考虑土体含水率的根-土复合体抗剪强度计算方法技术

本发明专利技术提供一种考虑土体含水率的根

【技术实现步骤摘要】
考虑土体含水率的根
‑
土复合体抗剪强度计算方法


[0001]本专利技术属于岩土
、
地质工程
，具体为考虑土体含水率的根
‑
土复合体抗剪强度计算方法
。

技术介绍

[0002]近年来世界各地极端降雨频发，从而引发浅层滑坡
、
泥石流等地质灾害
。
比如，中国东南沿海地区丘陵山地广分布且经常受到台风侵袭，台风所带来的强降雨对斜坡稳定产生不利影响，使得这些地区饱受滑坡灾害困扰
。
这些滑坡中一个值得注意的点便是具有较高的植被覆盖率
。
随着水土保持理念不断更新，植物根系在边坡稳定和侵蚀控制中起的重要作用已经得到认同
。
植物根系可以通过保持或者降低土壤水分含量，增强土壤剪切强度来加固土壤
。
基于根系的力学尺寸效应，目前比较认同的理论有粗根锚固作用与细根加筋作用
。
[0003]对于植被发育的斜坡而言，具有较高强度的植物根系与较低强度的土壤相结合为根
‑
土复合体，通过相互之间的物理力学作用提高土体的抗剪强度与抗变形性能
。
由于根系的复杂性，根
‑
土复合体抗剪强度的准确计算一直是个难题，特别是对不同含水率下的根
‑
土复合体抗剪强度值的计算，考虑含水率的根
‑
土复合体抗剪强度计算方法能够为降雨作用下的植被覆盖区滑坡稳定性分析提供重要依据
。
专利
技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的缺陷和不足，本专利技术目的是提供一种考虑土体含水率的根
‑
土复合体抗剪强度计算方法，提供了一种基于土体含水率与区域内根总面积测定根
‑
土复合体抗剪强度的方法
。
通过测量土体含水率与区域内根总面积，结合考虑含水率修正系数
k
s
θ
与
k
r
θ
的改进
Wu
模型，得到考虑含水率的根
‑
土复合体抗剪强度计算方法，用于确定不同含水率下根
‑
土复合体的抗剪强度值
。
解决了不同含水率下根
‑
土复合体抗剪强度值难以计算的问题，对降雨作用下植被覆盖区滑坡稳定性分析及监测预警具有重要的理论及实际意义
。
[0005]其通过测量土体含水率与区域内根总面积，结合修正系数
k
′
、
考虑含水率的土体黏聚力修正系数
k
s
θ
与根系附加黏聚力修正系数
k
r
θ
的改进
Wu
模型，得到考虑含水率的根
‑
土复合体抗剪强度计算，用来确定不同含水率下根
‑
土复合体的抗剪强度值
。
解决了不同含水率下根
‑
土复合体抗剪强度值难以计算的问题，对降雨作用下植被土坡稳定性分析及监测预警具有重要的理论及实际意义
。
[0006]本专利技术解决其技术问题具体采用的技术方案是：
[0007]一种考虑土体含水率的根
‑
土复合体抗剪强度计算方法，其特征在于：通过测量土体含水率与区域内根总面积，结合考虑含水率修正系数
k
s
θ
与
k
r
θ
的改进
Wu
模型，计算得到考虑含水率的根
‑
土复合体抗剪强度
。
[0008]进一步地，具体包括以下步骤：
[0009]步骤
S1
：传统
Wu
模型未考虑水分对根
‑
土复合体强度的影响，无法计算不同含水率的根
‑
土复合体强度
。
因此基于
Wu
模型，考虑含水率对于土体本身黏聚力与根系附加黏聚力影响，引入与土体含水率相关的修正系数
k
s
θ
与
k
r
θ
，计算考虑土体含水率的根
‑
土复合体抗剪强度：
[0010][0011]式中：
s
*
θ
为考虑含水率的根
‑
土复合体抗剪强度
(kPa)
；
σ
为剪切面法向应力
(kPa)
；
c
为土体黏聚力
(kPa)
；为土体内摩擦角
(
°
)
；
s
r
为根系提供的附加黏聚力
(kPa)。
ρ
d
为土的干密度
(g.cm3)
；
ρ
w
为孔隙水密度
(g.cm3)
；
θ
w
体积含水率
(
％
)
；
h
剪切面深度
(cm)
；
k
′
为修正系数，为根系附加黏聚力实测值与模型值的比值；
k
s
θ
为虑含水率的土体黏聚力修正系数；
k
r
θ
考虑含水率的根系附加黏聚力修正系数；
T
r
为根系平均抗拉强度
(kPa)
；
A
为剪切区面积
(cm2)
；
A
s
为区域内根总面积
(cm2)。
[0012]其中，考虑含水率的土体黏聚力修正系数
k
s
θ
的表达式为：
[0013]k
s
θ
＝
c+d
θ
w
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0014]式中：
c
，
d
为土性参数；
[0015]考虑含水率的根系附加黏聚力修正系数
k
r
θ
的表达式为：
[0016]k
r
θ
＝
a
θ
wb
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0017]式中：
a
，
b
为土性参数；
[0018]步骤
S2
：通过室内土工实验测得土体在不同含水率下的土体黏聚力
c
与土体内摩擦角对不同含水率下的土体黏聚力进行拟合，得到考虑含水率的土体黏聚力修正系数
k
s
θ
的土性参数
c
，
d
；
[0019]步骤
S3
：通过野外调查测试本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种考虑土体含水率的根
‑
土复合体抗剪强度计算方法，其特征在于：通过测量土体含水率与区域内根总面积，结合考虑含水率修正系数
k
s
θ
与
k
r
θ
的改进
Wu
模型，计算得到考虑含水率的根
‑
土复合体抗剪强度
。2.
根据权利要求1所述的考虑土体含水率的根
‑
土复合体抗剪强度计算方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤
S1
：基于
Wu
模型，考虑含水率对于土体本身黏聚力与根系附加黏聚力影响，引入与土体含水率相关的修正系数
k
s
θ
与
k
r
θ
，计算考虑土体含水率的根
‑
土复合体抗剪强度：式中：
s
*
θ
为考虑含水率的根
‑
土复合体抗剪强度；
σ
为剪切面法向应力；
c
为土体黏聚力；为土体内摩擦角；
s
r
为根系提供的附加黏聚力；
ρ
d
为土的干密度；
ρ
w
为孔隙水密度；
θ
w
体积含水率；
h
剪切面深度；
k
′
为修正系数，即根系附加黏聚力实测值与模型值的比值；
k
s
θ
为考虑含水率的土体黏聚力修正系数；
k
r
θ
考虑含水率的根系附加黏聚力修正系数；
T
r
为根系平均抗拉强度；
A
为剪切区面积；
A
s
为区域内根总面积；其中，考虑含水率的土体黏聚力修正系数
k
s
θ
的表达式为：
k
s
θ
＝
c+d
θ
w
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
式中：
c
，
d
为土性参数；考虑含水率的根系附加黏聚力修正系数
k
r
θ
的表达式为：
k
r
θ
＝
a
θ
wb
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
式中：
a
，
b
为土性参数；步骤
S2
：通过室内土工实验测得土体在不同含水率下的土体黏聚力
c
与土体内摩擦角对不同含水率下的土体黏聚力进行拟合，得到考虑含水率的土体黏聚力修正系数
k
s
θ
的土性参数
c
，
d
；步骤
S3
：通过野外调查测试获得根
‑
土复合体的区域内根总面积
A
s
，以及天然含水率下的根
‑
土复合体根系附加黏聚力
s
r
，与
Wu
模型的计算值进行对比，得到修正系数
k
′
；步骤
S4
：通过野外调查测试获得根
‑
土复合体的区域内根总面积
A
s
，以及不同含水率下根
‑
土复合体根系附加黏聚力，与经过修正系数
k
′
修正的
Wu
模型的计算值进行对比得到考虑含水率的根
‑
土复合体根系附加黏聚力
k
r
θ
；对不同含水率下的根
‑
土复合体根系附加黏聚力
k
r
θ
进行拟合，得到土性参数
a
，
b
；步骤
S5
：通过室内单根拉伸试验获得所需根系的平均抗拉强度
T
r
；步骤
S6
：根据步骤
S2
测得的虑含水率的土体黏聚力修正系数
k
s
θ
的土性参数
c
，
d
；步骤
S3
修正系数
k
′
；步骤
S4
测得的考虑含水率的根
‑
土复合体根系附加黏聚力
k
r
θ
，并结合步骤
S5
获得所需根系的平均抗拉强度
T
r
，代入式
(1)
，即为考虑含水率的根
‑
土复合体抗剪强度计算模型；对于不同含水率下的根
‑
土复合体，将体积含水率
θ
w
，区域内根总面积
A
s
，剪切面深度
h
代入，求出根
‑
土复合体抗剪强度
。3.
根据权利要求2所述的考虑土体含水率的根
‑
土复合体抗剪强度计算方法，其特征在于：步骤
S1
当中，考虑土体含水率的根
‑
土复合体抗剪强度公式的获得具体过程如下：
1a)
根据
Wu
模型，有一种能够估算根
‑
土复合体抗剪强度的简易模型；
式中：
s
*
为根
‑
土复合体抗剪强度；
σ
为剪切面法向应力；
c
为土体黏聚力；为土体内摩擦角；其中：
s
r
＝
1.2T
r
(A
s
/A)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ...

【专利技术属性】
技术研发人员：简文彬，林昀昭，吴宜龙，朱祖腾，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：