CN112347630B - 基于湿度和应力的建筑废弃物路基填料永久变形预估方法 - Google Patents

基于湿度和应力的建筑废弃物路基填料永久变形预估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于湿度和应力的建筑废弃物路基填料永久变形预估方法，具体为：使用滤纸法测定建筑废弃物的初始基质吸力，建立土水特征曲线；制备建筑废弃物材料试件，开展动三轴试验，得到模拟不同工况的试件的永久变形值；建立路基永久变形对数预估模型；根据动三轴试验数据拟合得到预估模型参数，从而通过建立的预估模型预测建筑废弃物路基填料的永久变形值。本发明预估精度高，拟合效果更好，模型物理意义明确、结构简单、参数少，解决了现有技术中存在的问题。

Description

基于湿度和应力的建筑废弃物路基填料永久变形预估方法
技术领域
本发明属于道路工程技术领域，涉及一种基于湿度和应力的建筑废弃物路基填料永久变形预估方法。
背景技术
随着城市化进程的加快，建筑废弃物的数量急剧增加，绝大多数未经处理的建筑废弃物被直接倾倒在垃圾填埋场，造成了严重的环境问题和资源损失。因此，近年来，建筑废弃物的回收、处置和再利用在世界范围内已逐渐成为一个紧迫的普遍性问题。据统计，中国的建筑废弃物正以每年2.4～3.6亿吨的速度快速增长，然而回收率却不到10％，与其他国家(如丹麦94％，日本65％)相比相差甚远。这意味着急需加快对建筑废弃物回收再利用进度，并且需要一个可持续的解决方案。此外，随着天然道路填料总量的逐渐减少和交通行业的快速发展，天然道路材料的需求量急剧增加。因此，回收利用建筑废弃物作为一种更有价值和可持续的公路建设替代品，不仅可以解决环境污染问题，并且可以缓解道路材料的短缺，取得显著的经济效益。
作为建筑废弃物材料的一项重要性能，建筑废弃物的永久变形一直是道路研究人员不断探索的一大课题。长期以来，因为面层、基层和底基层的高成本，以及频繁维修的窘境，许多研究主要集中在探索建筑废弃物作为可替代路面材料的永久变形。然而，建筑废弃物材料强度较低，只能部分替代路面骨料。与此同时，路基不仅有着较高的耗土量，对填料强度的要求更是低于路面，且控制路基填料的永久变形可以有效防止路面结构的过早破坏。因此，进一步综合研究路基建筑废弃物填料的永久变形特性具有重要意义。
考虑到多数室内试验费用昂贵、耗时长且需要专业人员进行操作，寻找合适准确的模型来更好的预测永久变形是十分必要的。目前，已有部分常用路基填料永久变形预估模型，例举如式(1)～式(7)：
Figure BDA0002754440300000011
式中，εp为永久变形值，N为加载次数，α1、α2为回归系数。
Figure BDA0002754440300000027
式中，p为比例因子，β为形状因子，ε0为回归系数，e为常数，其他意义同上。
Figure BDA0002754440300000021
式中，a、b、c为回归系数，其他意义同上。
Figure BDA0002754440300000022
式中，σoct为体应力，σoct＝3σ3+σd，σ3为围压，σd为偏应力，τoct为八面体剪应力，
Figure BDA0002754440300000023
σ1为主应力，σatm为参考应力，一般为大气压强(100kPa)，α1、α2、α3、α4回归系数，其他意义同上。
Figure BDA0002754440300000024
式中，τ为剪应力，τf为正常状态下的最大剪应力，ρopt为最佳含水率时的最大干密度，ω为含水率，ρ为初始干密度，ωPI为塑性指数，ωopt表示最佳含水率，a、b、c、d、g、h、i为回归系数，其他意义同上。
Figure BDA0002754440300000025
式中，j2为偏应力张量的第二不变量，I1为应力张量的第一个不变量，c.表示粘聚力，φ表示摩擦角，p、β、m、n为回归系数，其他意义同上。
Figure BDA0002754440300000026
式中，η为动态偏应力与最大静态偏应力之比，s1、s2、t1、t2为回归系数，其他意义同上。
经分析，式(1)-(3)仅考虑循环加载次数对永久变形的影响。式(4)、(6)综合反映了永久变形的应力状态和循环加载次数。然而，它们忽略了湿度变化的影响。式(5)和(7)虽然考虑了湿度变化对永久变形的影响，但更多的颗粒性能参数增加了模型的复杂性，使得试验量大且易出现误差，影响预测精度。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种基于湿度和应力状态的建筑废弃物路基填料永久变形预估方法，预估精度高，拟合效果更好，模型物理意义明确、结构简单、参数少，解决了现有技术中存在的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种基于湿度和应力状态的建筑废弃物路基填料永久变形预估方法，具体按照以下步骤进行：
步骤a：使用滤纸法测定建筑废弃物的初始基质吸力，建立土水特征曲线；
步骤b：制备建筑废弃物材料试件，开展动三轴试验，得到模拟不同工况的试件的永久变形值；
步骤c：将行车荷载对建筑废弃物填料的剪切效应从体应力中分离出来，提出了净体应力，并用净体应力替代体应力作为建筑废弃物路基填料永久变形预估模型的变量；揭示了建筑废弃物路基填料的永久变形同加载次数、净体应力、八面体剪应力、初始基质吸力之间的变化规律，在此基础上建立路基永久变形对数预估模型，见下式：
Figure BDA0002754440300000031
其中，εp为永久变形值，N为加载次数，σpure为净体应力，σpure＝σoct-σd＝3σ3，体应力σoct＝3σ3+σd，σ3为围压，σd为偏应力，τoct为八面体剪应力，
Figure BDA0002754440300000032
σ1为主应力，ψ为初始基质吸力，σatm为参考应力，一般为大气压强(100kPa)，α1、α2、α3、α4为回归系数。
进一步的，所述步骤a中，依据96％的目标压实度和0.7OMC、0.8OMC、0.9OMC、OMC、1.1OMC、1.2OMC、1.3OMC的含水率制备直径为6.18cm、高度为2cm的试件；描述土水特征曲线的Van-Genuchten模型如式(9)所示：
Figure BDA0002754440300000033
其中，θ为体积含水率，θs为饱和体积含水率，θr为残余体积含水率，ψ为初始基质吸力，a、n、m为回归系数。
进一步的，所述步骤b中，依据建筑废弃物填料粒径范围制备15cm×30cm的试件；根据击实试验所得的建筑废弃物填料的最大干密度和最佳含水率，制备96％目标压实度及0.9OMC、OMC、1.1OMC含水率的试件；荷载形式为半正弦波，频率lHz，加载时间0.2s，间歇时间0.8s；围压选取12kPa、28kPa、42kPa，偏应力选取28kPa、48kPa、69kPa，间歇式加载多次后，得到试件永久变形值。
进一步的，所述步骤c中，基于建筑废弃物填料初始基质吸力与永久变形的对数表现形式，且为了防止初始基质吸力变量小于或等于0，本文建立了对数函数关系方程且加入e于该变量中以保护模型的有效性，体现形式为
Figure BDA0002754440300000041
本发明的有益效果是：综合考虑建筑废弃物路基填料的湿度和应力状态变化对其永久变形的影响，建立了新的路基永久变形预估模型。其中，利用相关度更高的初始基质吸力替代含水率来表征建筑废弃物填料湿度状态的变化，并选用净体应力和八面体剪应力来分别反映建筑废弃物填料在行车荷载作用下的侧限约束作用和剪切效应，避免体应力一个变量中同时反映约束作用和剪切效应的不足。且模型物理意义明确、结构简单、参数少，仅需借助常规拟合软件即可获取模型参数。实际应用中仅需要进行建筑废弃物的初始基质吸力试验，即可较为准确地对不同应力状态下建筑废弃物永久变形值进行预测，大大减少了试验耗时，降低了试验难度，并为不具备三轴试验条件的单位提供了明显的工程便利，易于推广应用，具有较高的市场推广价值。
此外，本发明的预估方法降低了试验成本，也为“绿色交通”环境下再生材料在道路工程中的应用提供较好的指导和建议，具有明显的经济效益与社会效益。
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是本发明实施例中方法的流程图。
图2是基质吸力同体积含水率关系图。
图3a是28kPa围压、28kPa偏应力下永久变形值与加载次数关系图。
图3b是28kPa围压、48kPa偏应力下永久变形值与加载次数关系图。
图3c是28kPa围压、69kPa偏应力下永久变形值与加载次数关系图。
图4a是12kPa围压下10000次加载次数后的永久变形值与偏应力关系图。
图4b是28kPa围压下10000次加载次数后的永久变形值与偏应力关系图。
图4c是42kPa围压下10000次加载次数后的永久变形值与偏应力关系图。
图5a是12kPa围压下10000次加载次数后的永久变形值与初始基质吸力关系图。
图5b是28kPa围压下10000次加载次数后的永久变形值与初始基质吸力关系图。
图5c是42kPa围压下10000次加载次数后的永久变形值与初始基质吸力关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，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。
本发明的预估模型不仅较全面地考虑了建筑废弃物路基填料永久变形的影响因素，能够准确的预估永久变形值，且模型参数少，易于确定。选取初始基质吸力更好的反映建筑废弃物填料湿度状态的变化。同时，提出净体应力表示建筑废弃物填料在行车荷载作用下的侧限约束作用，选用八面体剪应力反映建筑废弃物填料在行车荷载作用下的剪切效应，避免体应力一个变量中同时反映约束作用和剪切效应的不足。
本发明实施例一种基于湿度和应力状态的建筑废弃物路基填料永久变形预估方法，如图1所示，综合考虑了建筑废弃物填料的湿度和应力状态，可用于建筑废弃物填料永久变形的预估，具体按照以下步骤进行：
步骤a：使用滤纸法测定建筑废弃物的初始基质吸力，依据96％的目标压实度和0.7OMC、0.8OMC、0.9OMC、OMC、1.1OMC、1.2OMC、1.3OMC的含水率制备直径为6.18cm、高度为2cm的试件；其中，OMC表示最佳含水率，0.9OMC、OMC、1.1OMC是模拟现场路基可能的湿度变化范围，在最佳含水率干侧增加0.7OMC、0.8OMC，在最佳含水率湿侧增加1.2OMC、1.3OMC是为了增加试验样本数据。试验完成之后建立土水特征曲线，并选用Van-Genuchten模型描述建筑废弃物的土水特征曲线，土水特征曲线模型如式(8)所示：
Figure BDA0002754440300000051
其中，θ为体积含水率，θs为饱和体积含水率，θr为残余体积含水率，ψ为初始基质吸力，a、n、m为回归系数。
步骤b：制备建筑废弃物材料试件，开展动三轴试验，得到模拟不同工况的试件的永久变形值；依据建筑废弃物填料粒径范围制备15cm×30cm的试件。根据击实试验所得的建筑废弃物填料的最大干密度和最佳含水率，制备96％目标压实度及0.9OMC、OMC、1.1OMC含水率的试件；荷载形式为半正弦波，频率lHz，加载时间0.2s，间歇时间0.8s；围压选取12kPa、28kPa、42kPa，偏应力选取28kPa、48kPa、69kPa，以第10000次加载后的结果作为试件永久变形值。得到不同加载次数、围压、偏应力和初始基质吸力条件下建筑废弃物填料的永久变形值。
步骤c：将行车荷载对建筑废弃物填料的剪切效应从体应力中分离出来，提出了净体应力(即σpure＝σoct-σd＝3σ3)，并用净体应力替代体应力作为建筑废弃物填料永久变形预估模型的变量。同时，为了防止初始基质吸力变量小于或等于0，本文加入e于该变量中以保护模型的有效性，体现形式为
Figure BDA0002754440300000061
揭示了建筑废弃物填料的永久变形同加载次数、净体应力、八面体剪应力、初始基质吸力之间的变化规律，在此基础上建立路基永久变形对数预估模型，见下式：
Figure BDA0002754440300000062
其中，εp为永久变形值，N为加载次数，σpure为净体应力，σpure＝σoct-σd＝3σ3，体应力σoct＝3σ3+σd，σ3为围压，σd为偏应力，τoct为八面体剪应力，
Figure BDA0002754440300000063
σ1为主应力，ψ为初始基质吸力，σatm为参考应力，一般为大气压强(100kPa)，α1、α2、α3、α4为回归系数。本发明采用ln(εp)形式更适用于建筑废弃物路基填料的永久变形预测，模型参数少，降低了拟合误差，预估精度更好，拟合效果更好，且物理意义明确、结构简单。
实施例
以取自北京首都环线高速公路(大兴～通州段)建筑废弃物填筑高速公路路基试验段的建筑废弃物填料来演示本发明的具体实施过程，基本物理参数见表1。
表1建筑废弃物路基填料基本物理参数
Figure BDA0002754440300000071
步骤a：依据96％的目标压实度和0.7OMC、0.8OMC、0.9OMC、OMC、1.1OMC、1.2OMC、1.3OMC的含水率制备直径为6.18cm、高度为2cm的试件，使用滤纸法测定每个试件的初始基质吸力值，结果如图2所示。试验完成之后选用Van-Genuchten模型，即式(8)，描述建筑废弃物的土水特征曲线，得到相应的模型参数和预测精度，如表2所示。
Figure BDA0002754440300000072
其中，θ为体积含水率，θs为饱和体积含水率，θr为残余体积含水率，ψ为初始基质吸力，a、n、m为回归系数。
表2 Van-Genuchten模型参数
a n m R<sup>2</sup>
0.225 24.683 0.008 0.98
其中，表2中R2是预测精度。
步骤b：依据建筑废弃物填料粒径范围制备15cm×30cm的试件。根据击实试验所得的建筑废弃物填料的最大干密度和最佳含水率，制备96％目标压实度及0.9OMC、OMC、1.1OMC含水率的试件。动三轴试验中，荷载形式为半正弦波，频率lHz，加载时间0.2s，间歇时间0.8s。围压选取12kPa、28kPa、42kPa，偏应力选取28kPa、48kPa、69kPa，以第10000次加载后的结果作为试件永久变形值。得到不同加载次数、围压、偏应力和初始基质吸力条件下建筑废弃物填料的永久变形值。不同含水率的建筑废弃物填料在特定围压、偏应力作用后，永久变形值随加载次数的变化关系，如图3a-3c；不同含水率的建筑废弃物填料在特定围压、加载次数作用后，永久变形值随偏应力的变化关系，如图4a-4c；不同偏应力作用后的建筑废弃物填料在特定围压、加载次数作用后，永久变形值随初始基质吸力的变化关系，如图5a-5c。图3a-5c反映建筑废弃物永久变形值同加载次数、围压、偏应力、初始基质吸力的变化规律，在此基础上构建建筑废弃物永久变形对数预估模型。
步骤c：预估模型中的变量为加载次数、净体应力、八面体剪应力和初始基质吸力。其中，初始基质吸力用来表征建筑废弃物填料的湿度状态变化，净体应力和八面体剪应力分别用来表征建筑废弃物填料在行车荷载下的侧限约束作用和剪切效应(即表征应力状态)，每个参量对应一个回归系数。预估模型见下式：
Figure BDA0002754440300000081
其中，εp为永久变形值，N为加载次数，σpure为净体应力，σpure＝σoct-σd＝3σ3，体应力σoct＝3σ3+σd，σ3为围压，σd为偏应力，τoct为八面体剪应力，
Figure BDA0002754440300000082
σ1为主应力，ψ为初始基质吸力，σatm为参考应力，一般为大气压强(100kPa)，α1、α2、α3、α4为回归系数。
根据永久变形试验数据第1000、2000、3000、4000、5000、6000、7000、8000、9000、10000次加载后的试验结果对新的预估模型进行拟合获取模型参数α1、α2、α3、α4，此拟合步骤是现有技术，结果如表3所示。从表中可知，预估模型的相关系数R2为0.92，本发明模型精度高于现有技术(申请号201610840586.1的发明专利一种细粒土路基永久变形预估方法)公开的预估模型。
表3新模型参数统计表
α<sub>1</sub> α<sub>2</sub> α<sub>3</sub> α<sub>4</sub> R<sup>2</sup>
0.529 -1.991 0.769 -3.548 0.92
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
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 (3)

1.一种基于湿度和应力的建筑废弃物路基填料永久变形预估方法，具体按照以下步骤进行：
步骤a：使用滤纸法测定建筑废弃物的初始基质吸力，建立土水特征曲线；
步骤b：制备建筑废弃物材料试件，开展动三轴试验，得到模拟不同工况的试件的永久变形值；
步骤c：将行车荷载对建筑废弃物填料的剪切效应从体应力中分离出来，用净体应力替代体应力作为建筑废弃物路基填料永久变形预估模型的变量，建立路基永久变形对数预估模型：
Figure FDA0002754440290000011
其中，εp为永久变形值，N为加载次数，σpure为净体应力，σpure＝σoct-σd＝3σ3，体应力σoct＝3σ3+σd，σ3为围压，σd为偏应力，τoct为八面体剪应力，
Figure FDA0002754440290000012
σ1为主应力，ψ为初始基质吸力，σatm为参考应力，为大气压强，α1、α2、α3、α4为模型参数；
步骤d：根据步骤b的试验数据拟合得到预估模型参数α1、α2、α3、α4，从而通过步骤c建立的预估模型预测建筑废弃物路基填料的永久变形值。
2.根据权利要求1所述的一种基于湿度和应力的建筑废弃物路基填料永久变形预估方法，其特征在于，所述步骤a中，依据96％的目标压实度和0.7OMC、0.8OMC、0.9OMC、OMC、1.1OMC、1.2OMC、1.3OMC含水率制备试件；描述土水特征曲线的Van-Genuchten模型：
Figure FDA0002754440290000013
其中，θ为体积含水率，θs为饱和体积含水率，θr为残余体积含水率，ψ为初始基质吸力，a、n、m为回归系数。
3.根据权利要求1所述的一种基于湿度和应力的建筑废弃物路基填料永久变形预估方法，其特征在于，所述步骤b中，开展动三轴试验，荷载形式为半正弦波，频率lHz，加载时间0.2s，间歇时间0.8s，以第10000次加载后的结果作为试件永久变形值。
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