CN104142279A - 一种路基土动态回弹模量预估系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种路基土动态回弹模量预估系统及方法。该系统包括土壤采样器、电子秤、烘箱、容重试验仪、液塑限联合测定仪、三轴实验仪及计算机；所述液塑限联合测定仪包括支架、电磁铁、带标尺的圆锥仪、试样杯、控制开关、升降座；所述电磁铁安装在支架的上部框架内；所述带标尺的圆锥仪吸附于电磁铁下方；所述升降座安装在支架的下部框架内；所述试样杯位于升降座上；所述控制开关位于支架的下部框架侧面。与现有技术相比，本发明所述的路基土动态回弹模量预估系统及方法基于径向基函数神经网络，选取输入指标具有明确意义，预估模型自动化程度高，具有计算快、精度高的特点，适合工程实现。

Description

一种路基土动态回弹模量预估系统及方法

技术领域

本发明属于道路工程技术领域，具体来说，涉及到一种路基土动态回弹模量预估系统及方法。

背景技术

路基土回弹模量是表征路基强度的最重要的力学参数，是路面结构设计的主要参数之一，在路面设计中路基土回弹模量的取值对基层和面层厚度的设计厚度有直接关系。土基的受力特性是由土本身的物理性质决定的，土是一种由固体颗粒、水和气体组成的三相体系。土作为一种工程材料，由于其内部结构上的这种特殊性，使得它在工程力学性质上与其他工程材料有较大差别，其中最突出的是土在受力时的非线性变形特性。回弹模量能较好的反映土基所具有的部分弹性特性，所以，在以弹性半空间体地基模型表征土基的受力特性时，可以用回弹模量表示土基在瞬时荷载作用下的可恢复变形性质。

我国现行《公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D40-2011)》和《公路沥青路面设计规范(JTG D50-2006)》设计方法都以回弹模量作为土基的强度指标，规范中推荐的路基回弹模量参考值是全国历次详细调查试验的成果，主要代表的是我国20世纪60年代前后二级以下公路的路基状况，而且是静态回弹模量，如中国专利(CN201320306631.7)所公开的一种改进的土基回弹模量快速测量装置，其不能准确反映高等级公路路基在动态重复荷载作用下的力学响应。目前，美国力学经验法等国外路面设计方法均采用动态回弹模量作为路基土的强度指标。我国正在修订中的沥青路面设计规范已经采用路基土动态回弹模量参数作为新的路基土强度的指标，但是相应的预估系统及方法却少之又少。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种计算快、精度高的路基土动态回弹模量预估系统及方法。

本发明所述的一种路基土动态回弹模量预估系统，所述系统包括土壤采样器、电子秤、烘箱、容重试验仪、液塑限联合测定仪、三轴实验仪及计算机；所述液塑限联合测定仪包括支架21、电磁铁22、带标尺的圆锥仪23、试样杯24、控制开关25、升降座26；所述电磁铁22安装在支架21的上部框架内；所述带标尺的圆锥仪23吸附于电磁铁22下方；所述升降座26安装在支架21的下部框架内；所述试样杯24位于升降座26上，且位于带标尺的圆锥仪23正下方；所述控制开关25位于支架21的下部框架侧面。

本发明所述的一种路基土动态回弹模量预估方法，所述方法的具体步骤为：

1)土样物理指标测试：用土壤采样器采集土样，用烘箱、环刀法容重试验仪、液塑限联合测定仪分别测定土样物理指标，测定或计算出含水率、土粒比重、最大干密度、液限、塑限、塑性指数、粒径分布、最佳含水量和压实度后，进行动态回弹模量试验；

2)动态回弹模量试验：在含水率水平分别为最佳含水量-3％、最佳含水量、最佳含水量+3％和压实度水平分别为91％压实度、96％压实度、100％压实度的条件下制作9个尺寸为8cm×3.91cm的试样，根据美国路基土与未处治粒料回弹模量试验规程(T307-99)制定的三轴重复加载测试方法对制备的试样进行重复三轴试验，取每次加载序列试验后5个周期的回弹模量值的平均值为最终动态回弹模量值，同时记录施加的相应围压应力和偏应力；

3)动态回弹模量预估模型的建立：计算机收集数据后，输入对应的含水率、压实度、围压应力、偏应力和动态模量，构建出五者之间的函数关系，即径向基函数神经网络；

4)动态回弹模量的预估：取待测土样测其物理指标，确定其物理指标与建立函数时土样的物理指标相符后，将含水率、压实度及欲施加的围压应力和偏应力输入步骤3)建立的动态回弹模量预估模型，得到预估动态模量。

所述径向基函数神经网络结构依次为输入层、隐藏层、输出层。

所述径向基函数神经网络的隐藏层的激活函数采用径向基函数：

$R(x_p-c_i)=\exp (-\frac{1}{2{\mathrm{\σ}}^2}{\left|\right|x_p-c_i\left|\right|}^2)$

式中，||x_p-c_i||是欧式范数，x_p是第p个输入样本，p＝1,2,…,P，P表示样本总数；c为径向基函数的中心，c_i是网络隐藏层结点的中心；i是隐藏层的节点数；σ为高斯函数的方差。

所述径向基函数神经网络的输出层中第j个输出节点的输出为：

$y_j=\underset{i=1}{\overset{h}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}\exp (-\frac{1}{2{\mathrm{\σ}}^2}{\left|\right|x_p-c_i\left|\right|}^2)$

式中，是第p个输入样本；p＝1,2,…,P，P表示样本总数；c_i是网络隐藏层结点的中心；ω_ij是隐藏层到输出层的权值；i＝1,2,…,h是隐藏层的节点数；y_j是与输入样本对应的径向基函数神经网络的第j个输出结点的实际输出；σ为高斯函数的方差。

与现有技术相比，本发明所述的路基土动态回弹模量预估系统及方法基于径向基函数神经网络，选取输入指标具有明确意义，预估模型自动化程度高，具有计算快、精度高的特点，适合工程实现。

附图说明

图1：液塑限联合测定仪结构图；图2：径向基函数神经网络结构图；图3：实施例土样的粒径分布曲线；21-支架、22-电磁铁、23-带标尺的圆锥仪、24-试样杯、25-控制开关、26-升降座。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明所述的路基土动态回弹模量预估系统及方法做进一步说明，但是本发明的保护范围并不限于此。

实施例1

一种路基土动态回弹模量预估系统，所述系统包括土壤采样器、电子秤、烘箱、容重试验仪、液塑限联合测定仪、三轴实验仪及计算机；所述液塑限联合测定仪包括支架21、电磁铁22、带标尺的圆锥仪23、试样杯24、控制开关25、升降座26；所述电磁铁22安装在支架21的上部框架内；所述带标尺的圆锥仪23吸附于电磁铁22下方；所述升降座26安装在支架21的下部框架内；所述试样杯24位于升降座26上，且位于带标尺的圆锥仪23正下方；所述控制开关25位于支架21的下部框架侧面。

一种与系统相应的路基土动态回弹模量预估方法，所述方法的具体步骤为：

1)土样物理指标测试：用土壤采样器采集土样，用烘箱、环刀法容重试验仪、液塑限联合测定仪分别测定土样物理指标，测定或计算出含水率、土粒比重、最大干密度、液限、塑限、塑性指数、粒径分布、最佳含水量和压实度后，进行动态回弹模量试验；2)动态回弹模量试验：在含水率水平分别为最佳含水量-3％、最佳含水量、最佳含水量+3％和压实度水平分别为91％压实度、96％压实度、100％压实度的条件下制作9个尺寸为8cm×3.91cm的试样，根据美国路基土与未处治粒料回弹模量试验规程(T307-99)制定的三轴重复加载测试方法对制备的试样进行重复三轴试验，取每次加载序列试验后5个周期的回弹模量值的平均值为最终动态回弹模量值，同时记录施加的相应围压应力和偏应力；3)动态回弹模量预估模型的建立：计算机收集数据后，输入对应的含水率、压实度、围压应力、偏应力和动态模量，构建出五者之间的函数关系，即径向基函数神经网络；4)动态回弹模量的预估：取待测土样测其物理指标，确定其物理指标与建立函数时土样的物理指标相符后，将含水率、压实度及欲施加的围压应力和偏应力输入步骤3)建立的动态回弹模量预估模型，得到预估动态模量。

以路基土动态回弹模量预估模型为例，现场采集待研究地区的公路路基土样；对土样的物理指标进行测试，测试结果如表1和图1所示；进行动态回弹模量试验：在3个含水率(最佳含水量-3％，最佳含水量和最佳含水量+3％)和3个压实度(91％，96％和100％)水平下进行试样的制作9个试样，测试结果如表2所示；建立动态回弹模量预估模型：利用径向基函数神经网络建立路基土动态回弹模量预估模型，模型参数进行估计结果如表3所示。

表1土样物理指标测试结果

表2动态回弹模量试验结果

围压应力(kPa)	偏应力(kPa)	Mr(MPa)
			41.4	12.4	186.25
41.4	24.8	170.50
			41.4	37.3	160.00
41.4	49.7	145.20
			41.4	62	135.80
27.6	12.4	160.28
			27.6	24.8	145.12
27.6	37.3	141.34
			27.6	49.7	126.86
27.6	62	116.37
			13.8	12.4	144.14
13.8	24.8	128.47
			13.8	37.3	141.33
13.8	49.7	118.19
			13.8	62	97.12

表3模型参数估计结果

与现有技术相比，本发明所述的路基土动态回弹模量预估系统及方法基于径向基函数神经网络，选取输入指标具有明确意义，预估模型自动化程度高，具有计算快、精度高的特点，适合工程实现。

Claims (2)

1.一种路基土动态回弹模量预估系统，其特征在于，所述系统包括土壤采样器、电子秤、烘箱、容重试验仪、液塑限联合测定仪、三轴实验仪及计算机；其特征在于，所述液塑限联合测定仪包括支架(21)、电磁铁(22)、带标尺的圆锥仪(23)、试样杯(24)、控制开关(25)、升降座(26)；所述电磁铁(22)安装在支架(21)的上部框架内；所述带标尺的圆锥仪(23)吸附于电磁铁(22)下方；所述升降座(26)安装在支架(21)的下部框架内；所述试样杯(24)位于升降座(26)上，且位于带标尺的圆锥仪(23)正下方；所述控制开关(25)位于支架(21)的下部框架侧面。

2.一种路基土动态回弹模量预估方法，其特征在于，所述方法的具体步骤为：

1)土样物理指标测试：用土壤采样器采集土样，用烘箱、环刀法容重试验仪、液塑限联合测定仪分别测定土样物理指标，测定或计算出含水率、土粒比重、最大干密度、液限、塑限、塑性指数、粒径分布、最佳含水量和压实度后，进行动态回弹模量试验；

2)动态回弹模量试验：在含水率水平分别为最佳含水量-3％、最佳含水量、最佳含水量+3％和压实度水平分别为91％压实度、96％压实度、100％压实度的条件下制作9个尺寸为8cm×3.91cm的试样，根据美国路基土与未处治粒料回弹模量试验规程(T307-99)制定的三轴重复加载测试方法对制备的试样进行重复三轴试验，取每次加载序列试验后5个周期的回弹模量值的平均值为最终动态回弹模量值，同时记录施加的相应围压应力和偏应力；

3)动态回弹模量预估模型的建立：计算机收集数据后，输入对应的含水率、压实度、围压应力、偏应力和动态模量，构建出五者之间的函数关系，即径向基函数神经网络；

4)动态回弹模量的预估：取待测土样测其物理指标，确定其物理指标与建立函数时土样的物理指标相符后，将含水率、压实度及欲施加的围压应力和偏应力输入步骤3)建立的动态回弹模量预估模型，得到预估动态模量。