本發(fā)明涉及一種不同測試力下巖土層性質(zhì)參數(shù)之間互相換算的方法，其屬于工程力學、巖土力學基礎理論與應用技術研究領域。

背景技術：

長期以來，工程地質(zhì)勘探主要以確定地層的承載力為目標，而不確定地層的性質(zhì)參數(shù)。然而，地層的承載力與地層的性質(zhì)參數(shù)關系非常密切，要確定地層的承載力，就必須通過探測來確定地層的性質(zhì)參數(shù)。

地層的性質(zhì)參數(shù)并不是常數(shù)，而是變數(shù)。在工程地質(zhì)勘探中，無論現(xiàn)場進行原位測試還是在室內(nèi)進行力學實驗，只要探測方法不同，或探測力不同，所獲得的地層性質(zhì)參數(shù)都會不同。這些不同參數(shù)在數(shù)據(jù)上存在不統(tǒng)一性，不能直接進行相互對比，需要通過換算之后才能相互對比。長期以來，人們始終不很清楚這一點，所以，在工程地質(zhì)勘探中，人們一直沒有考慮這個問題。當前，在國內(nèi)外都沒有考慮這個問題。

發(fā)明專利《地基極限承載力的測量方法》(專利號：201310012898x)給地層性質(zhì)確定了兩種參數(shù)：虛度和實度。一般來說，探測力越大，虛度就越大，實度就越?。环粗?，亦反。因此，在工程地質(zhì)勘探中需要考慮不同探測作用下地層性質(zhì)參數(shù)的統(tǒng)一性和可對比性問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對工程地質(zhì)勘探中未考慮地層性質(zhì)參數(shù)統(tǒng)一性和可對比性的缺陷，提供一種不同測試力下巖土層性質(zhì)參數(shù)之間互相換算的方法。

本發(fā)明解決上述技術問題的技術方案如下：

一種不同測試力下巖土層性質(zhì)參數(shù)之間互相換算的方法，已知地層的極限承載力為fmax＝t0f0；在勘探中使用的探測工具產(chǎn)生的探測強度即探測力為f，通過探測獲得某地層的虛度和實度分別為e和t，而在標準測試力f0的作用下該地層的虛度和實度分別為e0和t0，那么，它們之間的相互換算公式分別為

和

所述虛度和實度參數(shù)隨著作用強度和變形強度變化而變化，即作用強度越小、變形量越小、虛度越小、實度越大。

本發(fā)明的有益效果是：考慮地層性質(zhì)參數(shù)在數(shù)據(jù)上的統(tǒng)一性和可對比性的意義在于確定不同建筑物作用下地層性質(zhì)的變化規(guī)律，為建筑物基礎設計和施工奠定良好的基礎。在勘探過程中，可以選擇不同的測試作用來獲取不同的地層性質(zhì)參數(shù)，然后，根據(jù)本發(fā)明給出了的互換公式，將所測得的地層性質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)換算為某一標準的數(shù)據(jù)。標準的地層性質(zhì)參數(shù)主要用于地層性質(zhì)差別的統(tǒng)一對比，用于劃分地層的工程地質(zhì)級別，有著重要的工程地質(zhì)學研究意義。

基于作用學新理論，解決了現(xiàn)有地層性質(zhì)測試數(shù)據(jù)統(tǒng)一換算和對比性問題，為基礎理論科學、基礎理論應用科學、工程地質(zhì)勘探科學的發(fā)展與完善拓寬了道路。

附圖說明

圖1為某地層虛度與作用強度之間的關系曲線示意圖；

圖2為某地層實度與作用強度之間的關系曲線示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

1、正確認識地層性質(zhì)和地層承載力概念

在傳統(tǒng)理論中有很多描述地層性質(zhì)的概念，如松散、密實、堅硬、軟弱、完整、破碎、可塑性、不可塑性、孔隙度、裂隙度、脆性、粘性、韌性、含水性等等，然而，人們對這些概念中的許多概念的本質(zhì)含義卻不是很清楚。所以，長期以來，地層性質(zhì)的度量始終沒有確切的定量標準，一般都是采用定性描述方法大致描述地層性質(zhì)特征。

根據(jù)作用學新理論，工程地質(zhì)研究中涉及到的地層性質(zhì)概念主要是地層在作用下變形或不變形的一種性質(zhì)，其本質(zhì)是變形程度或不變形程度。變形程度決定于地層的松散程度、孔隙裂隙程度、風化程度、內(nèi)部質(zhì)點活動性等等，其實質(zhì)是決定于地層內(nèi)部和外部可變形空間存在的多少。作用學將變形程度叫做虛度，即虛弱或軟弱程度。不變形程度決定于地層的密實程度，其實質(zhì)是決定于地層內(nèi)部空間含量的多少以及質(zhì)點的排列組合關系和聯(lián)結方式等。作用學將不變形程度叫做實度，即堅硬程度。虛度與實度不僅與內(nèi)部質(zhì)空關系有關，與周圍環(huán)境之間的質(zhì)空關系也有關。虛度和實度都是一種百分數(shù)，或者是介于0～1之間的小數(shù)。其物理特性類似于百分比含量等物理學概念，并不是任意參數(shù)，只是它們與作用有關，與變形有關。虛度記為e，實度記為t，兩者都是無量綱參數(shù)，它們分別用于度量地層的軟弱程度和密實堅硬程度，詳見發(fā)明專利《地基極限承載力的測量方法》(專利號：201310012898x)。

地層的承載力是指地層在保持不產(chǎn)生任何變形量前提下所能夠承載的最大作用強度。作用強度是指作用物體對單位受作用面產(chǎn)生的作用力，傳統(tǒng)理論稱之為應力，記為σ，其量綱為“噸/米²”或“牛頓/米²”。在保持不變形條件下，地層能夠承受的最大應力值就等于地層的承載力，記為σmax。

2、地層虛度、實度和承載力與作用強度、變形強度之間的關系規(guī)律

虛度和實度都不是確定的常數(shù)，而是一種隨著作用強度和變形強度變化而變化的一種物理量。一般來說，作用強度越小，變形量越小，虛度越小，實度越大；反之，作用強度越大，變形量越大，虛度越大，實度越小。但是，承載力卻是一種不變的常數(shù)。根據(jù)定義，地層的承載力是一種恒量，它一般不改變其值的大小。任何一種地層，無論多么軟弱，它都有一個使其虛度等于0、實度等于1的作用強度范圍。如圖1所示，任意地層的虛度和實度及其承載力與作用強度之間的關系規(guī)律是特定的：當作用強度(應力)介于0～17.688噸/米²之間時，地層保持不變形，其虛度總是等于0，實度總是等于1，該地層的承載力是σ＝17.688噸/米²。當作用強度大于17.688噸/米²時，地層的虛度和實度就隨著作用強度的增大而變化：作用強度越大，地層變形量越大，虛度值越大，實度值越小；反之，亦反。

3、認識測試力對地層性質(zhì)參數(shù)取值的影響

地層的性質(zhì)參數(shù)的取值不僅決定于地層本身的性質(zhì)，而且受測試力即作用強度的控制。測試力的大小，即作用強度的大小，直接規(guī)定材料性質(zhì)參數(shù)取值的標尺和取值范圍，直接限定了材料性質(zhì)參數(shù)測試儀器的適用范圍。

如果分別用兩種測試力來測試地層的性質(zhì)，測試力分別為100公斤和200公斤，那么，測試結果會得到同一種地層的兩種不同性質(zhì)參數(shù)，并且，100公斤測試力適用測試的地層范圍遠遠少于200公斤測試力適用測試的地層范圍，而且，兩個測試力下度量材料性質(zhì)的標尺完全不同。

如果用100公斤力測試得到某地層的虛度值為e＝0.1＝10％，實度值為t＝0.9＝90％，那么，在200公斤測試力下，該地層的虛度值為e＝0.55＝55％，該地層的實度為t＝0.45＝45％。在使用兩種測試力測試地層性質(zhì)時，計算地層虛度和實度的公式都是根據(jù)作用學給出來的理論公式

和

來完成的。在公式中的作用量a可以看做是參數(shù)，即a是度量材料性質(zhì)的尺度或標定量；而虛作用量af和實作用量at都是與材料性質(zhì)參數(shù)即虛度和實度有關的變量。測試力f與作用量之間的關系是a＝ft，t表示作用時間。測試力確定以后，作用量隨作用時間變化而變化。當規(guī)定作用時間為單位時間時，即當t＝1時，a＝f。假設在100公斤測試力支配下，在單位時間內(nèi)，探頭自由運動能產(chǎn)生的位移量是l＝5單位，而在探測地層時探頭在地層中的實際位移量為x＝0.5單位，那么，作用量是a＝100×5＝500，虛作用量是af＝100×0.5＝50，實作用量是at＝100×(5-0.5)＝450，因此，虛度和實度分別為

當探測力改為200時，在探測力支配下，在單位時間內(nèi)，探頭自由運動產(chǎn)生的位移量是l＝10單位，探測上述同一個地層時探頭的實際位移量是x＝5.5單位，探測同一個地層的作用量變?yōu)閍＝200×10＝2000，虛作用量變?yōu)閍f＝200×5.5＝1100，實作用量是at＝200×(10-5.5)＝900，因此，虛度和實度分別變?yōu)?/p>

通過上述論證可以看出：測試力不同，度量材料性質(zhì)的尺度不同，材料表現(xiàn)出來的作用學性質(zhì)特征也不同。一般來說，測試力只適用于它的取值所限定的測試范圍。這種限定主要決定于其所能產(chǎn)生的最大位移量，即在一定作用量支配下，探頭只能產(chǎn)生一個特定的最大位移量，該最大位移量限定在測試地層性質(zhì)時探頭的探測位移范圍，不能產(chǎn)生超出其最大位移量范圍的變形位移量。如果取一個超出范圍的變形位移量數(shù)值來計算，就會得到不切實際的地層性質(zhì)參數(shù)。如上述在100公斤測試力下探頭的極限位移量是l＝5單位，如果用大于該位移量的數(shù)據(jù)，假如取變形位移x＝5.5單位來計算地層的虛度，結果會得到不切實際的地測性質(zhì)數(shù)，即會得到不切的虛度值和實度值：

和

這兩個數(shù)值都是錯誤數(shù)值，因為虛度和實度的最大值都是1，它們的最小值都是0，沒有大于1的虛度值，也沒有小值是0的實度值。

總之，在大測試力下測得的變形數(shù)據(jù)不能用于小測試力下計算地層性質(zhì)參數(shù)公式的計算，因為參數(shù)不相同。

4、不同測試力下產(chǎn)生的不同巖土層性質(zhì)參數(shù)之間的相互換算

假設在勘探中使用的探測工具產(chǎn)生的探測強度即探測力為f，通過探測獲得某地層的虛度和實度分別為e和t，而在標準測試力f0的作用下該地層的虛度和實度分別為e0和t0，那么，它們之間的相互換算公式分別為

和

根據(jù)發(fā)明專利《地基極限承載力的測量方法》(專利號：201310012898x)，地層的極限承載力為

fmax＝t0f0。

5、應用方法舉例

例：在工程地質(zhì)勘探中選擇確定了某個持力地層。確定依據(jù)是：在200公斤探測力(公斤/米²)下該持力地層的虛度是0.01，實度是0.99。而該地層承載的建筑物產(chǎn)生的作用強度是500公斤/米²。問：選擇該持力地層做天然地基能否滿足承載建筑物的需要？

解：由題意知，探測力是f＝200公斤/米²，虛度是e＝0.01，實度是t＝0.99，承載力即標準探測力是f0＝500公斤/米²。

根據(jù)互換公式和得：建筑物作用下該持力地層的虛度是

建筑物作用下該持力地層的實度是

答：選擇該地層作持力地層、構成天然地基是不合理的。因為在建筑物的作用下，該地層的可變形程度即虛度值為60.4％，不可變形程度為39.6％，地層變形速度會很大，變形量會很大，不能保證建筑物的穩(wěn)定性，滿足不了承載建筑物的需要。建議選擇大于500公斤/米²的探測強度進行探測，確定在大于500公斤/米²探測強度條件下，地層的虛度和實度滿足承載建筑物的要求。例如，在600公斤/米²的探測強度條件下，找到虛度為0.01、實度為0.99、厚度足夠的地層，可以選擇其為建筑物的持力地層。該地層在承載500公斤/米²建筑物作用強度條件下，其虛度為

其實度為

由于虛度和實度都是介于0～1之間的數(shù)，而計算結果是虛度小于0的數(shù)，實度是大于1的數(shù)，而計算結果出現(xiàn)了小于0的虛度和大于1的實度，違背了虛度和實度概念的客觀含義，在理論上說不通。產(chǎn)生這種錯誤結果的原意是：600公斤測試力下測試計算地層性質(zhì)的公式與小于600公斤測試力下測試計算地層性質(zhì)的公式不一致性。但是，換算公式仍然具有應用價值，換算結果仍有實用價值。因為，在這種情況下，虛度為負值和實度為超過1的數(shù)值能夠說明：該建筑物壓力達不到使地基下沉變形的條件。計算虛度值為e0＝-0.188、計算實度值為t0＝1.188，雖然因為取值標尺不正確而產(chǎn)生了與實際不符的虛度值和實度值，但這種脫離實際的數(shù)值也能用于承載力計算：在保持不變形條件下，該地層能夠產(chǎn)生承載建筑物的最大承載作用強度為

fmax＝t0f0＝500×1.188＝594公斤/米²。

只要建筑物對該地層產(chǎn)生的壓強不超過594公斤/米²，建筑物就不會下沉，就能保持穩(wěn)定。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。