CN113326555A - 一种基土永久变形的快速预估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种路基土永久变形的快速预估方法，包括：开展击实试验测定路基土的干密度和含水率；制备路基土试样，进行动三轴试验，得到不同工况条件下的试样永久变形值；建立基于加载状态变量和物理状态变量的路基土永久变形预估模型；根据试样永久变形值拟合得到预估模型参数，基于所述预估模型参数和所述路基土永久变形预估模型得到路基土的永久变形值；如此，综合考虑路基土加载状态变量和物理状态变量对其永久变形的影响，建立了适用性广泛的路基土永久变形预估模型，并解决了现有永久变形预估模型无法同时考虑路基土的加载状态变量和物理状态变量的问题；同时，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。

Description

一种基土永久变形的快速预估方法

技术领域

本发明涉及道路工程技术领域，涉及一种基土永久变形的快速预估方法。

背景技术

随着我国经济社会的快速发展，公路的建设问题也迎来机遇与挑战。在我国道路工程中一直存在着“重路面，轻路基”的现象，而实际路基工程问题证明，路基土体的稳定性在整个道路工程建设中起着至关重要的作用。因此，作为表征路基土稳定性的重要性能，路基土的永久变形一直是道路研究人员不断探索的一大课题。

路基土的永久变形是随重复加载次数的增加而产生的。通常而言，室内三轴试验是一种普遍认可的测定永久变形的方法。然而，考虑到三轴试验的成本较高，耗时较长，并且需要专业的人员进行操作。因此，我们希望通过一个合理的预估模型来预测路基土在不同条件下的永久变形。目前而言，国内外学者对循环荷载作用下路基土的永久变形预估通常采用两种方法，一是建立较为复杂的本构模型来模拟每一个循环过程，这种方法在计算过程中需要记忆每一循环过程所产生的屈服面，计算量很大，在工程中难以普遍推广应用。二是经验拟合法，其思想是通过室内外试验数据，建立永久变形同影响因素间关系的拟合方程，由此得到的永久变形经验模型计算简便，在实际工程中被广泛应用。目前，已有部分常用路基土的永久变形预估模型，例举如式(1)～式(5)：

式中，ε_p为永久变形值，N为加载次数，α1、α2为回归系数。

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。

式中，σ₃为围压，σ_atm为参考应力，一般为大气压强(100kPa)，α1、α2、α3为模型参数，其他意义同上。

式中，σ_d为偏应力，M_r为回弹模量，α1、α2、α3为模型参数，其他意义同上。

式中，u_m为基质吸力，DDR为干密度比，WPI为塑性指数权，α1、α2、α3、α4为模型参数，其他意义同上。

然而，目前的许多经验预估模型仍有许多不足之处。举个例子，式(1)-(2)仅考虑了循环加载次数对永久变形的影响。式(3)-(4)虽然综合反映了围压、偏应力、回弹模量等加载状态变量和路基土力学参数对永久变形的影响，但考虑因素不够全面，且忽略了物理状态变量的影响。同样的，式(5)虽然考虑了物理状态变量对永久变形的影响，但其对加载状态变量的影响不够重视。在实际工程中，这些因素对路基土永久变形的影响往往是不容忽略的。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种路基土永久变形的快速预估方法，模型适用性强、物理意义明确、结构简单、参数少，并解决了现有技术中存在的问题。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供了一种路基土永久变形的快速预估方法，所述方法包括：

开展击实试验测定路基土的干密度和含水率；

制备路基土试样，进行动三轴试验，得到不同工况条件下的试样永久变形值；

建立基于加载状态变量和物理状态变量的路基土永久变形预估模型；

根据所述试样永久变形值拟合得到预估模型参数，基于所述预估模型参数和所述路基土永久变形预估模型得到路基土的永久变形值。

优选地，所述路基土永久变形预估模型为：

式中，ε_p为永久变形值，σ₃为围压，σ_d为偏应力，f为加载频率，N为加载次数，ω_rat为实际含水率与最佳含水率的比值，ρ_opt为最佳含水率时的最大干密度，σ_atm为参考应力，k₁、k₂、k₃、k₄、k₅、k₆为预估模型参数。

优选地，所述开展击实试验测定路基土的干密度和含水率，包括：

选用干土法进行击实试验，选取8％、10％、12％、14％、16％含水率作为击实试样的预设含水率，闷料一夜后，进行轻型击实，击实层数为3层，每层击实次数为27次；

当击实完成后使用推土器推出筒内试样，从试样中心处取代表性的土样测其含水率，计算至0.1％，其中，所述干密度的计算为：

式中，ρ_d为干密度值，ρ为湿密度，ω为实际含水率。

优选地，所述制备路基土试样，包括：

制备直径10cm、高度20cm的路基土试样，根据所述干密度和所述含水率，制备96％目标压实度及OMC、1.1OMC、1.2OMC含水率的试样。

优选地，所述进行动三轴试验，得到不同工况条件下的试样永久变形值，包括：

进行动三轴试验，其中，动三轴试验中荷载形式为半正弦波，加载时间为0.2s，频率选取0.5Hz、1Hz、2Hz，以第10000次加载后的结果作为试样永久变形值。

优选地，所述k₁为0.015，所述k₂为-2.047，所述k₃为0.628，所述k₄为0.411，所述k₅为0.0127，所述k₆为6.327。

本发明实施例提供了一种路基土永久变形的快速预估方法，所述方法包括：开展击实试验测定路基土的干密度和含水率；制备路基土试样，进行动三轴试验，得到不同工况条件下的试样永久变形值；建立基于加载状态变量和物理状态变量的路基土永久变形预估模型；根据所述试样永久变形值拟合得到预估模型参数，基于所述预估模型参数和所述路基土永久变形预估模型得到路基土的永久变形值；如此，综合考虑路基土加载状态变量和物理状态变量对其永久变形的影响，建立了适用性广泛的路基土永久变形预估模型，并解决了现有永久变形预估模型无法同时考虑路基土的加载状态变量和物理状态变量的问题；同时，该模型物理意义明确、结构简单，在实际应用中仅需要进行路基土的击实试验即可较为准确地对不同条件下路基土的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，具有较高的市场推广价值。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种路基土永久变形的快速预估方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种路基土永久变形的快速预估方法的低液限粉土的击实曲线图；

图3为本发明实施例提供的一种路基土永久变形的快速预估方法的48kPa偏应力、OMC含水率、1Hz频率条件下低液限粉土在不同围压(12kPa、28kPa、42kPa)下的永久变形曲线；

图4为本发明实施例提供的一种路基土永久变形的快速预估方法的28kPa围压、OMC含水率、1Hz频率条件下低液限粉土在不同偏应力(28kPa、48kPa、69kPa)下的永久变形曲线；

图5为本发明实施例提供的一种路基土永久变形的快速预估方法的28kPa围压、48kPa偏应力、1Hz频率条件下低液限粉土在不同含水率(OMC、1.1OMC、1.2OMC)下的永久变形曲线；

图6为本发明实施例提供的一种路基土永久变形的快速预估方法的28kPa围压、48kPa偏应力、OMC含水率条件下低液限粉土在不同频率(0.5Hz、1Hz、2Hz)下的永久变形曲线。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本发明实施例提供了一种路基土永久变形的快速预估方法，所述方法包括：

步骤S1：开展击实试验测定路基土的干密度和含水率；

步骤S2：制备路基土试样，进行动三轴试验，得到不同工况条件下的试样永久变形值；

步骤S3：建立基于加载状态变量和物理状态变量的路基土永久变形预估模型；

步骤S4：根据所述试样永久变形值拟合得到预估模型参数，基于所述预估模型参数和所述路基土永久变形预估模型得到路基土的永久变形值。

在一实施方式中，所述路基土永久变形预估模型为：

式中，ε_p为永久变形值，σ₃为围压，σ_d为偏应力，f为加载频率，N为加载次数，ω_rat为实际含水率与最佳含水率的比值，ρ_opt为最佳含水率时的最大干密度，σ_atm为参考应力，k₁、k₂、k₃、k₄、k₅、k₆为预估模型参数。

这里，k₁为预估模型调整系数、k₂为反映永久变形值随不同围压变化的模型项系数、k₃为反映永久变形值随不同偏应力变化的模型项系数、k₄为反映永久变形值随不同加载频率变化的模型项系数、k₅为反映永久变形值随不同加载次数变化的模型项系数、k₆为反映永久变形值随不同物理状态变量(ω_rat、ρ_opt)变化的模型项系数，k₁至k₆基于三轴试验结果分别反映了预估模型中每个模型项同永久变形值之间的变化关系。此外，k₁至k₆是预估模型的组成成分之一，表征着公式中每一个变量项的相应反映。

在一实施方式中，所述开展击实试验测定路基土的干密度和含水率，包括：

选用干土法进行击实试验，选取8％、10％、12％、14％、16％含水率作为击实试样的预设含水率，闷料一夜后，进行轻型击实，击实层数为3层，每层击实次数为27次；

当击实完成后使用推土器推出筒内试样，从试样中心处取代表性的土样测其含水率，计算至0.1％，其中，所述干密度的计算为：

式中，ρ_d为干密度值，ρ为湿密度，ω为实际含水率。

这里，以干密度为纵坐标，含水率为横坐标，绘制干密度与含水率的关系曲线，曲线上峰值点的纵、横坐标分别为最大干密度和最佳含水率。

在一实施方式中，所述制备路基土试样，包括：

制备直径10cm、高度20cm的路基土试样，根据所述干密度和所述含水率，制备96％目标压实度及OMC、1.1OMC、1.2OMC含水率的试样。

这里，制备10cm(直径)×20cm(高度)的路基土试样，并根据击实试验所得的路基土的最大干密度和最佳含水率，制备96％目标压实度及OMC、1.1OMC、1.2OMC含水率的试样；动三轴试验中荷载形式为半正弦波，加载时间为0.2s，频率选取0.5Hz、1Hz、2Hz，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样永久变形值。得到不同加载状态变量(围压、偏应力、加载频率、加载次数)和物理状态变量(含水率、干密度)条件下路基土的永久变形值。

在一实施方式中，所述进行动三轴试验，得到不同工况条件下的试样永久变形值，包括：

进行动三轴试验，其中，动三轴试验中荷载形式为半正弦波，加载时间为0.2s，频率选取0.5Hz、1Hz、2Hz，以第10000次加载后的结果作为试样永久变形值。

在一实施方式中，所述k₁为0.015，所述k₂为-2.047，所述k₃为0.628，所述k₄为0.411，所述k₅为0.0127，所述k₆为6.327。

这里，所述k₁为0.015，所述k₂为-2.047，所述k₃为0.628，所述k₄为0.411，所述k₅为0.0127，所述k6为6.327，输入对应模型项值，例如围压为28kPa、偏应力为48kPa、加载频率为1、加载次数为10000次、ω_rat＝1、ρ_opt＝1，即可通过预估模型公式快速得到相应工况下的永久变形值。

下面通过具体实施例来对本发明实施例提供了一种路基土永久变形的快速预估方法作进一步说明。

实施例

土样采自郑州某高速公路施工场地，其基本物理力学参数如表1所示。根据《土工试验规程》定名为低液限粉土。

表1

步骤a：选用干土法进行击实试验。选取8％、10％、12％、14％、16％含水率作为击实试样的预设含水率，闷料一夜后，进行轻型击实，击实层数为3层，每层击实次数为27次。当击实完成后使用推土器推出筒内试样，从试样中心处取代表性的土样测其含水率，计算至0.1％。并按下式进行相应干密度的计算：

式中，ρ_d为干密度值，ρ为湿密度，ω为实际含水率。

击实结果请参阅2所示。随后，以干密度为纵坐标，含水率为横坐标，绘制干密度与含水率的关系曲线，曲线上峰值点的纵、横坐标分别为最大干密度和最佳含水率，结果如图2所示，最佳含水率为11.96％，最大干密度为1.87g/cm3。

表2

步骤b：制备10cm(直径)×20cm(高度)的路基土试样，并根据击实试验所得的路基土的最大干密度和最佳含水率，制备96％目标压实度及OMC、1.1OMC、1.2OMC含水率的试样；动三轴试验中荷载形式为半正弦波，加载时间为0.2s，频率选取0.5Hz、1Hz、2Hz，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样永久变形值。得到不同加载状态变量(围压、偏应力、加载频率、加载次数)和物理状态变量(含水率、干密度)条件下路基土的永久变形值。48kPa偏应力、OMC含水率、1Hz频率条件下不同围压(12kPa、28kPa、42kPa)与永久变形的关系如图3所示。28kPa围压、OMC含水率、1Hz频率条件下不同偏应力(28kPa、48kPa、69kPa)与永久变形的关系如图4所示。28kPa围压、48kPa偏应力、1Hz频率条件下不同含水率(0.9OMC、OMC、1.1OMC)与永久变形的关系如图5所示。28kPa围压、48kPa偏应力、OMC含水率条件下不同频率(0.5Hz、1Hz、2Hz)与永久变形的关系如图6所示。由图3-图6可知不同加载次数与永久变形的关系。在此基础上建立路基土的永久变形预估模型。

步骤c：预估模型中的变量为围压、偏应力、加载频率、加载次数、含水率和干密度。其中，围压、偏应力、加载频率、加载次数用来表征路基土的加载状态变化，含水率和干密度用来表征路基土的物理状态变化。预估模型见下式：

式中，ε_p为永久变形值，σ₃为围压，σ_d为偏应力，f为加载频率，N为加载次数，ω_rat为实际含水率与最佳含水率的比值，ρ_opt为最佳含水率时的最大干密度，σ_atm为参考应力，一般为大气压强(100kPa)，α1、α2、α3、α4、α5、α6为模型参数。

步骤d：根据步骤b动三轴试验的永久变形数据第100、300、500、700、1000、2000、3000、4000、5000、6000、7000、8000、9000、10000次加载后的试验结果对所提预估模型进行拟合，获取模型参数α1、α2、α3、α4、α5、α6。随后通过步骤c建立的预估模型预测路基土的永久变形值。该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0.97，表明模型精度高。

α<sub>1</sub>	α<sub>2</sub>	α<sub>3</sub>	α<sub>4</sub>	α<sub>5</sub>	α<sub>6</sub>	R2
							0.015	-2.047	0.628	0.411	0.127	6.327	0.97

表3

本发明实施例提供了一种路基土永久变形的快速预估方法，所述方法包括：开展击实试验测定路基土的干密度和含水率；制备路基土试样，进行动三轴试验，得到不同工况条件下的试样永久变形值；建立基于加载状态变量和物理状态变量的路基土永久变形预估模型；根据所述试样永久变形值拟合得到预估模型参数，基于所述预估模型参数和所述路基土永久变形预估模型得到路基土的永久变形值；如此，综合考虑路基土加载状态变量和物理状态变量对其永久变形的影响，建立了适用性广泛的路基土永久变形预估模型，并解决了现有永久变形预估模型无法同时考虑路基土的加载状态变量和物理状态变量的问题；同时，该模型物理意义明确、结构简单，在实际应用中仅需要进行路基土的击实试验即可较为准确地对不同条件下路基土的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，具有较高的市场推广价值。

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。

Claims (6)

1.一种路基土永久变形的快速预估方法，其特征在于，所述方法包括：

开展击实试验测定路基土的干密度和含水率；

制备路基土试样，进行动三轴试验，得到不同工况条件下的试样永久变形值；

建立基于加载状态变量和物理状态变量的路基土永久变形预估模型；

根据所述试样永久变形值拟合得到预估模型参数，基于所述预估模型参数和所述路基土永久变形预估模型得到路基土的永久变形值。

2.根据权利要求1所述的路基土永久变形的快速预估方法，其特征在于，所述路基土永久变形预估模型为：

式中，ε_p为永久变形值，σ₃为围压，σ_d为偏应力，f为加载频率，N为加载次数，ω_rat为实际含水率与最佳含水率的比值，ρ_opt为最佳含水率时的最大干密度，σ_atm为参考应力，k₁、k₂、k₃、k₄、k₅、k₆为预估模型参数。

3.根据权利要求1所述的路基土永久变形的快速预估方法，其特征在于，所述开展击实试验测定路基土的干密度和含水率，包括：

选用干土法进行击实试验，选取8％、10％、12％、14％、16％含水率作为击实试样的预设含水率，闷料一夜后，进行轻型击实，击实层数为3层，每层击实次数为27次；

当击实完成后使用推土器推出筒内试样，从试样中心处取代表性的土样测其含水率，计算至0.1％，其中，所述干密度的计算为：

式中，ρ_d为干密度值，ρ为湿密度，ω为实际含水率。

4.根据权利要求1所述的路基土永久变形的快速预估方法，其特征在于，所述制备路基土试样，包括：

制备直径10cm、高度20cm的路基土试样，根据所述干密度和所述含水率，制备96％目标压实度及OMC、1.1OMC、1.2OMC含水率的试样。

5.根据权利要求1所述的路基土永久变形的快速预估方法，其特征在于，所述进行动三轴试验，得到不同工况条件下的试样永久变形值，包括：

进行动三轴试验，其中，动三轴试验中荷载形式为半正弦波，加载时间为0.2s，频率选取0.5Hz、1Hz、2Hz，以第10000次加载后的结果作为试样永久变形值。

6.根据权利要求1所述的路基土永久变形的快速预估方法，其特征在于，所述k₁为0.015，所述k₂为-2.047，所述k₃为0.628，所述k₄为0.411，所述k₅为0.0127，所述k₆为6.327。

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