參數(shù)優(yōu)化方法在電法測試土體裂隙深度中的應(yīng)用

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1、第14卷第2期2014年1月科學(xué)技術(shù)與工程Vo1．14No．2Jan．20141671—1815(2014)02—0219—05ScienceTechnologyandEngineering⑥2014Sci．Tech．Engrg．建筑技術(shù)參數(shù)優(yōu)化方法在電法測試土體裂隙深度中的應(yīng)用周文斌趙仲輝'趙含梅胡孝彭(河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210098；浙江大學(xué)軟弱土與環(huán)境土工教育部罩點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州310058)摘要裂隙對(duì)土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性、垃圾覆蓋層的防滲性等有重大的影響，因此裂隙定量化研究具有重要的意義，尤其是建立裂隙三維網(wǎng)絡(luò)分布。本文

2、模擬了二維裂隙沿深度發(fā)育的物理過程，使用電阻率法測得不同裂隙深度下土體的電學(xué)響應(yīng)。通過有限單元法與參數(shù)優(yōu)化方法聯(lián)合反演裂隙深度，并將計(jì)算得出的裂隙深度與裂隙深度的標(biāo)定值進(jìn)行比較。經(jīng)分析知，有限單元法數(shù)值結(jié)果能夠與實(shí)際測量值較好地吻合；參數(shù)優(yōu)化方法可以有效地估計(jì)出裂隙深度。將裂隙深度的計(jì)算值與標(biāo)定值比較得知，該種反演方法測試所得的裂隙深度標(biāo)準(zhǔn)差為電極距離的0．26倍。關(guān)鍵詞電阻率反演裂隙深度參數(shù)優(yōu)化中圖法分類號(hào)Tu411；文獻(xiàn)標(biāo)志碼A土體裂隙的研究具有重要意義。研究表明，產(chǎn)應(yīng)出裂隙區(qū)域所在，裂隙深度的確定無明確方法。生裂隙后土體的強(qiáng)度降低、透水能力增強(qiáng)、

3、同時(shí)有優(yōu)土體表面的二維裂隙網(wǎng)絡(luò)可以方便地從土表的勢滲透路徑，影響工程安全¨'。許多學(xué)者對(duì)裂隙照片中獲得，結(jié)合電阻率法試驗(yàn)數(shù)據(jù)與土表面的圖土做了大量的研究，研究主要內(nèi)容包括裂隙發(fā)育機(jī)像建立裂隙的三維網(wǎng)絡(luò)成了一個(gè)有重要意義的課理'、裂隙土滲流特性J，以及裂隙的形態(tài)研究。題。為了模擬裂隙土發(fā)育的過程，結(jié)合電阻率試驗(yàn)?zāi)壳?，裂隙的形態(tài)研究偏重于土體表面裂隙的二維結(jié)果得到裂隙深度的計(jì)算方法，并對(duì)計(jì)算誤差做了統(tǒng)計(jì)特性’，對(duì)裂隙的三維網(wǎng)絡(luò)研究相對(duì)分析。較少’。交流電源常用的土體裂隙測量手段有：計(jì)算機(jī)斷面成像技術(shù)(cT法)¨。。表面圖像分析法’、染色劑示蹤法?及電阻率法

4、¨。cT法可以很準(zhǔn)確地看到試樣內(nèi)部裂隙的發(fā)育情況，但實(shí)驗(yàn)儀器昂貴，試樣尺寸的限制很大，只適用于室內(nèi)小試樣的試驗(yàn)研究；表面圖像分析法最為常用，但該法僅僅可以獲得試樣的交流電源表面裂隙的二維分布，無法獲得裂隙的三維分布；染色劑示蹤法能夠很直觀準(zhǔn)確地反映裂隙的發(fā)育程度，但染色劑示蹤法需要對(duì)研究試樣進(jìn)行破壞，不能進(jìn)行無損觀測；電阻率法可以無損地對(duì)土體進(jìn)行觀(b)四電極法測。電阻率法試驗(yàn)測得數(shù)據(jù)可以使用地球物理學(xué)中的方法反演出空間電阻率分布¨引。但此種反演方圖1電阻率法試驗(yàn)的示意圖法假定了空間內(nèi)電阻率分布是連續(xù)的而實(shí)際的裂隙土中電阻率分布不連續(xù)，因此該方法只能定

5、性地反1土的電阻率基本理論與測量方法1．1土的電阻率基本理論2013年8月12日收到，9月11日修改國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)日(2012CB719805)和浙江大學(xué)開放基金(2011904)資助土的電阻率表示電流垂直通過單位面積上單位第一作者簡介：周文斌(1989一)，男，碩士研究生，研究方向：環(huán)境巖長度的土所表現(xiàn)的電阻，單位為Q·m，是土體的固土工程試驗(yàn)。E—mail：cezhouwb@hotmail．COITI。有屬性，可以用來表征土的導(dǎo)電特性。土電阻率主科學(xué)技術(shù)與工程14卷要取決于土的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和孔隙水特征。A卜探中，通常使用Wenner四

6、電級(jí)法測量大地電阻chiel14]最早提出了適用于飽和無黏性土、純凈砂巖率，如圖2所示。A、B為供電電極，、Ⅳ為電壓測的電阻率結(jié)構(gòu)模型。Waxman等¨在Archie的模量電極，圖中距離AM=MN=NB。定義視電阻型基礎(chǔ)上作了修正，提出了適用于黏土的電阻率結(jié)率P即：Ar構(gòu)模型。土體的電阻率受到很多因素的影響，如土P=K=KR(2)的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和孔隙水特征，其中主要影響因素有飽和度、孔隙水離子濃度、溫度、土的類型與黏粒式(2)中R表示視電阻，其定義為電路中電壓含量，。與電流的比值；K為電極形狀系數(shù)，只與電極、日、1．2土的電阻率室內(nèi)測試方法、Ⅳ的相互

7、空問位置關(guān)系有關(guān)；AU為M、Ⅳ兩點(diǎn)的土體的電阻率測量是通過測得土體在一定電流電勢差；，為電路中的供電電流。，下的電壓降A(chǔ)V獲得的。電阻率P表達(dá)式為冰RS、P=—一L=了一L(1){fⅡ式(1)中表示沿電流方向的土體長度；S表示垂直lⅢ彝于電流方向的截面面積。聚島現(xiàn)有的土的電阻率測試方法按測量電極數(shù)量分主要有二電極法¨引[圖1(a)]和四電極法n[圖1÷(b)]。研究引表明，在飽和度較低的情況下，土體的體積含水率較低，二電極法測量結(jié)果中含有較大∞∞鯽加∞如∞如加Om的接觸電阻的影響，而四電極法測量結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確。因此，在試驗(yàn)條件允許的情況下，宜優(yōu)先選取四電

8、圖3土的顆分曲線極法。土體電阻率測量應(yīng)使用交流電避免土體極化以2室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ图半p電層松弛的現(xiàn)象