìn)行記錄下來，然后進(jìn)行取樣，為以后回到研究所找去最有用的材料。在鉆取巖石時(shí)，要謹(jǐn)記不能破壞掉巖石原有的取樣實(shí)驗(yàn)形狀，要將袋子密封好，不能被污染了，還要將取樣下來的巖土進(jìn)行文字描述，以防止巖土在不同換今夏會改變原有的相貌，繼而改變了原有的物理力學(xué)性質(zhì)。例如，有一種粘土，在經(jīng)過風(fēng)抽日曬之后，里面的水分會蒸發(fā)掉，將軟的巖土變成硬的巖土。

1 土的本構(gòu)關(guān)系檢驗(yàn)基本概述

對土的本結(jié)構(gòu)關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)探測，實(shí)驗(yàn)包括：土本結(jié)構(gòu)的平均主應(yīng)力p=不同常數(shù)存在下的三軸試驗(yàn)，b=不同常數(shù)存在不同密度的兩種砂土（天然粘土和天然砂土）的真三軸實(shí)驗(yàn)。兩種砂土的應(yīng)力應(yīng)變的路徑在π平面上是圓周的真三軸實(shí)驗(yàn)。在b=0/（或0.28）時(shí)，有不同的一起測量出來的結(jié)果之間也會存在較大的誤差。

天然粘土大主應(yīng)力方向與其沉積方向成不同角度的三軸試驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)之前先將之前的專業(yè)研究預(yù)測結(jié)果公開告知，然后再向全球征集參賽報(bào)名者。將17個(gè)國家的本構(gòu)模型進(jìn)行參加參賽預(yù)測。根據(jù)預(yù)先公布的結(jié)果，軸向應(yīng)力的應(yīng)變關(guān)系（σ1-σ3）～1并沒有較精確的預(yù)測結(jié)果且差別不大；但是體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系預(yù)測的精度相對而言差別較大。對于在π面上應(yīng)力路徑為圓周的情況，很多模型也無法實(shí)現(xiàn)此嘗試。對原狀土進(jìn)行循環(huán)加載和超固結(jié)性狀也很難預(yù)測的原因是原狀土具有各向異性，導(dǎo)致少數(shù)的模型參加了循環(huán)加載。最后結(jié)果顯示，確實(shí)沒有一個(gè)模型可以完成所有的測驗(yàn)，這也是當(dāng)前在土力學(xué)方面發(fā)展現(xiàn)狀。

從這些描述中可以看出應(yīng)變力應(yīng)變關(guān)系的能力水平。實(shí)驗(yàn)表明，目前的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系非常復(fù)雜，在有限的測驗(yàn)實(shí)驗(yàn)工具條件下，測量的結(jié)果的精確度依然不是很好。

2 巖土加入鋼筋做土墻的計(jì)算

在計(jì)算機(jī)發(fā)展迅速的當(dāng)今社會，可以利用計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確度進(jìn)行測量，但只能是數(shù)據(jù)的計(jì)量，真正的實(shí)驗(yàn)測量還是要有實(shí)踐和報(bào)告的。

在巖土數(shù)值計(jì)算中，最具代表性的研究課題就是加筋土的試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中也會涉及到土的本構(gòu)模型、筋材的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和筋土間的應(yīng)變關(guān)系模型，以及實(shí)驗(yàn)中的模型用到的參數(shù)。

進(jìn)行一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在一個(gè)大型的實(shí)驗(yàn)槽（高3米，寬1.2米，長2.1米）中進(jìn)行，并且在里面鋪設(shè)長1.7米約12層的土工織物且是無紡的，加工制作成加筋擋土墻，用氣囊給墻頂進(jìn)行施壓，在氣囊的下面鋪設(shè)5厘米厚的的砂墊層。實(shí)驗(yàn)過程中，用到兩種土料，一種是D50=0.42m均勻的砂土，另一種是塑限為19%，液限為37%的粘土，用字母表示分別為（Wp），（WI）。在實(shí)驗(yàn)之前，告知參賽者粘土在不同的排水條件下進(jìn)行的三軸試驗(yàn)，筋土間的界面直剪試驗(yàn)和土工布的拉伸試驗(yàn)等，并且高職世界即將要做實(shí)驗(yàn)的人們，同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目有：①加載103.5kPa的壓力在兩種加筋擋土墻的頂部，分別進(jìn)行探測，在施壓之后，墻頂出現(xiàn)的最大位移、各墻面所發(fā)生的位移以及加入進(jìn)去的筋的應(yīng)變。②在施壓100小時(shí)之后，記載下實(shí)驗(yàn)對象所發(fā)生的位移和應(yīng)力應(yīng)變情況。其中一共有15個(gè)參賽大學(xué)和單位，他們來自不同國家，其中，美國包括科羅拉多大學(xué)在內(nèi)的八家參與研究實(shí)驗(yàn)，英國兩家參與包括格拉斯哥大學(xué)在內(nèi)，日本東京大學(xué)的兩家參與研究，以及加拿大和加拿大各有一家研究所。其中有十四家參加了應(yīng)力應(yīng)變力的預(yù)測，在研究中，各自表示出了在荷載下，砂土和粘土擋土墻發(fā)生的最大位移預(yù)算的誤差，有幾個(gè)試驗(yàn)所，沒有做砂土和粘土的實(shí)驗(yàn)，有幾家在實(shí)驗(yàn)開始后沒多久就所做的擋土墻在荷載力下就遭到破壞，結(jié)果也就只有小部分的試驗(yàn)所得出小于等于30%的差值。

砂土加筋擋土墻的破壞荷載實(shí)驗(yàn)，研究預(yù)算出在207kPa,預(yù)算值在10kPa到517kPa之間；粘土加筋擋土墻在荷載加到230kPa時(shí)，擋土墻雖沒有遭到破壞，但因氣囊受到破壞而終止實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中預(yù)算到的破壞荷載大約是在21kPa和207kPa之間。

3 土的液化分析測驗(yàn)

在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)實(shí)施時(shí)，美國NSF撥出350萬美元，資助實(shí)驗(yàn)中心購買了離心機(jī)模型用來檢驗(yàn)地震反應(yīng)分析方法，這也是美國NSF在很多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中投資最多的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。有美國加州大學(xué)戴維斯分校，加州理工大學(xué)，英國劍橋大學(xué)等7座大學(xué)；其中還有使命來自美國科學(xué)院院士以及英國皇家學(xué)會會員的單位以及個(gè)人來參加此次試驗(yàn)。共有二十三個(gè)來自不同國家（美國、加拿大、日本和歐洲等）的數(shù)值計(jì)算專家和數(shù)值研究小組。

項(xiàng)目在啟動時(shí)使用了8臺帶振動的離心機(jī)，進(jìn)行了平行試驗(yàn)。在模擬地震的振動模式試驗(yàn)中的內(nèi)容包括：①保持水平下的自由地基；②將地基傾斜；③將密砂和松砂進(jìn)行組合成地基；④將地基進(jìn)行成層的實(shí)驗(yàn)，成層地基中包括剛性箱和柔性箱；⑤重力式擋土墻—護(hù)岸的一種；⑥河堤堤壩，以及以砂做基礎(chǔ)建設(shè)的剛性建筑物。

針對以上提到的問題，進(jìn)行試驗(yàn)測量，他們的實(shí)驗(yàn)實(shí)則都很簡單。主要就是離心機(jī)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上面，提出的問題，包括三類，第一，離心機(jī)在實(shí)驗(yàn)之前，給這個(gè)實(shí)驗(yàn)提供了條件（邊界條件和初始條件），然后在實(shí)驗(yàn)資料下進(jìn)行試驗(yàn)的預(yù)算計(jì)量，這種計(jì)量的方法叫做“盲測”。第二類，將離心實(shí)驗(yàn)完成之后，先不公布實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，再向?qū)嶒?yàn)者提供志強(qiáng)美提出來的條件以及相似的參考資料。第三類公布出來實(shí)驗(yàn)結(jié)果，讓參加實(shí)驗(yàn)的專員自己根據(jù)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算預(yù)測，然后與公布的結(jié)果進(jìn)行對比。

最后將試驗(yàn)結(jié)果對比考核，首先要做一個(gè)合理規(guī)范嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊?guī)定，然后再依據(jù)個(gè)研究人員在做實(shí)驗(yàn)時(shí)的表現(xiàn)，進(jìn)行公平公正的評定。

4 結(jié)語

巖土有著復(fù)雜并且變化多端的力學(xué)性質(zhì)，所以很多巖土?xí)霈F(xiàn)各種不同的問題，但是現(xiàn)在很多的理論以及分析計(jì)算也還不能夠準(zhǔn)確的計(jì)算和定量的描述出來，所以，我們要有一顆積極深入研究的決心，要不斷地探索和預(yù)算測量。針對巖土工程問題，正面的純理論和數(shù)值預(yù)測計(jì)算，其實(shí)是很難反映實(shí)際情況的，所以在研究測量時(shí)要認(rèn)真了解實(shí)際情況，認(rèn)真熟悉巖土參數(shù)的作用，合理利用參數(shù)進(jìn)行預(yù)算。所以，在進(jìn)行巖土測量時(shí)，要依據(jù)理論，參考數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測判斷。

由于土的力學(xué)性質(zhì)比較多變，根據(jù)目前我們進(jìn)行的理論分析或者數(shù)值的預(yù)算，甚至勘察人員的野外勘察，都還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠精確，準(zhǔn)確定量的描述出來，但是根據(jù)探測的數(shù)值可以將巖土受力變形的基本規(guī)律表現(xiàn)出來，所以，在今后的研究中，仍要不斷的進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)的積累。

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