一种高铁微膨胀泥岩地基膨胀力确定方法及相关装置

技术领域

本申请涉及泥岩膨胀力确定技术领域，具体而言，涉及一种高铁微膨胀泥岩地基膨胀力确定方法及相关装置。

背景技术

微膨胀泥岩是针对高速铁路无砟轨道对路基上拱要求(仅4mm)的严格性而提出的一种特殊膨胀岩。我国西南、中南、华东、华北和西北地区均有泥岩分布，总面积约826389km

综上所述，现有技术中存在确定的膨胀力缺乏理论依据且精度不高的问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种高铁微膨胀泥岩地基膨胀力确定方法及相关装置，以解决现有技术中存在的确定出的膨胀力缺乏理论依据且精度不高的问题。

为了实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供了一种高铁微膨胀泥岩地基膨胀力确定方法，所述方法包括：

获取微观参数，其中，所述微观参数包括蒙脱石颗粒的体相相对电容率、层间相对电容率、晶层表面电荷密度、静电力常量、单位电荷量、晶层厚度、离子半径关联量、晶层间距以及晶层厚度；

依据所述微观参数确定每个蒙脱石颗粒的晶层膨胀力；

依据每个蒙脱石颗粒的晶层膨胀力确定所有蒙脱石颗粒的横向膨胀力与竖向膨胀力；

依据所述蒙脱石颗粒的横向膨胀力与竖向膨胀力确定等效蒙脱石颗粒的横向膨胀力与竖向膨胀力；

获取微膨胀泥岩的膨胀性定量值；

依据所述膨胀性定量值、所述等效蒙脱石颗粒的横向膨胀力与竖向膨胀力确定微膨胀泥岩的横向膨胀力与竖向膨胀力。

第二方面，本申请实施例提供了一种高铁微膨胀泥岩地基膨胀力确定装置，所述装置包括：

数据获取单元，用于获微观参数，其中，所述微观参数包括蒙脱石颗粒的体相相对电容率、层间相对电容率、晶层表面电荷密度、静电力常量、单位电荷量、晶层厚度、离子半径关联量、晶层间距以及晶层厚度；

数据处理单元，用依据所述微观参数确定每个蒙脱石颗粒的晶层膨胀力；

数据处理单元，还用于依据每个蒙脱石颗粒的晶层膨胀力确定所有蒙脱石颗粒的横向膨胀力与竖向膨胀力；

数据处理单元，还用于依据所述蒙脱石颗粒的横向膨胀力与竖向膨胀力确定等效蒙脱石颗粒的横向膨胀力与竖向膨胀力；

数据获取单元，用于获取微膨胀泥岩的膨胀性定量值；

数据处理单元，还用于依据所述膨胀性定量值、所述等效蒙脱石颗粒的横向膨胀力与竖向膨胀力确定微膨胀泥岩的横向膨胀力与竖向膨胀力。

第三方面，本申请实施例提供一种电子设备，所述电子设备包括存储器，用于存储一个或多个程序；处理器。当所述一个或多个程序被所述处理器执行时，实现上述的高铁微膨胀泥岩地基膨胀力确定方法。

第四方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的高铁微膨胀泥岩地基膨胀力确定方法。

相对于现有技术，本申请具有以下有益效果：

本申请提供了一种高铁微膨胀泥岩地基膨胀力确定方法及相关装置，首先获取微观参数，其中，微观参数包括蒙脱石颗粒的体相相对电容率、层间相对电容率、晶层表面电荷密度、静电力常量、单位电荷量、晶层厚度、离子半径关联量、晶层间距以及晶层厚度，再依据微观参数确定每个蒙脱石颗粒的晶层膨胀力，然后依据每个蒙脱石颗粒的晶层膨胀力确定所有蒙脱石颗粒的横向膨胀力与竖向膨胀力，再依据蒙脱石颗粒的横向膨胀力与竖向膨胀力确定等效蒙脱石颗粒的横向膨胀力与竖向膨胀力，再获取微膨胀泥岩的膨胀性定量值，最后依据膨胀性定量值、等效蒙脱石颗粒的横向膨胀力与竖向膨胀力确定微膨胀泥岩的横向膨胀力与竖向膨胀力。由于本申请通过微观参数获取蒙脱石颗粒晶层膨胀力的基础上，还结合泥岩的宏观参数，并最终确定横向膨胀力与竖向膨胀力，因此，获取的横向膨胀力与竖向膨胀力的精度更高。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。

图1为蒙脱石分子的第一种结构图。

图2为蒙脱石分子的第二种结构图。

图3为本申请实施例提供的电子设备的模块示意图。

图4为本申请实施例提供的高铁微膨胀泥岩地基膨胀力确定方法的流程图。

图5为本申请实施例提供的等效蒙脱石含量与Z的关系图。

图6为本申请实施例提供的高铁微膨胀泥岩地基膨胀力确定装置的模块示意图。

图中：100-电子设备；101-处理器；102-存储器；103-通信接口；200-高铁微膨胀泥岩地基膨胀力确定装置；210-数据获取单元；220-数据处理单元。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

泥岩具有膨胀性的原因为泥岩中含有黏土矿物，而黏土矿物主要有蒙脱石、伊利石、高岭石、伊-蒙混层和高-蒙混层等，由于黏土矿物中蒙脱石膨胀性大约是伊利石10倍，是高岭石30倍，因此在黏土矿物的膨胀性中蒙脱石占主导作用。因此，在确定微膨胀泥岩的膨胀力时，主要以蒙脱石颗粒为主进行膨胀力的确定。

下面对蒙脱石的膨胀原理进行说明：

请参阅图1与图2，蒙脱石主要是由两个Si-O四面体中间夹一Al-O八面体构成的2：1型黏土矿物，如图2所示，由于蒙脱石特殊的“三明治”结构，其单位晶层间可存在不同水分子层数，水分子层数增多可使晶层间距增大，导致蒙脱石分子体积膨胀。

现有技术中，对蒙脱石分析后，针对蒙脱石吸水后会产生排斥能和吸引能，排斥能有：阳离子水合能，晶层表面水合能，Born排斥能；吸引能有：阳离子对两侧表面的吸引能和范德华吸引能。其分别表达为：

(1)阳离子水合能

式中，w为晶层表面电荷密度，v为离子化合价，e

(2)晶层表面水合能

式中，r

(3)Born斥能

Born斥能为防止两个原子的电子云占据同一空间势能，即

式中，L为常数，d

(4)范德华吸引能

式中，H

(5)阳离子对两侧表面的吸引能为

式中，f

则膨胀势能G

G

Laird模型将蒙脱石吸水膨胀以能量形式进行了表达，但实际多从力角度分析膨胀岩膨胀特性。然而，在实际受力情况中，其具体受力状态可能存在差异，因此可能导致确定的膨胀力的精度不高的问题。

有鉴于此，本申请实施例提供了一种高铁微膨胀泥岩地基膨胀力确定方法，通过结合蒙脱石颗粒的微观参数与泥岩的宏观参数的方式，确定出横向膨胀力与竖向膨胀力，使得确定出的膨胀力的精度更高。

需要说明的是，本申请提供的高铁微膨胀泥岩地基膨胀力确定方法可以应用于电子设备中，例如计算机、手机等智能电子设备。可选地，图3示出本申请实施例提供的电子设备100的一种示意性结构框图，电子设备100包括存储器102、处理器101和通信接口103，该存储器102、处理器101和通信接口103相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。

存储器102可用于存储软件程序及模块，如本申请实施例提供的高铁微膨胀泥岩地基膨胀力确定装置200对应的程序指令或模块，处理器101通过执行存储在存储器102内的软件程序及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理，进而执行本申请实施例提供的定位方法的步骤。该通信接口103可用于与其他节点设备进行信令或数据的通信。

其中，存储器102可以是，但不限于，随机存取存储器102(Random Access Memory，RAM)，只读存储器102(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器102(ProgrammableRead-Only Memory，PROM)，可擦除只读存储器102(Erasable Programmable Read-OnlyMemory，EPROM)，电可擦除可编程只读存储器102(Electric Erasable ProgrammableRead-Only Memory，EEPROM)等。

处理器101可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。该处理器101可以是通用处理器101，包括中央处理器101(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器101(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器101(Digital Signal Processing，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

可以理解，图3所示的结构仅为示意，电子设备100还可以包括比图3中所示更多或者更少的组件，或者具有与图3所示不同的配置。图3中所示的各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。

下面对本申请提供的高铁微膨胀泥岩地基膨胀力确定方法进行示例性说明：

作为一种实现方式，请参阅图4，该高铁微膨胀泥岩地基膨胀力确定方法包括：

S102，获取微观参数，其中，微观参数包括蒙脱石颗粒的体相相对电容率、层间相对电容率、晶层表面电荷密度、静电力常量、单位电荷量、晶层厚度、离子半径关联量、晶层间距以及晶层厚度。

S104，依据微观参数确定每个蒙脱石颗粒的晶层膨胀力。

S106,依据每个蒙脱石颗粒的晶层膨胀力确定所有蒙脱石颗粒的横向膨胀力与竖向膨胀力。

S108，依据蒙脱石颗粒的横向膨胀力与竖向膨胀力确定等效蒙脱石颗粒的横向膨胀力与竖向膨胀力。

S110，获取微膨胀泥岩的膨胀性定量值。

S112，依据膨胀性定量值、等效蒙脱石颗粒的横向膨胀力与竖向膨胀力确定微膨胀泥岩的横向膨胀力与竖向膨胀力。

需要说明的是，本申请所述的微观参数，主要为蒙脱石颗粒的参数；而宏观参数为微膨胀泥岩的参数，因此，本申请在确定横向膨胀力与竖向膨胀力时，结合了蒙脱石颗粒的微观参数与泥岩的宏观参数进行确定，更加贴合当前环境的场景，确定出的横向膨胀力与竖向膨胀力的精度更高。

首选，利用蒙脱石颗粒的微观参数确定蒙脱石颗粒的晶层膨胀力，其中，蒙脱石颗粒的晶层膨胀力满足公式：

其中，p

在确定出蒙脱石颗粒的晶层膨胀力后，即可确定出蒙脱石颗粒的横向膨胀力与竖向膨胀力。作为一种实现方式，蒙脱石颗粒的竖向膨胀力满足公式：

蒙脱石颗粒的横向膨胀力满足公式：

其中，P

在确定蒙脱石颗粒的横向膨胀力与竖向膨胀力后，由于泥岩的膨胀力虽然主要受蒙脱石颗粒的膨胀力影响，但泥岩中的伊利石、高岭石实际也会对泥岩的膨胀力产生一定的作用，因此，需要结合伊利石、高岭石以及蒙脱石确定等效蒙脱石含量。

其中，等效蒙脱石颗粒的竖向膨胀力满足公式：

等效蒙脱石颗粒的横向膨胀力满足公式：

其中，P

m

式中，m

然后结合膨胀性定量值确定微膨胀泥岩的横向膨胀力与竖向膨胀力，其中，经过申请人测试，膨胀性定量值与等效蒙脱石含量之间的关系满足公式：

Z＝6.28m

其中，m

则微膨胀泥岩的竖向膨胀力满足公式：

微膨胀泥岩的横向膨胀力满足公式：

其中，P

通过进行现场膨胀土侧向膨胀力原位试验，侧向膨胀力约为竖向膨胀力的25％，确定微膨胀泥岩的竖向膨胀力为微膨胀泥岩的横向膨胀力的1/4，且b＝0.35。在此基础上，

微膨胀泥岩的竖向膨胀力满足公式：

微膨胀泥岩的横向膨胀力满足公式：

其中，ε

可以理解地，上述确定出的微膨胀泥岩的横向膨胀力与竖向膨胀力为基于当前实际应用场景确定出的，因此其能够更加准确的确定蒙脱石引起的膨胀力。

下面对具体的分析过程进行说明：

首先，在对微膨胀泥岩模型进行分析时，假设微膨胀泥岩膨胀完成时土体中水分全部位于蒙脱石颗粒的平行晶层间，则泥岩孔隙比满足公式：

式中，P

蒙脱石颗粒的比表面积满足公式：

式中，S

土颗粒比重为:

式中，

V

将式(1.1)展开并将式(1.2)～(1.3)带入得

由土体含水率定义可知

式中M

将式(1.6)分子和分母同除以V

将式(1.5)代入式(1.7)可得

进一步可得到土体含水率与晶层间距之间表达式

式中：

在确定出模型中蒙脱石颗粒的晶层间距后，则可以对蒙脱石颗粒的膨胀力进行计算。

其中，蒙脱石为“三明治”结构，在泥岩中分散排列，但蒙脱石颗粒取向可以仅用一个变量来描述，设θ为蒙脱石颗粒的晶层表面与竖直方向夹角，其取值范围为

假设蒙脱石颗粒取向分布服从指数函数，其分布概率密度函数为：

f(θ)＝ae

式中a、b为参数，且a、b＞0。

根据概率密度函数的定义可知：

将式(1.10)代入式(1.11)并积分可得

则概率密度函数为

假设蒙脱石颗粒的晶层膨胀力为p

p

式中，p

假设蒙脱石含量为m

式中，m

取向为θ颗粒出现概率为f(θ)Δθ，也可以看做取向为θ的等效蒙脱石分子占蒙脱石总颗粒的百分比，则取向为θ的蒙脱石分子个数为：

n＝Nf(θ)Δθ (1.16)

式中，n为取向为θ的蒙脱石分子个数。

则取向为θ的蒙脱石分子的竖向膨胀力为：

p

假设颗粒取向分布是连续的，则蒙脱石颗粒竖向膨胀力的分力为：

式中，P

对式(1.18)进行积分可得：

同理对于膨胀力横向分力为

式中，P

对式(1.20)积分可得

将式(1.15)代入式(1.19)和式(1.21)，可以确定出蒙脱石含量为m

式(1.22)和式(1.23)是只考虑蒙脱石含量得出的蒙脱石颗粒的竖向膨胀力和横向膨胀力计算公式，由于伊利石和高岭石也会释放一定膨胀力。因此，需综合考虑三者的等效关系，进一步得到了等效蒙脱石颗粒的竖向膨胀力和横向膨胀力计算公式：

其中，m

m

式中，m

然而，对于微膨胀泥岩地基若仅考虑等效蒙脱石含量来评价微膨胀泥岩膨胀性并不全面，因此，本申请将等效蒙脱石含量、自由膨胀率、阳离子交换量和液限作为无砟轨道地基微膨胀泥岩膨胀性判别指标，并得出了微膨胀泥岩膨胀性的综合评价定量值Z。因此，为了将Z引入泥岩膨胀力计算公式中，进一步需得到等效蒙脱石含量m

请参阅图5，通过申请人试验，确定等效蒙脱石含量与Z符合线性关系，拟合度R

Z＝6.28m

其中，m

将式(1.27)代入式(1.24)和(1.25)，即可得到本申请中微膨胀泥岩的竖向膨胀力满足公式：

微膨胀泥岩的横向膨胀力满足公式：

需要说明的是，结合式(1.9)可知，蒙脱石颗粒的晶层间距也可采用宏观的物理量表示，因此，在一种实施例中，在获取宏观参数膨胀性泥岩的膨胀性定量值时，还可同时获取泥岩的含水率、密度、比表面积以及比重等宏观参数，并利用式(1.9)表示蒙脱石颗粒的晶层间距。

基于上述实现方式，请参阅图6，本申请还提供了一种高铁微膨胀泥岩地基膨胀力确定装置200，该装置包括：

数据获取单元210，用于获微观参数，其中，微观参数包括蒙脱石颗粒的体相相对电容率、层间相对电容率、晶层表面电荷密度、静电力常量、单位电荷量、晶层厚度、离子半径关联量、晶层间距以及晶层厚度。

可以理解地，通过数据获取单元210可以执行S102。

数据处理单元220，用于依据微观参数确定每个蒙脱石颗粒的晶层膨胀力。

可以理解地，通过数据处理单元220可以执行S104。

数据处理单元220，还用于依据每个蒙脱石颗粒的晶层膨胀力确定所有蒙脱石颗粒的横向膨胀力与竖向膨胀力。

可以理解地，通过数据处理单元220可以执行S106。

数据处理单元220，还用于依据蒙脱石颗粒的横向膨胀力与竖向膨胀力确定等效蒙脱石颗粒的横向膨胀力与竖向膨胀力。

可以理解地，通过数据处理单元220可以执行S108。

数据获取单元210，用于获取微膨胀泥岩的膨胀性定量值。

可以理解地，通过数据获取单元210可以执行S110。

数据处理单元220，还用于依据膨胀性定量值、等效蒙脱石颗粒的横向膨胀力与竖向膨胀力确定微膨胀泥岩的横向膨胀力与竖向膨胀力。

可以理解地，通过数据处理单元220可以执行S112。

其中，所述等效蒙脱石颗粒的竖向膨胀力满足公式：

所述等效蒙脱石颗粒的横向膨胀力满足公式：

其中，P

在结合微膨胀泥岩的膨胀性定量值后，微膨胀泥岩的竖向膨胀力满足公式：

微膨胀泥岩的横向膨胀力满足公式：

其中，Z表示微膨胀泥岩膨胀性定量值。

可选地，蒙脱石颗粒晶层膨胀力满足公式：

其中，ε

综上所述，本申请提供了一种高铁微膨胀泥岩地基膨胀力确定方法及相关装置，首先获取微观参数，其中，微观参数包括蒙脱石颗粒的体相相对电容率、层间相对电容率、晶层表面电荷密度、静电力常量、单位电荷量、晶层厚度、离子半径关联量、晶层间距以及晶层厚度，再依据微观参数确定每个蒙脱石颗粒的晶层膨胀力，然后依据每个蒙脱石颗粒的晶层膨胀力确定所有蒙脱石颗粒的横向膨胀力与竖向膨胀力，再依据蒙脱石颗粒的横向膨胀力与竖向膨胀力确定等效蒙脱石颗粒的横向膨胀力与竖向膨胀力，再获取微膨胀泥岩的膨胀性定量值，最后依据膨胀性定量值、等效蒙脱石颗粒的横向膨胀力与竖向膨胀力确定微膨胀泥岩的横向膨胀力与竖向膨胀力。由于本申请通过微观参数获取蒙脱石颗粒晶层膨胀力的基础上，还结合泥岩的宏观参数，并最终确定横向膨胀力与竖向膨胀力，因此，获取的横向膨胀力与竖向膨胀力的精度更高。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本申请实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。

也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。

也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本申请实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器、随机存取存储器、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。