CN103955597A - 一种级配碎石抗压强度数值试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种级配碎石抗压强度数值试验方法，通过建立物理模型，进行级配碎石抗压强度试验的模拟，包括基本参数的测试，抗压强度试模、虚拟试件、抗压强度加载板等的模拟生成，赋予物理模型微力学参数，抗压强度试验加载过程的模拟，模拟结果整理得到模拟压板接触力与压缩位移的关系曲线，通过获取该曲线峰值计算得到级配碎石抗压强度。该方法可快速准确地预测级配碎石抗压强度值、再现级配碎石承受压缩荷载时的力学变化规律。

Description

一种级配碎石抗压强度数值试验方法

技术领域

本发明属于交通土建工程领域，涉及一种级配碎石抗压强度数值试验方法。本发明基于PFC^2D软件平台，可便捷地再现级配碎石承受压缩荷载时力学性状变化的全过程，并预测级配碎石抗压强度规律。

背景技术

级配碎石属典型道路基层材料，其内部无粘结料，仅由不同规格集料嵌挤而成，由于抗压强度可直观地反映集料嵌挤程度的优劣，故可用其评价级配碎石嵌挤能力并辅助材料优化设计。级配碎石抗压强度室内试验方法的基本原理及步骤如下：（1）按最大干密度和最佳含水量制备试件；（2）以恒定加载速率对试件进行压缩试验；（3）整理压缩试验结果得到级配碎石抗压强度值。目前，未见有级配碎石抗压强度数值试验方法的报道。

申请人分析上述级配碎石抗压强度室内试验方法，存在如下缺陷：（1）只有通过大量抗压强度室内试验才能深入揭示各规格集料比例与抗压强度之间的关系，并实现级配碎石材料优化设计，致使级配碎石材料设计周期长；（2）难以观测级配碎石在压缩荷载作用下的材料细观物理力学特性。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种级配碎石抗压强度数值试验方法。该方法可快速、准确地预测级配碎石抗压强度规律。

技术方案：为实现上述目的，本发明通过下述技术方案实现：一种级配碎石抗压强度数值试验方法，按照以下步骤进行：

（1）物理模型的构建

①基本参数的测试：

测定集料密度，确定集料级配及级配碎石最大干密度；

②试模的模拟：

利用PFC^2D内置命令“wall”生成两片长度为H的竖直墙体和一片长度为D的水平墙体组成开口向上的半封闭矩形以模拟试模；

③级配碎石的生成：

根据集料密度、压实度、试件尺寸、集料级配和最大干密度计算第i种规格集料的二维映射面积S_i，见式（I），利用PFC^2D内置命令“ball”在模拟试模中生成颗粒，并使之符合第i种规格集料的规格要求，当生成颗粒的总面积达到S_i时，停止颗粒生成；

$S_i=\frac{{\mathrm{dhKP}}_i}{{\mathrm{\ρ}}_i}{\mathrm{\ρ}}_{\max }---\left(I\right)$

式中：ρ_max：最大干密度，g/cm³；

d：试件直径，cm；

h：试件高度，cm；

K：压实度，%；

P_i：第i种规格集料的分计筛余百分率，%，i为大于0的自然数；

ρ_i：第i种规格集料的密度，g/cm³，i为大于0的自然数；

按上述方法依次生成各规格集料颗粒；

④虚拟试件的生成：

利用PFC^2D内置命令“wall”生成长度为D的墙体以模拟压板。模拟压板以速度V竖直向下推动模拟试模内的集料颗粒，直至运算步数达到n为止，利用PFC^2D内置命令“delete”删除两片长度为H的竖直墙体，n按式（II）计算；

$n=\frac{L}{{\mathrm{Vd}}_t}=\frac{H-h}{{\mathrm{Vd}}_t}---\left(\mathrm{II}\right)$

式中：n：运算步数，step；

L：模拟压板移动距离，cm；

V：模拟压板移动速度，cm/s；

d_t：时间步长，s/step；

H：试模高度，cm；

h：试件高度，cm

（2）微力学参数的输入

利用PFC^2D内置命令“prop”赋予级配碎石物理模型以微力学参数，包括泊松比ν、剪切模量G和摩擦系数μ，微力学参数可通过级配碎石抗压强度室内试验结果反算获取；

（3）抗压强度试验加载过程的模拟与结果整理

①抗压强度试验加载过程的模拟：

以恒定速度竖直向下推动模拟压板，并记录每个计算时步内模拟压板的压缩位移和接触力，整理得到接触力～压缩位移的关系曲线，并从该曲线中读取接触力峰值，按式（III）计算级配碎石的抗压强度值；计算模拟试件所受到的压缩应力，并整理得到接触力～压缩位移的关系曲线；

$\mathrm{\σ}=\frac{f}{D}\×{10}^{-3}---\left(\mathrm{III}\right)$

式中：σ：虚拟试件的抗压强度，MPa；

f：模拟压板的接触力峰值，KN；

D：模拟压板的长度，m；

②结果整理：

从接触力～压缩位移曲线中读取接触力峰值，其即为级配碎石抗压强度值。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点如下：

（1）可便捷地预测级配碎石抗压强度值，并优化级配碎石组成；

（2）可全程描述级配碎石承受压缩荷载时的应力应变特征，深入揭示级配碎石力学性状和破坏机理；

（3）可实现一些由于经费、时间等因素制约而难以开展的研究。

附图说明

图1是级配碎石抗压强度数值试验模拟试模的示意图；

图2是级配碎石抗压强度数值试验集料生成的示意图；

图3是级配碎石抗压强度数值试验模拟压实过程的示意图；从左至右依次是0step、10000step、20000step、30000steps时所对应的虚拟试件。

图4是级配碎石抗压强度数值试验的接触力～压缩位移曲线（A级配）；

图5是级配碎石抗压强度数值试验的接触力～压缩位移曲线（B级配）；

图6是级配碎石抗压强度数值试验的接触力～压缩位移曲线（C级配）；

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

实施例1

按照本发明的技术方案，本实施例给出一种级配碎石抗压强度数值试验方法，以安康瀛湖石灰岩碎石为例，集料密度测试结果见表1，微力学参数见表2。

表1集料密度

集料规格（mm）	19～31.5	9.5～19	4.75～9.5	≤4.75
					表观密度（g/cm3）	2.712	2.709	2.692	2.681

表2微力学参数

泊松比	剪切模量（GPa）	摩擦系数
			0.25	8.0	0.35

表3集料级配

下以表3中级配A为例说明级配碎石抗压强度数值试验方法的实施步骤是：

（1）物理模型的构建

①试模的模拟：

利用PFC^2D内置命令“wall”生成两片长度为18cm的竖直墙体和一片长度为15cm的水平墙体组成开口向上的半封闭矩形以模拟试模，见图1；

②级配碎石的生成：

按98%压实度制备D15cm×h15cm试件，则级配碎石集料生成过程如下：

计算19～31.5mm集料的二维映射面积：

$S_1=\frac{{\mathrm{dhKP}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_1}{\mathrm{\ρ}}_{\max }=\frac{15\×15\×0.98\×0.51}{2.712}\×2.412=100.0\left({\mathrm{cm}}^2\right),$

利用PFC^2D内置命令“ball”持续地生成直径介于19～31.5mm之间的颗粒，当其总面积达到100.0cm²时，停止颗粒生成；计算9.5～19mm集料的二维映射面积：

$S_2=\frac{{\mathrm{dhKP}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_2}{\mathrm{\ρ}}_{\max }=\frac{15\×15\×0.98\×0.17}{2.709}\×2.412=33.4\left({\mathrm{cm}}^2\right),$

利用PFC^2D内置命令“ball”持续地生成直径介于9.5～19mm之间的颗粒，当其总面积达到33.4m²时，停止颗粒生成；计算4.75～9.5mm集料的二维映射面积：

$S_3=\frac{{\mathrm{dhKP}}_3}{{\mathrm{\ρ}}_3}{\mathrm{\ρ}}_{\max }=\frac{15\×15\×0.98\×0.17}{2.692}\×2.412=33.6\left({\mathrm{cm}}^2\right),$

利用PFC^2D内置命令“ball”持续地生成直径介于4.75～9.5mm之间的颗粒，当其总面积达到33.6cm²时，停止颗粒生成；计算2.36～4.75mm集料的二维映射面积：

$S_4=\frac{{\mathrm{dhKP}}_4}{{\mathrm{\ρ}}_4}{\mathrm{\ρ}}_{\max }=\frac{15\×15\×0.98\×0.06}{2.681}\×2.412=11.9\left({\mathrm{cm}}^2\right),$

利用PFC^2D内置命令“ball”持续地生成直径介于2.36～4.75mm之间的颗粒，当其总面积达到11.9cm²时，停止颗粒生成；计算0.6～2.36mm集料的二维映射面积：

$S_5=\frac{{\mathrm{dhKP}}_5}{{\mathrm{\ρ}}_5}{\mathrm{\ρ}}_{\max }=\frac{15\×15\×0.98\×0.09}{2.681}\×2.412=17.9\left({\mathrm{cm}}^2\right),$

利用PFC^2D内置命令“ball”持续地生成直径介于0.6～2.36mm之间的颗粒，当其总面积达到17.9cm²时，停止颗粒生成，从而完成级配碎石的生成，见图2。

③虚拟试件的生成：

确定墙体速度为0.1cm/s，计算时步为0.001，则运算步数为：故利用PFC^2D内置命令“wall”生成一片长度为15cm的水平墙体以模拟压板，并令其以0.1cm/s的速度竖直向下推动模拟试模内的集料颗粒，直至运算步数达到30000为止，并利用PFC^2D内置命令“delete”删除两片竖直墙体，见图3。

（2）微力学参数的输入

利用PFC^2D内置命令“prop”赋予级配碎石物理模型以微力学参数，包括泊松比ν、剪切模量G和摩擦系数μ，微力学参数可通过级配碎石抗压强度室内试验结果反算获取；

（3）抗压强度试验加载过程的模拟与结果整理

下以级配A为例，说明抗压强度试验加载过程的模拟与结果整理的步骤为：以1mm/min的速度竖直向下推动模拟压板，并记录每个计算时步内模拟压板的压缩位移和接触力，整理得到接触力～压缩位移的关系曲线（见图4），并从该曲线中读取接触力峰值为231KN，则级配A的级配碎石抗压强度为：

$\mathrm{\σ}=\frac{f}{D}\×{10}^{-3}=\frac{231}{0.15}\×{10}^{-3}=1.54\left(\mathrm{MPa}\right).$

按照上述步骤，可依次获取表3中级配B和级配C的级配碎石接触力～压缩位移的关系曲线（见图4～图6）和抗压强度模拟结果（见表4）

表4数值模拟结果与实测结果对比

由表4可看出，不同级配的级配碎石抗压强度实测结果与模拟结果的相对误差均低于7%，平均相对误差仅为4.42%；此外，一组级配的数值模拟过程用时低于4分钟。证明本发明可快速、准确地预测级配碎石抗压强度规律。

Claims (1)

1.一种级配碎石抗压强度数值试验方法，其特征在于，按照以下步骤进行：

（1）物理模型的构建

①基本参数的测试：

测定集料密度，确定集料级配及级配碎石最大干密度；

②试模的模拟：

利用PFC^2D内置命令“wall”生成两片长度为H的竖直墙体和一片长度为D的水平墙体组成开口向上的半封闭矩形以模拟试模；

③级配碎石的生成：

根据集料密度、压实度、试件尺寸、集料级配和最大干密度计算第i种规格集料的二维映射面积S_i，见式（I），利用PFC^2D内置命令“ball”在模拟试模中生成颗粒，并使之符合第i种规格集料的规格要求，当生成颗粒的总面积达到S_i时，停止颗粒生成；

$S_i=\frac{{\mathrm{dhKP}}_i}{{\mathrm{\ρ}}_i}{\mathrm{\ρ}}_{\max }---\left(I\right)$ 式中：ρ_max：最大干密度，g/cm³；

d：试件直径，cm；

h：试件高度，cm；

K：压实度，%；

P_i：第i种规格集料的分计筛余百分率，%，i为大于0的自然数；

ρ_i：第i种规格集料的密度，g/cm³，i为大于0的自然数；

按上述方法依次生成各规格集料颗粒；

④虚拟试件的生成：

利用PFC^2D内置命令“wall”生成长度为D的墙体以模拟压板。模拟压板以速度V竖直向下推动模拟试模内的集料颗粒，直至运算步数达到n为止，利用PFC^2D内置命令“delete”删除两片长度为H的竖直墙体，n按式（II）计算；

$n=\frac{L}{{\mathrm{Vd}}_t}=\frac{H-h}{{\mathrm{Vd}}_t}---\left(\mathrm{II}\right)$ 式中：n：运算步数，step；

L：模拟压板移动距离，cm；

V：模拟压板移动速度，cm/s；

d_t：时间步长，s/step；

H：试模高度，cm；

h：试件高度，cm

（2）微力学参数的输入

利用PFC^2D内置命令“prop”赋予级配碎石物理模型以微力学参数，包括泊松比ν、剪切模量G和摩擦系数μ，微力学参数可通过级配碎石抗压强度室内试验结果反算获取；

（3）抗压强度试验加载过程的模拟与结果整理

①抗压强度试验加载过程的模拟：

以恒定速度竖直向下推动模拟压板，并记录每个计算时步内模拟压板的压缩位移和接触力，整理得到接触力～压缩位移的关系曲线，并从该曲线中读取接触力峰值，按式（III）计算级配碎石的抗压强度值；计算模拟试件所受到的压缩应力，并整理得到接触力～压缩位移的关系曲线；

$\mathrm{\σ}=\frac{f}{D}\×{10}^{-3}---\left(\mathrm{III}\right)$ 式中：σ：虚拟试件的抗压强度，MPa；

f：模拟压板的接触力峰值，KN；

D：模拟压板的长度，m；

②结果整理：

从接触力～压缩位移曲线中读取接触力峰值，其即为级配碎石抗压强度值。