CN112461657B - 一种路基土临界破坏应力快速预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种路基土临界破坏应力快速预测方法。首先，对路基土试件进行静三轴试验得到相应工况下的破坏应力，在静三轴试验结果的基础上通过应力水平的选取确定动三轴试验中重复加载时的偏应力，进而获得路基土试件在相应工况下的临界破坏应力。此外，建立综合考虑围压、含水率、相对干密度比、塑性指数权的路基土临界破坏应力预估模型，并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估不同路基土在相应工况下的临界破坏应力值。本发明同时考虑了围压、含水率、相对干密度比、塑性指数权、路基土基本物性参数对路基土临界破坏应力的影响，提高了预估精度与效率，解决了现有预估方法考虑不够全面且预测过程复杂的问题。
Description
技术领域
本发明属于道路工程技术领域，涉及一种路基土临界破坏应力快速预测方法。
背景技术
随着我国经济的快速发展，道路扮演着越来越重要的角色。截止2020年，我国已有15万公里高速公路通车运营，且根据《国家公路网规划(2013-2030年)》的规划目标，到2030年底还将有4万公里高速公路和10万公里普通国道亟待建设。随着交通运输行业的迅速发展，车辆重载和超载的问题越来越突出，进而导致路基在过重荷载情况下易产生过大的永久变形，从而使得路面出现各种病害，如车辙、开裂等。同时，日益改善的生活水平，让人们对道路运营期的安全、舒适和经济等方面提出了更高的要求。所以，道路在使用过程中，必须保持良好的路用性能。
与此同时，作为路面结构层的基础，路基需要有足够的强度和稳定性，才可以在复杂多变的交通和大自然条件下，减小路面出现病害的可能性。截止目前，已有相关研究人员提出，路基土的稳定状态与不稳定状态之间存在着一个临界破坏应力，且当路基土所受应力超出该临界破坏应力时，路基土会出现过大的永久变形，从而引起路面结构的破坏。因此，从设计和运营维护的目的出发，为了避免车辙等道路破坏的情况发生，应尽量使道路所受应力在临界破坏应力范围内，才能达到安全、经济的目的。
目前而言，众多研究人员关于确定不同状态下路基土的临界破坏应力普遍采用的都是耗时耗力的重复加载室内试验。因此，寻找一个合适准确的临界破坏应力预估方法来更快速、精确的预估路基土临界破坏应力是十分必要的。目前，已有部分常用路基土临界破坏应力预估方法，例举如式(1)～(5)：
式中：σcri为临界破坏应力，σ3为围压，α、β为拟合常数。
σcri＝-0.062σ3 2+6.83σ3-136.05 (2)
式中：参数意义同上。
σcri＝23.228σ3exp(-0.0164σ3-3.071Fc) (3)
式中：Fc为细粒含量指标，其它参数意义同上。
式中：ω为实际含水率，ωo为最佳含水率，其它参数意义同上。
式中：a、b、c为拟合常数，其它参数意义同上。
经分析，式(1)～(2)仅考虑了应力状态对路基土临界破坏应力的影响，而忽略了状态变量的影响。式(3)虽然引入了细粒含量指标表征状态变量对路基土临界破坏应力的影响，但其忽略了路基土湿度变化的影响。式(4)～(5)虽然引入了含水率比值对路基土湿度变化进行表征，但其对状态变量影响考虑不够全面，且模型结构普适性不高。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种路基土临界破坏应力快速预测方法，同时考虑了围压、含水率、相对干密度比、塑性指数权、路基土基本物性参数对路基土临界破坏应力的影响，提高了预估精度与效率，解决了现有预估方法对路基土临界破坏应力影响因素考虑不够全面且预测过程复杂耗时的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种路基土临界破坏应力快速预测方法，具体按照以下步骤进行：
步骤a：对路基土试件进行静三轴试验得到相应工况下的破坏应力，随后，在静三轴试验结果的基础上通过应力水平的选取确定动三轴试验中重复加载时的偏应力，进而获得路基土试件在相应工况下的临界破坏应力；
步骤b：在静、动三轴试验结果的基础上，建立综合考虑围压、含水率、相对干密度比、塑性指数权的路基土临界破坏应力预估模型：
其中σcri是临界破坏应力，σ3为围压，Rc为相对干密度比，ωrat为实际含水率与最佳含水率的比值，ωPI为塑性指数权，ωPI＝塑性指数×细粒含量，α1、α2、α3为回归系数；
步骤c：根据步骤a的试验数据拟合得到预估模型参数α1、α2、α3，从而通过步骤b建立的预估模型预测不同路基土在相应工况下的临界破坏应力值。
进一步的，所述步骤c还包括以下步骤：通过路基土的最佳含水率ωOMC、液限wL、塑限wP建立中间变量通过多项式逐次回归的方法，建立中间变量D与预估模型参数α1、α2、α3之间的关系方程，求得给定种类路基土的预估模型参数α1、α2、α3。
进一步的，所述中间变量D与预估模型参数α1、α2、α3之间的关系方程见下式：
其中D为中间变量，X1、X2、X3、X4、Y1、Y2、Y3、Z1、Z2、Z3为与土质有关的常数，α1、α2、α3为回归系数。
进一步的，所述路基土试件的制备方法：将选取的路基土按96％的目标压实度和OMC、1.1OMC、1.2OMC、1.3OMC的目标含水率制备，通过万能液压试验机静压成型，OMC为击实试验所得的最佳含水率。
进一步的，所述静三轴试验采用0.02mm/s的应变速率加载，若试件破坏发生在轴向应变达到15％前，则取其轴向应力峰值点作为破坏应力，若试件在轴向应变达到15％时仍未破坏，则以此时的轴向应力作为破坏应力。
进一步的，所述动三轴试验的荷载形式为半正弦波，频率1Hz，加载时间0.1s，间歇时间0.9s，不同应力水平间歇式加载多次后，得到试件的临界破坏应力值。
本发明的有益效果是：提出的临界破坏应力预估模型同时考虑了代表路基土应力变量(围压)和状态变量(含水率、相对干密度比、塑性指数权)的参量，并且建立了预估模型参数α1、α2、α3与路基土基本物性参数之间的关系方程，实现了仅通过路基土的基本性能试验即可较为准确地对其临界破坏应力进行快速预测，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，具有较高的市场推广价值。
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是本发明实施例预估方法的流程图。
图2是不同含水率和围压条件下的高液限黏土破坏应力值。
图3a是OMC含水率条件下不同围压不同应力水平下的高液限黏土永久变形曲线。
图3b是1.1OMC含水率条件下不同围压不同应力水平下的高液限黏土永久变形曲线。
图3c是1.2OMC含水率条件下不同围压不同应力水平下的高液限黏土永久变形曲线。
图3d是1.3OMC含水率条件下不同围压不同应力水平下的高液限黏土永久变形曲线。
图4是不同含水率和围压条件下的高液限黏土临界破坏应力值。
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。
本发明实施例一种路基土临界破坏应力快速预测方法，具体按照以下步骤进行：
步骤a：首先，对路基土试件进行静三轴试验得到相应工况下的破坏应力。随后，在静三轴试验结果的基础上通过应力水平的选取确定动三轴试验中重复加载时的偏应力，进而获得路基土试件在相应工况下的临界破坏应力。其中，相应工况具体指12kPa、28kPa、42kPa的围压与OMC、1.1OMC、1.2OMC、1.3OMC的含水率；应力水平为重复加载时的偏应力与静三轴试验所得的破坏应力之比。
根据击实试验结果确定的最大干密度和最佳含水率值，将所选取的路基土按96％的目标压实度和OMC、1.1OMC、1.2OMC、1.3OMC的目标含水率制备路基土试件，OMC为击实试验所得的最佳含水率，试件通过万能液压试验机静压成型。静三轴试验采用0.02mm/s的应变速率加载，若试件破坏发生在轴向应变达到15％前，则取其轴向应力峰值点作为破坏应力，若试件在轴向应变达到15％时仍未破坏，则以此时的轴向应力作为破坏应力。动三轴试验的荷载形式为半正弦波，频率1Hz，加载时间0.1s，间歇时间0.9s，不同应力水平间歇式加载多次后，得到试件的临界破坏应力值。
步骤b：为直观地反映出路基土应力变量和状态变量对路基土临界破坏应力的影响，在静、动三轴试验结果的基础上，建立综合考虑围压、含水率、相对干密度比、塑性指数权的路基土临界破坏应力预估模型：
其中σcri为临界破坏应力，σ3为围压，Rc为相对干密度比(即路基土试件实际干密度与最大干密度的比值)，ωrat为实际含水率与最佳含水率的比值，ωPI为塑性指数权，ωPI＝塑性指数×细粒含量，细粒含量即0.075mm筛通过率，α1、α2、α3为回归系数。指数形式的模型结构更适用于路基土临界破坏应力的拟合，且引入了相对干密度比与塑性指数权同含水率比值结合用以表征状态变量的影响，同时给塑性指数权加1，以保护模型的有效性。本发明所建模型不仅考虑因素相较以往模型更加全面，且结构简单，变量意义明确，对路基土的临界破坏应力可以进行快速且准确的预估。
步骤c：根据步骤a的试验数据拟合得到预估模型参数α1、α2、α3；本实施例中通过路基土的三个基本物性参数(最佳含水率ωOMC、液限wL、塑限wP)建立中间变量并采用EXCEL软件通过多项式逐次回归的方法，建立中间变量D与预估模型参数α1、α2、α3之间的关系方程，见下式：
其中D为中间变量，R2是相关性系数，α1、α2、α3为回归系数。
步骤d：通过步骤c建立的关系方程求得给定种类路基土的预估模型参数α1、α2、α3，从而通过步骤b建立的预估模型预测不同路基土在相应工况下的临界破坏应力值。
实施例
一种路基土临界破坏应力快速预测方法，流程如图1所示，具体按照以下步骤进行：以取自湖南长沙的高液限黏土制作路基土试件，基本物性参数见表1：
表1高液限黏土的物理性质指标
步骤a：根据击实试验结果确定的最大干密度和最佳含水率值，将所选取的路基土按96％的目标压实度和OMC、1.1OMC、1.2OMC、1.3OMC的目标含水率制备路基土试件，试件尺寸为10cm×20cm(直径×高度)，通过万能液压试验机静压成型。静三轴试验采用0.02mm/s的应变速率加载，若试件破坏发生在轴向应变达到15％前，则取其轴向应力峰值点作为破坏应力，若试件在轴向应变达到15％时仍未破坏，则以此时的轴向应力作为破坏应力。本发明在OMC,1.1OMC,1.2OMC,1.3OMC含水率和12,28,42kPa围压条件下的高液限黏土静三轴试验破坏应力结果如图2所示。随后，动三轴试验的荷载形式为半正弦波，频率1Hz，加载时间0.1s，间歇时间0.9s。在同种工况下，以0.6倍的应力水平为起始应力水平进行10000次循环加载次数的动三轴试验。若加载结束后，试件未进入增量崩溃阶段，则增加0.1倍的应力水平进行同工况下试件的10000次循环加载的动三轴试验，直至试件进入增量崩溃阶段；若试件进入增量崩溃阶段，则减少0.1倍的应力水平进行动三轴试验，直至试件在10000次循环加载下不会出现增量崩溃阶段，此时的应力水平定义为临界应力水平。高液限黏土动三轴试验在不同应力水平下的永久变形结果如图3a～3d所示。通过临界应力水平的测定进而得到相应工况下试件的临界破坏应力，结果如图4所示，其中，应力水平为重复加载时的偏应力与静三轴试验所得的破坏应力之比。
步骤b：为直观地反映出路基土应力变量和状态变量对路基土临界破坏应力的影响，根据步骤a中的图2-4所示结果，建立综合考虑围压、含水率、相对干密度比、塑性指数权的路基土临界破坏应力预估模型：
其中σcri为临界破坏应力，σ3为围压，Rc为相对干密度比，ωrat为实际含水率与最佳含水率的比值，ωPI为塑性指数权，ωPI＝塑性指数×细粒含量，α1、α2、α3为回归系数。
步骤c：根据步骤a的试验数据拟合得到预估模型参数α1、α2、α3，如表2所示，相关系数高达0.90，表明本发明预估模型预测精度高。
表2预估模型参数统计表
| α1 | α2 | α3 | R2 |
| 4888.453 | 0.146 | -2.599 | 0.90 |
采用廖化荣、肖军华、穆锐、梁多伟、张沛云等人的试验数据对本发明所建立的预估模型进行验证，验证结果如表3所示，可知本预估模型较好地耦合了他们的试验数据，相关系数较高，证明本发明建立的预估模型是合理的。所验证的路基土包括取自中国南方地区的红黏土、兰州地区的黄土、山东地区的粉土以及埃塞俄比亚地区的砾砂改良土，路基土范围覆盖广泛，证明本发明所建立的预估模型可推广应用于其他路基土，以及相同路基土在其它工况下的临界破坏应力预估，且具有较高的预估精度。
表3本发明预估模型验证结果
随后，选取实施例中六种路基土的三个基本物性参数：最佳含水率ωOMC、液限wL、塑限wP同时与预估模型参数进行回归，回归过程较为复杂繁琐，故通过中间变量D将三个基本物性参数统一为一个变量，将三个基本物性参数与预估模型参数α1、α2、α3建立联系，并采用EXCEL软件通过多项式逐次回归的方法，建立中间变量与预估模型参数α1、α2、α3之间的关系方程，见下式：
其中D为中间变量，R2是相关性系数，α1、α2、α3为回归系数。
步骤d：通过步骤c建立的关系方程求得给定种类路基土的预估模型参数α1、α2、α3，从而通过步骤b建立的预估模型预估不同路基土在各工况下的临界破坏应力值。不难看出，在得到模型参数后便可实现仅通过路基土基本物性参数对临界破坏应力值的快速预测。
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 (5)
1.一种路基土临界破坏应力快速预测方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：
步骤a：对路基土试件进行静三轴试验得到相应工况下的破坏应力，随后，在静三轴试验结果的基础上通过应力水平的选取确定动三轴试验中重复加载时的偏应力，进而获得路基土试件在相应工况下的临界破坏应力；
步骤b：在静、动三轴试验结果的基础上，建立综合考虑围压、含水率、相对干密度比、塑性指数权的路基土临界破坏应力预估模型：
其中σcri是临界破坏应力，σ3为围压，Rc为相对干密度比，ωrat为实际含水率与最佳含水率的比值，ωPI为塑性指数权，ωPI＝塑性指数×细粒含量，α1、α2、α3为回归系数；
步骤c：根据步骤a的试验数据拟合得到预估模型参数α1、α2、α3，从而通过步骤b建立的预估模型预测不同路基土在相应工况下的临界破坏应力值；
所述步骤c还包括以下步骤：通过路基土的最佳含水率ωOMC、液限wL、塑限wP建立中间变量通过多项式逐次回归的方法，建立中间变量D与预估模型参数α1、α2、α3之间的关系方程，求得给定种类路基土的预估模型参数α1、α2、α3。
2.根据权利要求1所述的一种路基土临界破坏应力快速预测方法，其特征在于，所述中间变量D与预估模型参数α1、α2、α3之间的关系方程见下式：
其中D为中间变量，X1、X2、X3、X4、Y1、Y2、Y3、Z1、Z2、Z3为与土质有关的常数，α1、α2、α3为回归系数。
3.根据权利要求1所述的一种路基土临界破坏应力快速预测方法，其特征在于，所述路基土试件的制备方法：将选取的路基土按96％的目标压实度和OMC、1.1OMC、1.2OMC、1.3OMC的目标含水率制备，通过万能液压试验机静压成型，OMC为击实试验所得的最佳含水率。
4.根据权利要求1所述的一种路基土临界破坏应力快速预测方法，其特征在于，所述静三轴试验采用0.02mm/s的应变速率加载，若试件破坏发生在轴向应变达到15％前，则取其轴向应力峰值点作为破坏应力，若试件在轴向应变达到15％时仍未破坏，则以此时的轴向应力作为破坏应力。
5.根据权利要求1所述的一种路基土临界破坏应力快速预测方法，其特征在于，所述动三轴试验的荷载形式为半正弦波，频率1Hz，加载时间0.1s，间歇时间0.9s，不同应力水平间歇式加载多次后，得到试件的临界破坏应力值。
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