CN111474029B

CN111474029B - 一种路基碎石土动态回弹模量预估方法

Info

Publication number: CN111474029B
Application number: CN202010425336.8A
Authority: CN
Inventors: 姚永胜; 钱俊峰; 罗深平; 肖宏彬
Original assignee: Central South University of Forestry and Technology; Chongqing Jiaotong University
Current assignee: Central South University Of Forestry Science And Technology; Chongqing Jiaotong University
Priority date: 2020-05-19
Filing date: 2020-05-19
Publication date: 2022-06-14
Anticipated expiration: 2040-05-19
Also published as: CN111474029A

Abstract

本发明公开了一种路基碎石土动态回弹模量预估方法，分别配置不同含石量下的路基碎石土，对其开展击实试验，确定不同含石量下的路基碎石土的最佳含水率和最大干密度；并采用配置的不同含石量下的路基碎石土制备不同压实度下的三轴路基碎石土试样，对其开展动三轴试验，得到路基碎石土试样在不同工况下的动态回弹模量值；对比分析路基碎石土试样在不同工况下的动态回弹模量值，建立路基碎石土动态回弹模量预估模型；并对路基碎石土动态回弹模量预估模型进行拟合，得到模型参数，最后采用模型参数已知的路基碎石土动态回弹模量预估模型预估不同工况下的路基碎石土的动态回弹模量。解决了无法准确预估路基碎石土的动态回弹模量的问题。

Description

一种路基碎石土动态回弹模量预估方法

技术领域

本发明属于公路建设技术领域，涉及一种路基碎石土动态回弹模量预估方法。

背景技术

我国幅员辽阔，山脉分布广泛，在我国西部和南部地区拥有大量的山区公路建设项目。同时，山区公路的路堤高度普遍较高，双向四车道的高速公路平均每公里耗土方量达到45000m³。在广泛的山区公路工程建设中，往往缺乏合适的路基填料，而岩石和碎石在自然界环境中分布广泛。因此，在我国的西部和南部山区的工程项目中，设计人员和工程师经常会选择碎石材料添加到路基土中形成路基碎石土以增强路基填料的整体稳定性和强度，这种方法的优势在于就地取材，避免现有自然资源形成浪费，同时也在一定程度上节约了工程造价。而从以往的研究结果和现场施工经验来看，路基碎石土中细粒料(土)和粗粒料(石料)在物理性质和力学性能方面都有较大的差异。而动回弹模量这一重要参数，能够很好的表征路基填料的刚度，相应的为路面结构设计提供依据。如何精准的测量经碎石改良后的路基土的回弹模量值并为设计和施工提供相应依据，已在工程界备受关注。

作为表征填料刚度的重要参数，动态回弹模量反映了行车荷载作用下路基填料的非线性应力-应变特性，也是沥青路面结构设计时所必须考虑的指标。因道路设计时路基尚未建成，使得难以获得准确的路基填料动态回弹模量值。为此，现行《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)给出了三种动态回弹模量的确定方法：第一种是查表法，但给出的各路基填料建议回弹模量值变化范围较大，无法通过表格精准确定所用填料的回弹模量值；第二种方法是根据加州承载比(CBR)与回弹模量经验公式计算得到填料回弹模量值，该方法对不同种类路基填料的适用性较差；第三种方法是通过动三轴试验，进而采用NCHRP 1-28A三参数模型进行路基填料回弹模量预估，虽然NCHRP 1-28A三参数模型具有模型参数少、适用范围广等特点，但该模型的参数仅含有应力状态变量，其实质是描述应力状态对路基填料的影响。而对于经碎石改良后的路基土而言，其物理组成已经由单一的土颗粒转变为土颗粒和碎石颗粒共同构成，土颗粒和碎石的力学性质差异较大，因而路基碎石土的物理组成会对其力学性能产生显著的影响。同时，大量研究表明，路基材料的力学性能与其物理状态(即压实度)有着显著的依赖性，因此，NCHRP1-28A模型并不适用于路基碎石土这种特殊的岩土材料进行回弹模量预估，即采用现有的方法无法准确预估路基碎石土的动态回弹模量。鉴于此，有必要建立一个适用于路基碎石土的回弹模量预估模型，对路基碎石土的回弹模量进行更为精确的预估。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种路基碎石土动态回弹模量预估方法，以解决目前无法准确预估路基碎石土的动态回弹模量值的问题。

本发明实施例所采用的技术方案是，一种路基碎石土动态回弹模量预估方法，按照以下步骤进行：

步骤S1、分别配置不同含石量下的路基碎石土，并对配置的不同含石量下的路基碎石土开展击实试验，确定不同含石量下的路基碎石土的最佳含水率和最大干密度；

步骤S2、采用配置的不同含石量下的路基碎石土分别制备不同压实度下的三轴路基碎石土试样，并对制备的三轴路基碎石土试样开展动三轴试验，得到路基碎石土试样在不同工况即不同含石量、不同压实度和不同应力状态下的动态回弹模量值；

步骤S3、对比分析路基碎石土试样在不同工况下的动态回弹模量值，建立综合考虑物理组成、物理状态和应力状态的路基碎石土动态回弹模量预估模型，如下式所示：

其中，M_R为路基碎石土动态回弹模量值，R_c为含石量，C为压实度；θ为体应力，τ_oct为八面体剪应力；p_a为大气压强；k₁～k₅均为模型参数，k₁为模型修正系数，k₂表征碎石土中含石量对回弹模量值的影响，k₃表征体应力对回弹模量的影响，k₄表征八面体剪应力对回弹模量的影响，k₅表征压实度对回弹模量的影响；

步骤S4、采用路基碎石土试样在不同工况下的动态回弹模量值对路基碎石土动态回弹模量预估模型进行拟合，得到模型参数k₁～k₅；

步骤S5、采用模型参数k₁～k₅已知的路基碎石土动态回弹模量预估模型预估不同工况下的路基碎石土的动态回弹模量。

进一步的，所述步骤S1的具体实现过程如下：

首先将击实试验所需的土样放入烘箱烘干，然后按照含石量0％、30％、40％、50％、60％和70％掺配石灰石砾石配置路基碎石土，并采用下述方法确定不同含石量下的路基碎石土的最大干密度和最佳含水率：按照经验预估当前含石量下路基碎石土的最佳含水量，并以2％含水率为差值对预估的当前含石量下路基碎石土的最佳含水率进行梯度变化，然后分别配置当前含石量下不同含水率的路基碎石土，并用塑料密封袋分别封装并闷料18小时，使路基碎石土内的湿度达到均匀状态；闷料完成后采取三层法进行击实试验，击实完成后对路基碎石土试样进行称重，在脱模后选取典型路基碎石土试样测试其含水率，并根据标准试筒的体积和路基碎石土试样的质量，计算路基碎石土试样的干密度，绘制路基碎石土试样的干密度和含水率的关系曲线图，路基碎石土试样的干密度和含水率的关系曲线图中，最大干密度所对应的含水率即为最佳含水率。

进一步的，所述步骤S2的具体实现过程如下：

首先依据击实试验得到的不同含石量下的路基碎石土试样的最大干密度和最佳含水率，以及路基碎石土试样拟制备的压实度，计算拟制备的路基碎石土试样的干密度，进而通过路基碎石土试样的干密度和最佳含水率计算其湿密度，再根据击实试筒的体积计算得到路基碎石土试样的质量；

然后进行三轴试样制备，通过质量控制法，将按照含石量、最大干密度和计算的所需土样质量配置得到的路基碎石土制备成压实度分别为90％、93％、96％和100％的四种不同压实度的路基碎石土试样；

最后采用半正弦波分别对上述不同压实度的路基碎石土试样进行重复加载三轴试验，得到路基碎石土试样的动态回弹模量值。

进一步的，所述依据击实试验得到的不同含石量下的路基碎石土试样的最大干密度和拟制备的压实度，计算路基碎石土试样的干密度，按照以下公式进行：

其中，C为压实度，ρ_d为路基碎石土试样的干密度，ρ_dmax为路基碎石土试样的最大干密度。

进一步的，所述三轴试验加载完成后取最后5次循环所得测量值的平均值作为动态回弹模量值。

进一步的，所述半正弦波的频率为1Hz、加载时间为0.2s，间歇时间为0.8s。

进一步的，所述八面体剪应力τ_oct通过下式计算得到：

其中，σ₁为竖向主应力，σ₂为中间主应力，σ₃为围压。

进一步的，所述体应力θ＝σ₁+σ₂+σ₃。

进一步的，所述k₁＝1.5511，k₂＝0.5683，k₃＝0.4839，k₄＝-2.7688，k₅＝1.7312。

本发明实施例的有益效果是：

1、本发明实施例将路基碎石土作为路基填料时动态回弹模量随含石量增加而增加的变化规律以

的形式在预估模型中体现，建立了综合考虑物理组成、物理状态和应力状态的路基碎石土填料动态回弹模量预估模型，可预测不同工况下路基碎石土填料的动态回弹模量，相对于现存方法，有效提高了预估精度，解决了目前无法准确预估路基碎石土的动态回弹模量值的问题。

2、选用常用路基参数压实度表征填料的密实状态，选用表征路基碎石土实际应力状态的体应力和八面体剪应力作为应力分量，模型形式合理简单、参数意义明确、适用范围广泛。

3、面对路基碎石土这一特殊的路基填料越来越广泛的被应用在工程实践的情况，提出了一种快速预测路基碎石土动态回弹模量的方法，补充了碎石土作为路基填料时动态回弹模量预估方法的空白，对道路工程设计及施工具备一定的指导意义，具有较高的工程应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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他的附图。

图1是路基碎石土试样的干密度和含水率的关系曲线图。

图2是90％压实度条件下含湿量和动态回弹模量的关系曲线图。

图3是93％压实度条件下含湿量和动态回弹模量的关系曲线图。

图4是96％压实度条件下含湿量和动态回弹模量的关系曲线图。

图5是100％压实度条件下含湿量和动态回弹模量的关系曲线图。

图6是本发明实施例的路基碎石土动态回弹模量预估方法和NCHRP1-28A模型对碎石土路基的动态回弹模量预估结果对比图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种路基碎石土动态回弹模量预估方法，具体按照以下步骤进行：

步骤S1、对0％-70％含石量下的路基碎石土试样开展击实试验，得到不同含石量下的最佳含水率和最大干密度，为后续压实度计算提供基本指标。具体为：将击实所需土样放入烘箱烘干，时间为24小时，按照含石量0％、30％、40％、50％、60％和70％掺配石灰石砾石配置路基碎石土，并采用下述方法确定不同含石量下的路基碎石土的最大干密度和最佳含水率：按照经验预估当前含石量下路基碎石土的最佳含水量，并以2％含水率为差值对预估的当前含石量下路基碎石土的最佳含水率进行梯度变化，然后分别配置当前含石量下不同含水率的路基碎石土，并用塑料密封袋分别封装并闷料18小时，使路基碎石土内的湿度达到均匀状态；闷料完成后按照公路土工试验规程(JTG E40-2007)的相关要求，采取三层法进行击实试验，击实完成后对路基碎石土试样进行称重(路基碎石土和试筒的质量)，在脱模后选取典型路基碎石土试样测试其含水率，并根据标准试筒的体积和路基碎石土试样的质量，计算路基碎石土试样的干密度，绘制路基碎石土试样的干密度和含水率的关系曲线图，如图1所示，路基碎石土试样的干密度和含水率的关系曲线图中，最大干密度所对应的含水率即为最佳含水率。

步骤S2、分别配置含石量为0％、30％、40％、50％、60％和70％的路基碎石土，并采用静压成形的方式制备不同压实度下的三轴试样，然后对其开展动三轴试验，得到试样在不同工况(不同含石量、压实度和应力状态)下的动回弹模量值，具体为：

然后进行三轴试样制备，通过质量控制法，将按照含石量、最大干密度和计算的所需土样质量配置得到的路基碎石土制备成压实度分别为90％、93％、96％和100％的四种不同压实度的路基碎石土试样，压实度的计算公式如下：

其中，C为压实度，ρ_d为试样干密度，ρ_dmax为通过击实试验所得的最大干密度。

最后采用频率为1Hz、加载时间为0.2s、间歇时间为0.8s的半正弦波对路基碎石土试样进行重复加载三轴试验，加载完成后取最后5次循环所得回弹模量值的平均值作为实测的回弹模量值，将试验所得数据绘制不同压实度条件下的动态回弹模量与含石量关系图，如图2～5所示。

步骤S3、根据动态回弹模量随含石量的发展趋势，本模型将(R_c+1)^k这一项添加到NCHRP1-28A模型中来表征回弹模量与含石量的关系。采用(R_c+1)^k这为预估模型提供了更多的适用范围，当材料的含石量为0时，此项的值为1，因而模型可退化为四参数模型，此时该模型可用于对土基材料的动回弹模量预估，为工程实践提供了更多的适用条件。同时，根据图2～5中的数据可知，随着压实度的增加，材料动态回弹模量值出现了显著增加，因此将压实度C添加在模型中，并用该项来表征材料物理状态对动态回弹模量值的影响。通过试验结果的对比分析，建立综合考虑了物理组成、物理状态和应力状态的路基碎石土动态回弹模量预估模型：

其中，M_R为路基碎石土动态回弹模量值；R_c为含石量；C为压实度；θ为体应力；τ_oct为八面体剪应力，

θ＝σ₁+σ₂+σ₃，σ₁为竖向主应力，σ₂为中间主应力，σ₃为围压，在室内三轴试验中σ₂＝σ₃；p_a＝101.3kPa，为大气压强；k₁～k₅均为模型参数，k₁为模型修正系数，k₂表征碎石土中含石量对回弹模量值的影响，k₃表征体应力对回弹模量的影响，k₄表征八面体剪应力对回弹模量的影响，k₅表征压实度对回弹模量的影响。

步骤S4、依据步骤S2得到的路基碎石土试样在不同工况下的动回弹模量值，对步骤S3的路基碎石土动态回弹模量预估模型进行拟合，得到模型参数k₁、k₂、k₃、k₄、k₅。

在本发明的一个较佳实施例中，其模型拟合参数表如表1所示，该预估模型的相关系数高达0.97，可以得出，采用该预估模型对路基碎石土进行动态回弹模量预估具有较高的精度。

表1路基碎石土填料动态回弹模量预估模型的拟合结果

k<sub>1</sub>	k<sub>2</sub>	k<sub>3</sub>	k<sub>4</sub>	k<sub>5</sub>	R<sup>2</sup>	模型优度
							1.5511	0.5683	0.4839	-2.7688	1.7312	0.97	Excellent

对于路基碎石土这种特殊的岩土材料而言，其物理状态对材料动回弹模量的影响也不能被忽视。故而采用NCHRP 1-28A模型对路基碎石土这种特殊的岩土材料进行回弹模量预估，无法考虑其物理组成和物理状态对材料力学性能的影响。鉴于此，本发明实施例建立了综合考虑物理组成、物理状态和应力状态的回弹模量预估模型对路基碎石土的动态回弹模量进行更为精确的预估。本发明实施例综合考虑了压实度、体应力和八面体剪应力等不同因素对路基碎石土作路基填料时动态回弹模量的影响，并考虑了含石量这一显著影响路基碎石土动态回弹模量的影响因素，相对于现有预估方法更加准确地预估了碎石土作路基填料情况下的动态回弹模量。以本发明实施例所采用的如表2所示的工况为例，采用本发明实施例的预估模型(Proposed Model)与NCHRP1-28A模型(NCHRP2003)对表2所示的工况进行预估，对比结果如图6所示。

表2三轴试样工况

压实度(％)	含石量(％)	含水率	围压(kPa)	偏应力(kPa)
					90、93、96、100	0、30、40、50、60、70	OMC	10、20、30、40	10、20、30、40

由图6可知，采用本发明实施例建立的预估模型进行预估的回弹模量值与室内试验值的误差更小，拟合精度更高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种路基碎石土动态回弹模量预估方法，其特征在于，按照以下步骤进行：

2.根据权利要求1所述的一种路基碎石土动态回弹模量预估方法，其特征在于，所述步骤S1的具体实现过程如下：

3.根据权利要求1所述的一种路基碎石土动态回弹模量预估方法，其特征在于，所述步骤S2的具体实现过程如下：

4.根据权利要求3所述的一种路基碎石土动态回弹模量预估方法，其特征在于，所述依据击实试验得到的不同含石量下的路基碎石土试样的最大干密度和拟制备的压实度，计算路基碎石土试样的干密度，按照以下公式进行：

5.根据权利要求3所述的一种路基碎石土动态回弹模量预估方法，其特征在于，所述三轴试验加载完成后取最后5次循环所得测量值的平均值作为动态回弹模量值。

6.根据权利要求3所述的一种路基碎石土动态回弹模量预估方法，其特征在于，所述半正弦波的频率为1Hz、加载时间为0.2s，间歇时间为0.8s。

7.根据权利要求1～6任一项所述的一种路基碎石土动态回弹模量预估方法，其特征在于，所述八面体剪应力τ_oct通过下式计算得到：

其中，σ₁为竖向主应力，σ₂为中间主应力，σ₃为围压。

8.根据权利要求7所述的一种路基碎石土动态回弹模量预估方法，其特征在于，所述体应力θ＝σ₁+σ₂+σ₃。

9.根据权利要求1～6、8任一项所述的一种路基碎石土动态回弹模量预估方法，其特征在于，所述k₁＝1.5511，k₂＝0.5683，k₃＝0.4839，k₄＝-2.7688，k₅＝1.7312。