CN110702541A - 一种湿化作用下路基土多级动力加载累积变形试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种湿化作用下路基土多级动力加载累积变形试验方法，包括：用静压成型法制作路基土最优含水率圆柱体试样，称取其初始质量；将试样置于可模拟湿化过程的装置中，包裹滤纸并喷水对试样定量湿化；当试样达到预定湿化时间后静置试样，对试样含水率进行多点测试，当试样含水率均匀时完成静置，称取湿化后试样质量，计算试样含水率变化值；将试样置于动三轴仪中进行预加载试验；根据现场实测数据或利用数值软件模拟确定应力路径及加载次序，进行多级加载永久变形试验，得到试验结果。该试验方法能够比较真实地模拟出路基服役期间在含水率变化和交通荷载联合作用下路基土动力累积变形，操作简单、试验用时短、试验结果真实性高。

Description

一种湿化作用下路基土多级动力加载累积变形试验方法

技术领域

本发明涉及高速交通路基工程技术领域，具体而言，涉及一种湿化作用下路基土多级动力加载累积变形试验方法。

背景技术

由于交通荷载和环境因素的联合作用，路基在道路运营期内会处于复杂的应力状态，特别是气候季节性变化会使路基内部湿度发生反复变化，随着湿度增大，路基土强度和刚度显著降低，在交通荷载作用下产生附加变形，其累积变形会持续增加，给行车安全带来隐患。

现有对路基土累积变形的研究通常是通过单级重复加载动三轴试验(RepeatedLoad Triaxial，简称RLT试验)，分别对含水率、应力水平等的影响进行研究。对含水率的研究基本都是采用直接配制不同含水率试样进行试验的方法，与实际上路基在最优含水率下填筑然后经历湿度变化的过程并不相符，且不同制样含水率会导致土体结构性不同，无法准确反映含水率对路基土力学特性的影响。针对应力水平的研究，单级RLT试验每个试样仅考虑单一应力加载方式，即每次只能加载一个围压和一级动应力，对于模拟实际工程中的不同围压和多级动应力的作用时，需要制作大量的试样，不仅费时费力、成本高昂，而且与路基实际所受的连续加载应力状态也并不相符。

目前湿化作用对累积变形影响的试验集中于静力变形方面，对车载作用下路基土动力湿化变形实验少有研究。湿化作用难点在于试样湿化吸水均匀性的控制，尤其是试样内部含水率难以准确测定。多级加载试验是一个相对成熟的技术，但多用于沥青混合料蠕变和动弹模量研究方面，而针对路基土的多级RLT永久变形试验，目前尚无明确的规范和标准，因此如何确定合理的应力水平及加载方式是重点。

为此，寻找一种符合路基实际应力状态、结果真实性高、试验结论可靠的考虑湿化作用下路基土多级加载的试验方法，对提出更准确的路基累积变形预估模型具有重要意义。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种湿化作用下路基土多级动力加载累积变形试验方法，该试验方法能够比较真实地模拟出路基服役期间在含水率变化和交通荷载联合作用下路基土动力累积变形，操作简单、试验用时短、试验结果真实性高。

为了实现上述目的，本发明提供了一种湿化作用下路基土多级动力加载累积变形试验方法，包括以下步骤：

S1：用静压成型法制作所需直径的路基土最优含水率圆柱体试样，并称取试样的初始质量；

S2：将试样放置于可模拟湿化过程的装置中，采用包裹滤纸并喷水雾加湿的方法对试样进行定量湿化；

S3：当试样达到预定的湿化时间后，静置试样，并对试样的含水率进行多点测试，当测得试样的含水率均匀时完成静置，称取湿化后的试样质量，并计算试样含水率变化值；

S4：将试样置于动三轴仪中进行预加载试验；

S5：根据现场实测数据或者利用数值软件模拟确定应力路径及加载次序，进行多级加载永久变形试验，得到试验结果。

进一步地，步骤S2具体包括以下步骤：

S201：将一组试样放置于可模拟湿化过程的装置的转盘上，在湿化前使用相同大小的滤纸紧密包裹每个试样的侧壁，试样的上部和底部均放置与试样同尺寸的滤纸，试样的底部垫透水石，喷水使滤纸湿润，确保滤纸与试样保持紧密接触；

S202：用雾化喷洒装置对试样进行多次喷水湿化，控制每次喷水时间与喷水量相同，且多次喷水雾的间隔时间相同，保持滤纸始终处于湿润状态；

S203：湿化开始后启动转盘使试样缓慢旋转，每次喷水结束后，利用红外线水分仪分别测定各试样的含水率，若各试样的含水率差值在0.1％以内，即认为该组试样湿化程度相同，对含水率差值过大的试样进行额外补水或减少下次喷水量，使各试样湿化程度保持相同；在湿化过程中，通过装置的下部排水口开关控制装置中积聚的水分高度始终不超过转盘下方的网状透水板，避免试样底部长时间处于浸泡状态。

进一步地，可模拟湿化过程的装置包括一容器，容器内设有一网状透水板，网状透水板的上方可转动地安装一用于放置试样的旋转圆盘，容器的侧壁上于网状透水板的上方设有红外线水分仪，容器的侧壁上于网状透水板的下方设有排水口，容器的顶部设有雾化水喷洒装置。

进一步地，步骤S3具体包括以下步骤：

S301：当试样达到预定的湿化时间后，停止喷水，通过红外线水分仪测定各试样的湿化程度相同后，用保鲜袋将各试样分别包好，并将袋口系紧，保证整个袋子处于密闭状态，开始静置试样；

S302：静置试样若干天后，选择每个试样上的多个不同位置测点，采用感应式水分检测仪测定试样各个测点处的含水率；

S303：若试样各测点的含水率差值在0.1％以内，即认为试样外部含水率均匀，选择其中一个试样作为对比试样，在测点位置使用插入式水分检测仪测其内部含水率，若内外含水率差值在0.1％以内，即认为试样含水率均匀可停止静置试样，否则继续静置试样，直至试样的内外含水率均匀；

S304：当试样的内外含水率均匀后，称取湿化后的试样质量，并计算试样含水率变化值。

进一步地，步骤S304中，计算试样含水率变化值的具体步骤为：

按照以下公式计算试样含水率变化值：

式中，Δw为试样含水率变化值，其单位为％；m₁为试样湿化后的试样质量，其单位为g；m₀为试样的初始质量，其单位为g；w_opt为试样最优含水率，其单位为％；m_s为试样的干质量，其单位为g。

进一步地，步骤S4具体包括以下步骤：

S401：将试样安放在动三轴仪的压力室中，用橡胶模套牢，在试样的顶部和底部均放置滤纸及透水石；

S402：打开压力室的气压阀门，关闭排水阀门；

S403：进入动三轴仪的三轴控制系统，调整试样的位置使其与激振器底板接触，设置围压σ₃，动应力σ_d，对试样进行500次振动预加载，若试样轴向应变超过5％，则停止预加载，分析原因或重新制样。

进一步地，步骤S5具体包括以下步骤：

S501：在条件允许的情况下进行现场动力测试，在条件不允许的情况下利用数值软件模拟获取实际应力水平，确定出三个典型围压序列σ_3,i(i＝1，2，3)，其中σ_3,1<σ_3,2<σ_3,3，各围压序列包括四级动应力σ_d,ij(j＝1，2，3，4)，其中σ_d,i1<σ_d,i2<σ_d,i3<σ_d,i4，考虑固结因素作用，有固结比n＝σ_s,i/σ_3,i(n＞1)，其中σ_s,i为静偏应力，加载次序从低围压到高围压，从低动应力到高动应力，当一个围压加载序列完全加载完成后再进行下一个围压序列；

S502：进入动三轴仪的三轴控制系统，选择试验类型为不固结不排水，设置第一级加载参数，其中围压为σ_3,1，静偏应力实际值Δσ_s,1＝(n-1)σ_3,1，加载波形为半正弦波，加载频率为f，荷载峰值为σ_d,11，振动次数N＝10000；

S503：完成所有参数设置后，开始进行永久变形试验，当达到振动次数N且轴向应变ε不超过5％时第一级加载完成，若轴向应变ε达到5％，则实验结束无需进行下一级加载；

S504：重复步骤S502和步骤S503，完成第二级到第十二级永久变形试验；当所有序列加载结束后，即完成一个试样的多级动力加载累积变形试验。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的试验方法充分考虑了路基土实际应力状态及真实湿化过程，能够比较真实地模拟出路基服役期间在含水率变化和交通荷载联合作用下路基土动力累积变形；该试验方法操作简单，能够明显缩短试验用时，试验条件控制合理，试验结果稳定可靠；该试验方法能够为不同湿度条件、不同车辆荷载的道路提供更符合实际的路基土累积变形的预测方法。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的湿化作用下路基多级动力加载累积变形试验方法的流程图。

图2为本发明实施例中可模拟湿化过程的装置的结构示意图。

图3为本发明实施例中试样湿化含水率变化与时间关系曲线图。

图4为本发明不同加载序列及加载次序示意图。

图5为本发明湿化作用下路基土多级加载累积变形实例图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、容器；2、网状透水板；3、旋转圆盘；4、红外线水分仪；5、排水口；6、雾化水喷洒装置；7、试样。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。

一种本发明实施例的湿化作用下路基土多级动力加载累积变形试验方法，该方法的流程图如图1所示，包括以下步骤：

试样制作成型：

根据击实试验得到的路基土最优含水率w_opt(单位为％)及最大干密度ρ_d(单位为g/cm³)，按照规范要求配好最优含水率土样，根据公式m＝(1+w_opt)·ρ_d·K·V计算成型所需土质量m(单位为g)，其中K为压实度，V为试样体积(单位为cm³)，圆柱形试件直径为100mm、高度为200mm。将土样分五层放进对开模中，每层之间用小铁棒进行刮毛处理，然后放进静压机中压实成型，并对试样进行打磨，以保证两端表面平行度在0.05mm以内，表面平整度在0.02mm以内，从而完成湿化作用下多级动力加载累积变形试验路基土试样的制作成型，试样成型完成后称取试样的初始质量m₀(单位为g)。

试样湿化：

为对比分析多级加载试验与单级加载试验区别，将6个试样作为一组，其中4个试样为同一个围压序列采用单级加载，1个采用多级加载，1个作为测含水率的对比试样。具体试验步骤为：1)将一组试样放置于图2所示的可模拟湿化过程的装置的旋转圆盘3上；2)在湿化前用滤纸紧密包裹每个试样7的侧壁，使用相同大小的滤纸，上部和底部均放置与试样7同尺寸的滤纸，试样7底部垫透水石，喷水使滤纸湿润，确保滤纸与试样7保持紧密接触；3)每间隔2h，用雾化喷洒装置6喷雾一次，每次喷水时间均控制在1～2min，保持滤纸始终处于湿润状态；4)湿化开始后，即启动旋转圆盘3使其缓慢旋转，每次喷雾结束，利用红外线水分仪4依次测定各试样7的读数，若差值在0.1％以内，即认为该组试样7湿化程度相同，对差值过大的试样7采取额外补水或减少下次喷水量使各试样7湿化程度保持相同；5)在湿化过程中，通过使用下部的排水口5开关控制容器中积聚的水分高度始终不超过网状透水板2，避免试样7的底部长时间处于浸泡状态。试样湿化含水率变化与时间的关系曲线图如图3所示。如图2所示，该可模拟湿化过程的装置包括一个容器1，在容器1内设置有一块网状透水板2，网状透水板2的上方安装有一个可转动的用于放置试样7的旋转圆盘3，容器1的侧壁上于网状透水板2的上方设置有红外线水分仪4，容器1的侧壁上于网状透水板2的下方设置有排水口5，容器1的顶部设置有雾化水喷洒装置6。

湿化程度测定：

1)当试样达到预定的湿化时间后，停止喷水，通过红外线水分仪测定各试样的湿化程度相同后，用保鲜袋将各试样分别包好，并将袋口系紧，保证整个袋子处于密闭状态，开始静置试样；2)静置试样2天后，选择每个试样上的四个不同位置测点，采用感应式水分检测仪测定各个试样含水率；3)若各测点含水率差值在0.1％以内，即认为试样外部含水率均匀，选择其中一个试样作为对比试样，在测点位置使用插入式水分检测仪测其内部含水率，若内外含水率差值在0.1％以内，即认为试样含水率均匀可停止静置试样，否则继续静置试样，直至其内外含水率均匀；4)按下式计算试样含水率变化值Δw，

其中

式中，Δw单位为％；m₁为试样湿化后的试样质量，其单位为g；m₀为试样的初始质量，其单位为g；w_opt为试样最优含水率，其单位为％；m_s为试样的干质量，其单位为g。

预加载试验：

1)将试样安放在动三轴仪的压力室中，用橡胶模套牢，在试样的顶部和底部均放置滤纸及透水石；2)打开压力室的气压阀门，关闭排水阀门；3)进入动三轴仪的三轴控制系统，调整试样位置使其与激振器底板接触，设置围压σ₃＝30kPa，动应力σ_d＝60kPa，对试样进行500次振动预加载，若试样轴向应变超过5％，则应停止预加载，分析原因或重新制样。

确定应力水平与加载方式：

进行本实验前，在现场进行了动力测试，确定出三个典型路基深度围压序列σ_3,i(i＝1，2，3)，其中σ_3,1<σ_3,2<σ_3,3，各围压序列包括四级动应力σ_d,ij(j＝1，2，3，4)，其中σ_d,i1<σ_d,i2<σ_d,i3<σ_d,i4，具体序列见表1，考虑固结因素作用，有固结比n＝σ_s,i/σ_3,i＝1.5，其中σ_s,i为静偏应力；在条件不允许的情况下也可利用数值软件模拟获取实际应力水平；研究发现，先期荷载会使试样产生不可恢复的变形，前期较小应力幅值产生的累积应变对后面较大应变幅值的动力特性影响较小，但较大应力幅值的动荷载会改变后续小应变动力特性；因此，确定加载次序从低围压到高围压，从低动应力到高动应力，当一个围压加载序列完全加载完成后再进行下一个围压序列，如图4所示；

多级加载试验：

1)进入动三轴仪的三轴控制系统，选择试验类型为不固结不排水，设置第一级加载参数，其中围压为σ_3,1＝15kPa，静偏应力值实际值Δσ_s,1＝0.5σ_3,1，加载波形为半正弦波，加载频率为f＝3Hz，荷载峰值为σ_d,11＝15kPa，振动次数N＝10000；设置其余参数，包括土样类型、试样质量、试样尺寸等；2)完成所有参数设置后，开始进行永久变形试验，当达到振动次数N且轴向应变ε不超过5％时第一级加载完成，若轴向应变ε达到5％，则实验结束无需进行下一级加载；3)重复步骤1)和步骤2)，完成第二级到第十二级永久变形加载；4)当所有序列加载结束后，即完成一个试样的多级动力加载累积变形试验。

表1多级加载围压与动应力加载序列

结果分析：

本实施例的湿化作用下路基土多级动力加载累积变形试验方法，通过将后面每一级加载得到的累积变形累加到前一级，可以得到考虑实际湿化过程和应力历史的路基土多级RLT试验的累积变形曲线，其累积变形曲线如图5中所示。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种湿化作用下路基土多级动力加载累积变形试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：用静压成型法制作所需直径的路基土最优含水率圆柱体试样，并称取试样的初始质量；

S2：将试样放置于可模拟湿化过程的装置中，采用包裹滤纸并喷水雾加湿的方法对试样进行定量湿化；

S3：当试样达到预定的湿化时间后，静置试样，并对试样的含水率进行多点测试，当测得试样的含水率均匀时完成静置，称取湿化后的试样质量，并计算试样含水率变化值；

S4：将试样置于动三轴仪中进行预加载试验；

S5：根据现场实测数据或者利用数值软件模拟确定应力路径及加载次序，进行多级加载永久变形试验，得到试验结果。

2.根据权利要求1所述的湿化作用下路基土多级动力加载累积变形试验方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S201：将一组试样放置于可模拟湿化过程的装置的转盘上，在湿化前使用相同大小的滤纸紧密包裹每个试样的侧壁，试样的上部和底部均放置与试样同尺寸的滤纸，试样的底部垫透水石，喷水使滤纸湿润，确保滤纸与试样保持紧密接触；

S202：用雾化喷洒装置对试样进行多次喷水湿化，控制每次喷水时间与喷水量相同，且多次喷水雾的间隔时间相同，保持滤纸始终处于湿润状态；

S203：湿化开始后启动转盘使试样缓慢旋转，每次喷水结束后，利用红外线水分仪分别测定各试样的含水率，若各试样的含水率差值在0.1％以内，即认为该组试样湿化程度相同，对含水率差值过大的试样进行额外补水或减少下次喷水量，使各试样湿化程度保持相同；在湿化过程中，通过装置的下部排水口开关控制装置中积聚的水分高度始终不超过转盘下方的网状透水板，避免试样底部长时间处于浸泡状态。

3.根据权利要求2所述的湿化作用下路基土多级动力加载累积变形试验方法，其特征在于，所述可模拟湿化过程的装置包括一容器，所述容器内设有一网状透水板，所述网状透水板的上方安装一用于放置试样的旋转圆盘，所述容器的侧壁上于所述网状透水板的上方设有红外线水分仪，所述容器的侧壁上于所述网状透水板的下方设有排水口，所述容器的顶部设有雾化水喷洒装置。

4.根据权利要求1所述的湿化作用下路基土多级动力加载累积变形试验方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S301：当试样达到预定的湿化时间后，停止喷水，通过红外线水分仪测定各试样的湿化程度相同后，用保鲜袋将各试样分别包好，并将袋口系紧，保证整个袋子处于密闭状态，开始静置试样；

S302：静置试样若干天后，选择每个试样上的多个不同位置测点，采用感应式水分检测仪测定试样各个测点处的含水率；

S303：若试样各测点的含水率差值在0.1％以内，即认为试样外部含水率均匀，选择其中一个试样作为对比试样，在测点位置使用插入式水分检测仪测其内部含水率，若内外含水率差值在0.1％以内，即认为试样含水率分布均匀，可停止静置试样，否则继续静置试样，直至试样的内外含水率均匀；

S304：当试样的内外含水率均匀后，称取湿化后的试样质量，并计算试样含水率变化值。

5.根据权利要求4所述的湿化作用下路基土多级动力加载累积变形试验方法，其特征在于，所述步骤S304中，计算试样含水率变化值的具体步骤为：

按照以下公式计算试样含水率变化值：

式中，Δw为试样含水率变化值，其单位为％；m₁为试样湿化后的试样质量，其单位为g；m₀为试样的初始质量，其单位为g；w_opt为试样最优含水率，其单位为％；m_s为试样的干质量，其单位为g。

6.根据权利要求1所述的湿化作用下路基土多级动力加载累积变形试验方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下步骤：

S401：将试样安放在动三轴仪的压力室中，用橡胶模套牢，在试样的顶部和底部均放置滤纸及透水石；

S402：打开压力室的气压阀门，关闭排水阀门；

S403：进入动三轴仪的三轴控制系统，调整试样的位置使其与激振器底板接触，设置围压σ₃，动应力σ_d，对试样进行500次振动预加载，若试样轴向应变超过5％，则停止预加载，分析原因或重新制样。

7.根据权利要求1所述的湿化作用下路基土多级动力加载累积变形试验方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括以下步骤：

S501：在条件允许的情况下进行现场动力测试，在条件不允许的情况下利用数值软件模拟获取实际应力水平，确定出三个典型围压序列σ_3,i，i＝1，2，3，其中σ_3,1<σ_3,2<σ_3,3，各围压序列包括四级动应力σ_d,ij，j＝1，2，3，4，其中σ_d,i1<σ_d,i2<σ_d,i3<σ_d,i4，考虑固结因素作用，有固结比n＝σ_s,i/σ_3,i，n＞1，其中σ_s,i为静偏应力，加载次序从低围压到高围压，从低动应力到高动应力，当一个围压加载序列完全加载完成后再进行下一个围压序列；

S502：进入动三轴仪的三轴控制系统，选择试验类型为不固结不排水，设置第一级加载参数，其中围压为σ_3,1，静偏应力实际值Δσ_s,1＝(n-1)σ_3,1，加载波形为半正弦波，加载频率为f，荷载峰值为σ_d,11，振动次数N＝10000；

S503：完成所有参数设置后，开始进行永久变形试验，当达到振动次数N且轴向应变ε不超过5％时第一级加载完成，若轴向应变ε达到5％，则实验结束无需进行下一级加载；

S504：重复步骤S502和步骤S503，完成第二级到第十二级永久变形试验；当所有序列加载结束后，即完成一个试样的多级动力加载累积变形试验。

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