CN111814340A - 考虑施工及养护温度的水稳碎石底基层底拉应力预测方法 - Google Patents

考虑施工及养护温度的水稳碎石底基层底拉应力预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明为考虑施工及养护温度的水稳碎石底基层底拉应力预测方法，该方法包括以下步骤：确定养护温度，记录该养护温度下不同养生龄期后水泥稳定碎石基层各结构层的厚度和抗压回弹模量；以抗压回弹模量作为设计因素，在各结构层厚度的取值范围内设计多组实验，运用力学计算软件对多组实验的底基层层底拉应力进行计算；在可行的连续施工方案中同时以各结构层的厚度和抗压回弹模量为自变量，底基层层底拉应力为因变量，按照有序性将多组实验的底基层层底拉应力的取值划分不同的评价等级；再采用有序变量累积Logit模型，获得当前养护温度下的不同养生龄期的基于Logit模型的水泥稳定碎石路用性能预测模型。该方法能指导实际工程。

Description

考虑施工及养护温度的水稳碎石底基层底拉应力预测方法
技术领域
本发明涉及交通土建工程的技术领域，是一种考虑养护温度的施工期间水泥稳定碎石底基层层底拉应力预测方法，尤其涉及一种以KENPAVE力学计算软件为基础并且基于Logit 模型的水泥稳定碎石底基层拉应力预测方法。
背景技术
在北方秋冬季温度经常低于标准养护温度，最佳施工期较短，有时为了追赶工程进度，需要在较低的温度下进行路基路面的施工，而且施工后往往也会较早开放交通。而在较低温度的养护施工条件下，基层的强度形成速度较慢，所需要的时间相对标准养护温度也会变长。由于路面结构设计时所采用的是在标准养护温度(20℃)下的设计强度，其标准轴载远远小于施工车辆的实际轴载，在低温条件下，施工车辆作用在强度尚未成型的基层上，水泥稳定碎石基层路面结构容易发生早期破坏。在不同的养护温度下，基层能够承受的最大轴载不同，选择不合适的施工方案会对路面结构造成不必要的破坏。
河北工业大学马士宾等对基层铺筑时施工车辆对半刚性基层的力学影响进行了分析，得出了龄期、施工车辆荷载等各种因素对不同力学指标的影响，有利于改善半刚性基层沥青路面早期破坏现象。但是其研究还停留在对问题本身的分析上，并未考虑到在实际施工中，对水泥稳定碎石基层强度形成具有较大影响的养护温度因素，因而并未对该问题进行更进一步的研究和优化，没有提出在工程中操作简单且行之有效的预测指导方法。本发明在上述研究基础上提供了在非标准养护温度下基于Logit模型的水泥稳定碎石底基层拉应力预测方法，从而减少施工车辆对以铺筑基层造成破坏。
发明内容
针对上述问题，本发明拟解决的技术问题是，提供了一种考虑养护温度的施工期间水泥稳定碎石底基层层底拉应力预测方法。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：提供一种考虑施工及养护温度的水稳碎石底基层底拉应力预测方法，该方法包括以下步骤：
1)确定养护温度，记录该养护温度下不同养生龄期后水泥稳定碎石基层各结构层的厚度和抗压回弹模量；
2)以各结构层的厚度和各结构层对应的抗压回弹模量作为设计因素，在各结构层厚度的取值范围内设计多组实验，运用力学计算软件对多组实验的底基层层底拉应力进行计算；
3)以底基层层底拉应力为主要设计指标，确定出可行的连续施工方案；在可行的连续施工方案中同时以各结构层的厚度和抗压回弹模量为自变量，底基层层底拉应力为因变量，按照有序性将多组实验的底基层层底拉应力的取值划分不同的评价等级；
4)再采用有序变量累积Logit模型，运用数值统计分析软件对数据文件进行计算分析，获得当前养护温度下的不同养生龄期的基于Logit模型的水泥稳定碎石路用性能预测模型。
上述中，在设计多组实验时可以运用正交试验设计方式进行设计，也可以用响应面法等多种试验设计方法。
上述确定可行的连续施工方案的方式为：如果底基层层底拉应力小于劈裂强度则可行，认为当前的施工各结构层厚度和抗压回弹模量的组合为可行的连续施工方案。
步骤3)中按照有序性对层底拉应力的取值划分是指，对确定的可行的连续施工方案对应的层底拉应力按照大小顺序进行排序，然后对最大值和最小值对应的层底拉应力范围进行等级划分，大致使落在每个等级中的层底拉应力个数大致相同。
上述的力学分析软件为KENPAVE力学计算软件等，数值统计分析软件可以为Minitab 数值统计分析软件。
在确定当前实际施工的养护温度后，可以根据本申请的预测方法，建立相应养护温度下不同养生龄期的基于Logit模型的水泥稳定碎石路用性能预测模型，根据设计规范输入符合规范范围的各结构层厚度及与养护温度相关的抗压回弹模量，即可直接判断所给定的参数是否能满足水泥稳定碎石路用性能，完成性能预测。
不同养生龄期的基于Logit模型的水泥稳定碎石路用性能预测模型中包括不同评价等级的Logit模型(若所分评价等级为m，则获得m-1个Logit模型)，在预测某组参数数据时，将其代入各个评价等级的Logit模型中，最后一个评价等级的概率值由1减去m-1个评价等级的概率值获得，哪个评价等级的概率值高，则确定当前预测的这组参数数据符合该评价等级。
本发明中各结构层分为上层、下层、底层三层。
本发明预测方法同样也适用于不连续施工情况，对于不连续施工时，主要设计指标为各层的层底拉应力。
所述养护温度为0～30℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明创造性地以养护温度和实际施工下的水泥稳定碎石基层的特点出发，建立了以各结构层厚度和抗压回弹模量为自变量、层底拉应力为反应变量的非标准养护温度下不同养生龄期下的基于Logit模型的水泥稳定碎石路用性能预测模型，以此指导实际工程。
本发明在连续施工方案设计中引入了正交试验和Logit模型相结合的思路，相比现有的依靠施工人员经验确定连续施工方案的方法，本发明所阐述的方法具有数据可视、可变，路用性能指标确定的优点，具有更高的精确度和更好的可靠性。在实际施工中，本方法不仅能够根据预测结果，得到在分层连续施工过程中给定养护温度与设计参数下，保证施工过程中基层不会发生破坏的最佳施工方案，还可以通过根据现场施工实际情况改变基层厚度和抗压回弹模量数值快速预测底基层层底拉应力从而检测施工质量，指导实际施工进度。
具体实施方式
下面结合实施例进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。
本发明考虑施工及养护温度的水稳碎石底基层底拉应力预测方法，该方法主要包括以下步骤：
步骤一、确定养护温度，记录该养护温度下不同养生龄期后水泥稳定碎石基层各结构层的厚度和抗压回弹模量；
根据路面设计规范及室内试验确定各参数，主要包括：
根据路面设计规范确定水泥稳定碎石基层各结构层厚度的取值范围、泊松比，
室内成型各结构层水泥稳定碎石试件，通过试验确定当前养护温度下，选定的各结构层厚度对应的抗压回弹模量。
步骤二、以各结构层的厚度和各结构层对应的抗压回弹模量作为设计因素，在各结构层厚度的取值范围内设计多组实验，运用力学计算软件对多组实验的底基层层底拉应力进行计算，具体为：
分别将在不同养生龄期(养生7d、14d)后上、下、底基层的厚度和抗压回弹模量作为六个因素，每个因素五个水平，做正交试验构成L25(5-6)正交试验表，得到25组试验。根据正交设计结果，利用KENPAVE计算软件对养生7d、14d的底基层层底拉应力进行计算。
步骤三、以底基层层底拉应力为主要设计指标，确定出可行的连续施工方案，将底基层层底拉应力不小于劈裂强度的施工方案舍弃，保留满足条件的施工方案，本实施例中设计的 25组试验方案均满足条件；在可行的连续施工方案中同时以上、下、底基层的厚度和抗压回弹模量为自变量(影响变量指标)，底基层层底拉应力为因变量(反应变量)，按照有序性将多组实验的底基层层底拉应力的取值划分不同的评价等级，即按照其有序性可以把底基层层底拉应力按照相应强度要求将其取值划分为三个及以上的评价范围，建立综合的预测评价体系；
步骤四、建立有序变量累积Logit模型为：
pn＝P(y＝n)，n＝1,2,···,c
Figure BDA0002583156270000031
Figure BDA0002583156270000032
上式中，n是因变量y的编号数量，这里为25,i表示所划分的等级，p是落在每一评价范围的概率，P(·)为概率函数；X为自变量，自变量的个数为k，这里取6；α，β是系数，不管模型中因变量的分割点在什么位置，模型中各自变量的系数β都保持不变；logit是数学符号
Figure BDA0002583156270000033
将水泥稳定碎石底基层层底拉应力划分为几个评价范围，保证落每个评价范围的值个数差不多，应用Minitab软件对工作单数据文件进行计算，对于每一个单数据文件首先打开顺序 Logistic回归分析主对话框，选择主对话框中的响应事件为响应变量Y，再选择模型上、下、底基层的厚度和抗压回弹模量，最后点击“确定”键进行计算。
显著性评价：
根据Wald检验结果说明，自由度(自变量个数)DF＝6，取“上、下、底基层厚度”、“上、下、底基层抗压回弹模量”时p＝0.000，则说明作为自变量各自的回归系数效应是显著的。显著性说明了该预测是可行的。(具体过程见计算实例)
在养护温度为5℃、10℃、20℃下
计算实例：
水泥稳定碎石基层各结构层厚度一般选择16～20cm,不同温度下养护7d、14d的抗压回弹模量有所不同。不同温度和龄期下的抗压回弹模量范围如表1所示，该抗压回弹模量由室内试验获得。
表1不同温度和龄期下的抗压回弹模量范围
Figure BDA0002583156270000041
以在养护温度为20℃养生14d为例以上、下、底基层厚度和抗压回弹模量建立正交试验，试验结果如表2。
表2温度为20℃时养生14d正交试验结果表
Figure BDA0002583156270000042
Figure BDA0002583156270000051
通过对比数据分析发现：在养护温度为20℃养生14d时，底基层层底拉应力数值集中在 0.219～0.412MPa之间，将水泥稳定碎石底基层层底拉应力划分为4个评价范围(评价等级)，评价范围划分如表3。
表3底基层层底拉应力评价范围划分
Figure BDA0002583156270000052
用Minitab软件对表2中的结果按照底基层层底拉应力由小到大重新排序，并为每组数据按照表3的评价水平进行计算，拟合出不同水平的对应回归系数及回归系数标准误差，具体见表4。
表4原始数据、回归系数及回归系数标准误差
Figure DEST_PATH_IMAGE001
将所得系数代入回归方程得出底基层层底拉应力的预测方程为：
log it1[P(Y≤1|X1、X2、X3、X4、X5、X6)]
＝-49.6242+2.5598X1+0.2267X2-0.1163X3+0.0009X4-0.0007X5-0.0008X6
log it2[P(Y≤2|X1、X2、X3、X4、X5、X6)]
＝-46.1347+2.5598X1+0.2267X2-0.1163X3+0.0009X4-0.0007X5-0.0008X6
log it3[P(Y≤3|X1、X2、X3、X4、X5、X6)]
＝-42.8157+2.5598X1+0.2267X2-0.1163X3+0.0009X4-0.0007X5-0.0008X6
从样本数据中随机抽取一组数据进行验证，这里随机抽取了表2中的第13组数据，代入预测方程中，可得：
P[P(Y≤1|X1、X2、X3、X4、X5、X6)]＝0.002
P[P(Y≤2|X1、X2、X3、X4、X5、X6)]＝0.048
P[P(Y≤3|X1、X2、X3、X4、X5、X6)]＝0.585
可见，抽取的第13组数据对水泥稳定碎石底基层层底拉应力的预测Y＝1 (0.219～0.235MPa)的概率值为0.002(这里等于1就是说它落在这个评价范围的概率，Y＝1 代指的就是第一个评价范围，等于2就是代指第二个评价范围)，Y＝2(0.235～0.263MPa) 的概率值为0.048，Y＝3(0.263～0.288MPa)的概率值为0.537，Y＝4(0.288～0.412MPa) 的概率值为0.415可以看出，Y＝3(0.263～0.288MPa)的概率值最高，因此水泥稳定碎石基层的无侧限抗压强度值极大可能集中在0.263～0.288MPa之间，根据对比实际计算数据0.269MPa，上述预测方程符合要求。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (10)

1.一种考虑施工及养护温度的水稳碎石底基层底拉应力预测方法，该方法包括以下步骤：
1)确定养护温度，记录该养护温度下不同养生龄期后水泥稳定碎石基层各结构层的厚度和抗压回弹模量；
2)以各结构层的厚度和各结构层对应的抗压回弹模量作为设计因素，在各结构层厚度的取值范围内设计多组实验，运用力学计算软件对多组实验的底基层层底拉应力进行计算；
3)以底基层层底拉应力为设计指标，确定出可行的连续施工方案；在可行的连续施工方案中同时以各结构层的厚度和抗压回弹模量为自变量，底基层层底拉应力为因变量，按照有序性将多组实验的底基层层底拉应力的取值划分不同的评价等级；
4)再采用有序变量累积Logit模型，运用数值统计分析软件对数据文件进行计算分析，获得当前养护温度下的不同养生龄期的基于Logit模型的水泥稳定碎石路用性能预测模型。
2.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，在设计多组实验时运用正交试验设计方式进行设计或用响应面法设计。
3.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，确定可行的连续施工方案的方式为：如果底基层层底拉应力小于劈裂强度则可行，认为当前的施工各结构层厚度和抗压回弹模量的组合为可行的连续施工方案。
4.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，步骤3)中按照有序性对层底拉应力的取值划分是指，对确定的可行的连续施工方案对应的层底拉应力按照大小顺序进行排序，然后对最大值和最小值对应的层底拉应力范围进行等级划分，使落在每个等级中的层底拉应力个数大致相同。
5.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述力学分析软件为KENPAVE力学计算软件，数值统计分析软件为Minitab数值统计分析软件。
6.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，在确定当前实际施工的养护温度后，根据所述的预测方法，建立相应养护温度下不同养生龄期的基于Logit模型的水泥稳定碎石路用性能预测模型，根据设计规范输入符合规范范围的各结构层厚度及与养护温度相关的抗压回弹模量，即能直接判断所给定的参数是否能满足水泥稳定碎石路用性能，完成性能预测。
7.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，不同养生龄期的基于Logit模型的水泥稳定碎石路用性能预测模型中包括不同评价等级的Logit模型，若所分评价等级为m，则获得m-1个Logit模型，在预测某组参数数据时，将其代入各个评价等级的Logit模型中，最后一个评价等级的概率值由1减去m-1个评价等级的概率值获得，哪个评价等级的概率值高，则确定当前预测的这组参数数据符合该评价等级。
8.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，各结构层分为上层、下层、底层三层。
9.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述预测方法也适用于不连续施工情况，对于不连续施工时，设计指标为各层的层底拉应力。
10.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述养护温度为0-30℃。
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