不同測試力下巖土層性質參數之間互相換算的方法與流程
本發明涉及一種不同測試力下巖土層性質參數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參數。然而，地層的承載力與地層的性質參數關系非常密切，要確定地層的承載力，就必須通過探測來確定地層的性質參數。
地層的性質參數并不是常數，而是變數。在工程地質勘探中，無論現場進行原位測試還是在室內進行力學實驗，只要探測方法不同，或探測力不同，所獲得的地層性質參數都會不同。這些不同參數在數據上存在不統一性，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，在工程地質勘探中，人們一直沒有考慮這個問題。當前，在國內外都沒有考慮這個問題。
發明專利《地基極限承載力的測量方法》(專利號：201310012898x)給地層性質確定了兩種參數：虛度和實度。一般來說，探測力越大，虛度就越大，實度就越小；反之，亦反。因此，在工程地質勘探中需要考慮不同探測作用下地層性質參數的統一性和可對比性問題。
技術實現要素：
本發明針對工程地質勘探中未考慮地層性質參數統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參數之間互相換算的方法。
本發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參數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
所述虛度和實度參數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。
本發明的有益效果是：考慮地層性質參數在數據上的統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的變化規律，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參數，然后，根據本發明給出了的互換公式，將所測得的地層性質參數數據換算為某一標準的數據。標準的地層性質參數主要用于地層性質差別的統一對比，用于劃分地層的工程地質級別，有著重要的工程地質學研究意義。
基于作用學新理論，解決了現有地層性質測試數據統一換算和對比性問題，為基礎理論科學、基礎理論應用科學、工程地質勘探科學的發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明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發明，并非用于限定本發明的范圍。
1、正確認識地層性質和地層承載力概念
在傳統理論中有很多描述地層性質的概念，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含義卻不是很清楚。所以，長期以來，地層性質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特征。
根據作用學新理論，工程地質研究中涉及到的地層性質概念主要是地層在作用下變形或不變形的一種性質，其本質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、內部質點活動性等等，其實質是決定于地層內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，其實質是決定于地層內部空間含量的多少以及質點的排列組合關系和聯結方式等。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部質空關系有關，與周圍環境之間的質空關系也有關。虛度和實度都是一種百分數，或者是介于0～1之間的小數。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，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，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生的作用力，傳統理論稱之為應力，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律
虛度和實度都不是確定的常數，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。根據定義，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參數取值的影響
地層的性質參數的取值不僅決定于地層本身的性質，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，直接規定材料性質參數取值的標尺和取值范圍，直接限定了材料性質參數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，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參數，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時，計算地層虛度和實度的公式都是根據作用學給出來的理論公式
來完成的。在公式中的作用量a可以看做是參數，即a是度量材料性質的尺度或標定量；而虛作用量af和實作用量at都是與材料性質參數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，探頭自由運動能產生的位移量是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，探頭自由運動產生的位移量是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為a＝200×10＝2000，虛作用量變為af＝200×5.5＝1100，實作用量是at＝200×(10-5.5)＝900，因此，虛度和實度分別變為
通過上述論證可以看出：測試力不同，度量材料性質的尺度不同，材料表現出來的作用學性質特征也不同。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生的最大位移量，即在一定作用量支配下，探頭只能產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時探頭的探測位移范圍，不能產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值來計算，就會得到不切實際的地層性質參數。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據，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數，即會得到不切的虛度值和實度值：
這兩個數值都是錯誤數值，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據不能用于小測試力下計算地層性質參數公式的計算，因為參數不相同。
4、不同測試力下產生的不同巖土層性質參數之間的相互換算
假設在勘探中使用的探測工具產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
根據發明專利《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：在工程地質勘探中選擇確定了某個持力地層。確定依據是：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。
根據互換公式
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，而計算結果是虛度小于0的數，實度是大于1的數，而計算結果出現了小于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的公式與小于600公斤測試力下測試計算地層性質的公式不一致性。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生了與實際不符的虛度值和實度值，但這種脫離實際的數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，就能保持穩定。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
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