≥≥ ≥ ≥≥软件X 17（2022）100990原始软件出版物增量加载固结仪试验中确定土体前期固结压力的开源应用软件：pySigmaP埃克尼德河Montoya-Araquea，A.J.Aparicio-Ortubea， 2014，David G. 作者：Luis G.阿沃莱达-蒙萨尔韦baUniversidad Nacional de Colombia，Sede Medellín，Departamento de Ingeniería Civil，Medellín，ANT 050034，Colombiab美国佛罗里达州奥兰多市中佛罗里达大学土木、环境和建筑工程系，邮编：32816ar t i cl e i nf o文章历史记录：收到2021年2021年12月8日收到修订版，2022年保留字：开源应用软件Python 3前期固结压力压密试验a b st ra ct本文介绍了一个开源的应用软件pySigmaP，在面向对象的范式下，在Python 3开发的增量加载固结仪测试中确 定 的土壤的前 期 固 结 压 力 ， σp′ 。 pySigmaP 用 九 种 方 法 实 现 ： Casagrande ， Pacheco Silva ，Butterfield，Oikawa，Becker等人，Morin，Onitsuka等人，王，弗罗斯特，布恩.分析采用数值方法，在确定σ p ′时，尽量减少数值偏差和尺度依赖性。给出了每种方法的步骤和数值应用。pySigmaP提供了一个更客观和直接的分析，估计土壤沉积物的σ p ′使用这九个广泛接受的方法。版权所有©2022作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本0.1.8此代码版本使用的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-21-00138Code Ocean computecapsulehttps://codeocean.com/capsule/5518935/treeLegal Code License2-Clause BSD使用Git的代码版本控制系统软件代码语言、工具和服务使用Python 3。编译要求、操作环境依赖性如果可用，链接到开发人员文档/手册LaTeXPython 3.6+Python软件包：NumPy 1.19.1、SciPy 1.5.0、Matplotlib 3.2.2、Pandas1.1.1和mstools 0.1.0pysigmap.readthedocs.io问题支持电子邮件eamontoyaa@unal.edu.co，aaparicioo@unal.edu.co1. 动机和意义天然土壤沉积物在其地质历史中经历了原地应力的变化机械和化学过程引起土壤骨架和结构的变化。这些变化嵌入在土壤结构中，是土壤应力历史的一部分。土壤结构的主要变化发生在*通讯作者。电子邮件地址：eamontoyaa@unal.edu.co（Exneyder A.Montoya-Araque），aaparicioo@unal.edu.co（A.J. Aparicio-Ortube），dgzapata@unal.edu.co（大卫·G.Zapata-Medina），luis. ucf.edu（Luis G.Arboleda-Monsalve）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2022.100990沉积土被加载到一个应力状态，土壤所经历过的最大变化。沉积土中的先期固结压力σp′决定了这种转变，并可在压缩性曲线中观察到。相对僵硬的反应在低于σp′的应力水平（即，在再压缩范围内），高于σ p ′的较软响应（即， 在压缩范围内）从压缩性测试中检索。σp′的测定岩土工程实践不仅对预测地面沉降至关重要也可以分析压缩性土的响应。在处理沉积土的岩土工程应用中，需要适当地确定σp′，但即使在前期固结压力相当大的残积土2352-7110/©2022作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx埃克尼德河蒙托亚-阿拉克，A. J.作者声明：David G.Zapata-Medina等人软件X 17（2022）1009902≈′≈与土体的屈服状态相关，充分确定屈服点是理解压缩性土壤响应的关键。前期固结压力通常由增量加载（IL）固结仪试验的结果获得[1]。一些研究人员提出了不同的方法来估计这个力学参数：Casagrande [2] ， Pacheco Silva [3] ， Butterfield [4] ， Oikawa[5]，Becker等人[6]，Morin[7]，Onitsuka[10][11][12][13][14][15][16][17][18][19][1这些方法大多基于图形构造，其过程通常涉及再压缩和压缩区的视觉解释，这通过以下方式引入了确认偏差：分析员确定σp′值时。[11]示范再压缩和压缩的视觉近似呈线性行为的区域主要受绝对溶质尺度的影响或有利图的大小）和横坐标和纵坐标轴上的相关比例尺，指出通过比例尺的改变，可以使一条明显因此，建议使用相关系数R来评估尽管该标准减少了与通过目视检查拟合直线相关的主观性，但计算R的点的选择仍然是主观的。[12]也进行了类似的观察，证明绘图比例对压缩性曲线的曲率有视觉影响。作者讨论了Casagrande方法中的最大曲率点是尺度依赖性，需要大量的解释，并倾向于产生较小的σp′-值作为孔隙比轴尺度增加。 另外，作者提出了Pacheco Silva方法，因为它不依赖于尺度。[13]表明，压片范围（也称为正常固结（NC）范围）的线性拟合由于分析员引入的偏倚而影响σ p ′的测定。在他们的研究中，三位作者独立地使用PachecoSilva方法来确定三个严重过度的σp′，固结粘土具有更圆的压缩性响应，05-06 - 05 - 0550%）。这也被[10]评价，表明，在由[ 13 ]给出的一个示例中，σ p值之间的范围甚至可以更大。作者 对 σ p ′ 作 了 新 的 解 释 ， 得 出 σ p ′ 的 范 围 为 390 ~ 640 kPa（65%）。尽管自1936年Casagrande在固结仪试验中引入了土的σp′的计算方法以来，已经提出了几种方法，但用于量化σ p ′的软件和计算工具却很少。目前，据作者所知，由[ 14 ]在R中开发的土壤物理学是唯一可用于计算σp′的开源应用软件，并且它通过四种方法实现：Casagrande [2]，PachecoSilva [3]，Dias Junior和Pierce [15]以及Arvidsson和Keller [16]。另一方面，大多数方法的图形性质降低了准确性Fig. 1. pySigmaP包结构。2. 软件描述pySigmaP是一个基于面向对象的Python 3语言开发的应用软件，它在2-Clause BSD许可证下作为免费和开源代码发布，并存储在GitHub上。要运行的pySigmaP的要求和依赖项在代码元数据部分中列出2.1. 软件构架图1说明了每个模块的模块结构和类。软件/Python包分为六个模 块 ： data.py 、 casagrande.py 、 energy.pybilog.py 、pachecosilva.py和boone.py。 data.py模块包含加载和管理压缩性土壤响应数据的类。其余模块包含类和方法以确定σp′。关于每个模块的更多信息，基本的例子可以在软件文档中找到。3. 软件功能和说明性示例为了说明计算σp′的方法，使用了[18]对过固结（OC）BootleggerCove粘土进行的实验程序中的IL试验。表1总结了样本IL-1的测试结果在表1中，Cc和Cr值分别从压缩范围的最陡部分和卸载-重新加载部分重新计算请注意，测试开始时的e值(i.e.、σv′=0且εa=0）为台面上空隙比e0。3.1. 从IL oedometer测试中读取和可视化数据从IL测试中获得的数据必须正确结构化计算σp′。数据的基本结构是Pandas由于解释是有偏差的，所以确定σp′是客观的由分析师的视觉技能、工程判断和经验决定。目的是为岩土工程分析人员提供一种计算σp′的工具，提高方法的客观性和结果的可重复性。本文和建议的工具不是为了取代，而是为了帮助建筑工程判断在确定土的先期固结或屈服压力时，e-log（σv′）空间中的最大曲率点、切线、载荷增量之间的点、拟合线的交点和线拟合通过完善的分析方法进行编码。和数值方法。计算σ p ′时也考虑了[6，9，17]和[10]中提出的实用建议。本文介绍了pySigmaP根据IL里程计测试确定土壤的σp′九个已发表的著名的岩土工程方法：卡萨格兰德，Pacheco Silva ， Butterfield ， Oikawa ， Becker et al. Morin ，Onitsuka et al.王，弗罗斯特，布恩.DataFrame可以直接使用Python解释器创建，也可以从外部文件加载（即，.csv或.xls/.xlsx文件）。表2显示了数据的结构有效垂直应力的单位限于千帕[kPa]，第一行必须包含列标题或标签（对命名没有要求），第二行e0。一个块结构的脚本可以在线使用表1中的数据显示pySigmaP的能力。块1显示了如何使用来自data.py模块的Data类加载示例数据。作为Data类的第二个强制输入，需要σv′0值（sigmaV属性）。可选输入包括在包文档中描述数据的属性对象可以通过运行代码行数据来探索。 法令。加载数据后，可使用plot（）方法实现压缩性曲线和σv′0、Cc和Cr值的可视化，数据类。 图 2 a显示了给定默认输入参数时加载的示例数据的 结果 。埃克尼德河蒙托亚-阿拉克，A. J.作者声明：David G.Zapata-Medina等人软件X 17（2022）1009903表1OC Bootlegger Cove粘土的IL固结仪试验：样本IL-1 [18]。加载注：σv′0：原位有效竖向应力;Cc：压缩指数;Cr：再压缩指数;σv′：有效竖向应力;εa：轴向应变;e：孔隙比。表2要输入到Data类的数据的结构........3.2. 压缩和再压缩指数为了充分计算Cc，IL试验必须至少有三个载荷增量，当在对数空间中绘制时，这些载荷增量在压缩范围内定义一条直线，或者最大载荷增量必须是估计值[1]中所推荐的σ p ′。中提供了不同的标准Data类计算Cc和Cr。默认情况下，获得Cc通过三次样条函数计算压缩性曲线的最陡斜率。该函数使用分段三次多项式对曲线的点进行插值，从而提供连续曲线。因此，通过微分获得最陡斜率。 作为替代方案，Cc可以通过线性回归计算。压缩范围或其一部分必须在compressionIdx（）方法的range2fitCc参数中指定。该选项允许控制Cc的确定，并可用于压缩范围随应力水平变化的压缩性响应（例如，S形压缩性响应）。CR仅通过考虑三个不同标准的线性回归计算。必须指定recompressionIdx（）方法的opt参数来定义条件。CR可以用第一卸载阶段的第一点和最后一图二. （ a）给定默认输入参数绘制的压缩性曲线;（b）给定最后两个点计算的C c和给定第一卸载阶段的所有点计算的Cr;以及（c）给定最后四个点计算的C c和给定卸载-再加载部分的所有点计 算 的 Cr 。-第一卸载阶段的所有点（opt=2），或者卸载-重新加载部分的所有点默认选项是第一个标准。块2示出了如何通过不同标准计算Cc和Cr，以及图图2b和2c显示了结果。请注意，当进行线性回归时，报告决定系数R2标本ID σ′v0[kPa] CcCr压缩性响应σ′v[kPa]εa[%]e阶段IL-1750.219 0.0540.000.000.7756.180.870.76012.361.600.74724.812.520.73049.523.720.70999.055.100.685198.196.690.656396.388.920.617792.7711.340.5741585.4314.780.513792.7714.380.520396.3813.690.532198.1912.780.548卸载99.0511.780.56649.5210.650.58699.0511.010.580198.1911.730.567396.3812.760.549792.7713.890.529加载1585.4315.510.5003170.8718.780.4426341.8322.500.3763170.8722.330.3791585.4321.620.391792.7720.730.407卸载396.3819.670.426198.1918.500.447一BC1有效垂直应力轴向应变孔隙比20.000.000.77536.180.870.760412.361.600.747524.812.520.730....埃克尼德河蒙托亚-阿拉克，A. J.作者声明：David G.Zapata-Medina等人软件X 17（2022）1009904）=图3.第三章。 计算σ ′p：（a）Casagrande方法（三次样条函数）;（b）Casagrande方法（FOP）;（c）Pacheco Silva方法;（d）Boone方法。3.3. 先期固结压力一旦数据已经被加载，索引Cc和Cr已经基于所选择的方法被计算，并且一旦压缩-用图解法对σ p曲线进行了检验，从而确定了σp′。获取MCP，并可通过将getSigmaP（）方法的loglog参数设置为True应用于Casagrande方法。作为替代解决方案，可以通过设置getSigmaP（）的参数mcp方法，具有特定的值。方框3显示了如何计算σp′每个计算σp′的方法都与一个类相关联，通过Casagrande方法，和图。 3 a和b显示结果。查询从Data类实例化的对象中构造的可压缩性曲线的信息。当这个对象被实例化时，通过getSigmaP（）方法计算并以图形方式表示σp′的 Casagrande 方法 （卡萨格兰德类从 的casagrande.py模块）需要定位最大curva-请注意，[16]提出的方法需要一个范围来拟合FOP。Pacheco Silva方法（来自pachecosilva.py模块的Pacheco Silva类）仅需要Cc来计算σp′，而Boone方法（来自boone.py模块的Boone类）需要σv′0，Cc和Cr。由于这些值是预先确定的，真实点（MCP）。为了避免操作员视觉解释和尺度依赖性偏差来定位MCP，实施了[16，19]提出的两种[19]建议通过曲率的数学定义获得MCP，称为：f′′（x）在数据加载期间和之后，直接获得σp′。 方框4显示了 如何通 过Pacheco Silva 和Boone 方法计算σ p ′，图4显示了如何通过PachecoSilva和Boone方法计算σ p ′。图3 c和d显示了结果。Butterfield、Oikawa和Onitsuka等人的方法（Bilog模块中的类）需要用直线近似重新压缩和压缩范围，bilog.pyK-S=（31+ [f′（x）]22（一）双对数空间来计算σp′。再压缩范围为通过线性回归近似，遵循两个标准：点低于σv′0（范围2fitRR =无）;并选择点，其中其中κ是压缩性土壤响应作为应力水平（x）的函数logσv′）。因此，MCP是通过使用三次样条函数的微分来确定的。第[16]建议将四阶多项式（FOP）拟合到压缩性曲线的点，并获得拟合多项式的三阶导数等于零的MCP。尽管通过拟合方法构建连续曲线具有数学优势，但当压缩性曲线具有圆形形状时，可能会在不需要的或不合逻辑的应力值下获得MCP[16]。建议x轴采用双对数刻度，range必须在range2fitRR参数中引入西姆-压缩范围通常通过两个标准来近似：使用三次样条函数来计算最陡的斜率（range 2fitCR =None）;以及通过线性回归来选择点。range2fitCR参数中也需要该范围。默认情况下，第一个标准是用直线近似表示再压缩和压缩范围通过设置opt参数来执行Bilog-arithmic方法。在getSigmaP（）方法中，对于Butterfield方法，opt=1，对于Oikawa方法，opt=2，对于Onitsuka等人的方法，opt=3。块埃克尼德河蒙托亚-阿拉克，A. J.作者声明：David G.Zapata-Medina等人软件X 17（2022）1009905见图4。通过双对数方法计算σ′p：（a）Butterfield方法;（b）Oikawa方法;和（c）Onitsuka等人。法图5示出了如何通过双对数方法计算σ p ′，图5示出了如何通过双对数方法计算σ p ′。 4a、b和c显示结果。Becker等人和Morin方法（来自energy.py模块的BeckerEtlAl类）也需要用直线近似表示压缩和压缩范围，但在此方法中，在算术空间中计算σp′。的同样准则的在双对数的方法是用来近似的重新-压缩和压缩范围。因此，范围2fitRR和使用getSigmaP（）方法的range2fitCR参数来选择一个标准。[6]建议使用低于σv′0的点来近似超固结中的再压缩范围。土壤（范围2fitRR =无），以及[17]使用最大斜率而不是平均斜率来近似压缩范围（范围2fitCR =无）。由于Becker等人的方法和Morin方法仅在每个载荷增量的单位体积功的数学公 式 方 面 有 所 不 同 ， 因 此 通 过 将 getSigmaP （ ） 方 法 的morinFormulation参数设置为True来应用Morin方法。最后，Wang和Frost方法（来自www.example.com模块的WangAndFrost类energy.py）仅需要用直线近似压缩范围来计算σp′ 。 与 前 面 的 方 法 类 似 ， 使 用 getSigmaP （ ） 方 法 的range2fitCR参数。”[9]《明史》：用最后三个点执行线性回归以近似压缩范围。 方框6显示了如何通过应变能方法计算σ p ′，图6显示了如何通过应变能方法计算σ p ′。图5a、b和c显示了结果。请注意，图中包含插图。图5a和图5b示出了用于放大再压缩和压缩范围的交叉点的放大图。其宽度设置为1.25乘以σp′，但缩放值可以通过修改getSigmaP（）方法的zoom4. 影响pySigmaP中编码的特性和方法提供了多种工具，不仅可用于岩土工程，实践，也是为了研究。确定σp′的方法允许进行比较研究，评估其准确性，并进行研究，如[20 由于计算Cc和Cr的标准不同，可以分析细粒饱和土的主固结沉降或细砂的瞬时弹性沉降在pySigmaP上运行的一个小的python脚本是需要自动化结算计算。σ p ′的计算机辅助计算为岩土分析人员提供了一种工具，可以在很短的时间内检查大量的IL固结计记录。压缩性参数Cc、Cr和σp′通常用于标定简单的本构土模型。在基于有限元法（FEM）的软件中因此，pySigmaP可以作为一种工具来定义地质结构数值建模的输入pySigmaP并不打算在计算土壤的预固结或屈服压力时取代工程判断，但它旨在为分析人员提供一种工具，以评估问题中涉及的变量，并在分析沉积或残留土壤时解释结果。需要强调的是，无论任何应用软件的质量分析人员必须考虑取样、不适当的运输和储存、搬运和试验程序引起的样品干扰，这些干扰会改变土壤结构，从而掩盖压缩性响应中的通过以下方式评估样本质量在确定土壤的预固结或屈服压力之前，建议采用[28，29]提出的标准，以获得现场条件的代表性值。尽管pySigmaP具有诸多优势，但它也有一些局限性。单位仅限于国际单位制（SI），即，在计算值和图形输出期间不执行单位转换。pySigmaP被设计为使用IL oedometer测试的结果进行操作。使用re-从其他测试方法获得的结果[例如，恒定应变速率（CRS）、受控梯度（CG）、连续加载（CL），埃克尼德河蒙托亚-阿拉克，A. J.作者声明：David G.Zapata-Medina等人软件X 17（2022）1009906图五. 通过应变能方法计算σ′p：（a）Becker等人的方法;（b）Morin方法;（c）Wang和Frost方法。和三轴单元中的K0-再固结（拟K0-TX）]。由于缺乏图形界面或更直观的环境，与软件的交互通过脚本和/或使用Python解释器来pySigmaP中实现的分析和数值方法提高了计算σ p ′时所评估方法的客观性。然而，有些方面仍然存在，主观性并影响σp′的确定，因为选择载荷增量以近似直线形式的再压缩和压缩范围，这可能受图纸比例的影响。因此，当确定σ p ′时，存在固有的可变性。 这可以用pySigmaP作为压缩性曲线形状、超固结度等的函数来探索。当线性回归符合以下条件时，图形输出中报告的R2可以作为一个与尺度无关的参数来评价5. 总结和结论本文介绍了一个开源应用软件的特点和实现方法，该软件用于增量加载试验中用岩土工程实践中常用的9种方法 pySigmaP提供了一个更客观，简单的分析来估计土壤沉积物的σp′，因为其计算采用解析法和数值法通过尺度依赖性和分析师视觉技能、工程判断和经验来最小化偏差由于 不同的研 究者采用不 同的方法、 标准 和建议， 因此pySigmaP适合进行比较研究，评价了各种σp′计算方法的准确性，分析了σ p ′的计算方法，计算Cc和Cr的方法对估计的影响测量地面沉降，并在很短的时间内检查大量的IL固结计记录。pySigmaP不是用来取代，而是用来帮助建立工程判断，为岩土分析师提供一种工具来评估和解释压缩性土壤响应。该应用软件以免费和开源代码的形式发布，可在GitHub上在线找到。竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作致谢哥伦比亚政府科学、技术和创新部（COL-CIENCIAS）提供了财政支持，奖学金计划编号为757-2016。非常感谢供资机构的支持。引用[1]ASTM D2435。用增量加载法测定土壤一维固结特性的标准试验方法。ASTM2011。[2]卡萨格兰德河前期固结荷载的确定及其实际意义。第一届土力学与基础工程国际会议（1936年）3、第60比4[3]帕切科·席尔瓦确定土样前期固结应力的一种新图解法。见：第四届巴西土壤力学和基础工程会议论文集; 1970年，第2卷，p. 225比32[4]巴特菲尔德河土的自然压缩定律（e-log p的进展’）。Géotechnique1979;29（4）：469-80.http://dx.doi.org/10.1680/geot.1979的网站。294469[5]大 川 湾 软 土 压 缩 曲 线 。 土 壤 发 现 1987;27 （ 3 ） ： 99-104.http://dx.doi.org/10.3208/sandf1972.27.3_99网站。[6]Becker DE，Crooks JHA，Been K，Jefferies MG. 工作作为标准用于确定粘土 中 的 原 位 应 力 和 屈 服 应 力 。 Can Geotech J 1987;24 （ 4 ） ： 549-64.http://dx.doi.org/10.1139/t87-070网站。[7]Morin P.作为确定粘土中原位应力和屈服应力的标准：讨论。Can Geotech J1988;25（4）：845-7. http://dx.doi.org/10的网站。1139/t88-096。埃克尼德河蒙托亚-阿拉克，A. 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