CN114324023A - 一种建筑废弃物路基填料破坏强度快速预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种建筑废弃物路基填料破坏强度快速预测方法，按照以下步骤进行：制备建筑废弃物试样，对制备的建筑废弃物进行干湿循环试验；干湿循环试验完成后，立即对建筑废弃物试样进行静三轴试验，得到不同干湿循环次数、加载速率、围压、含水率下的建筑废弃物破坏强度特性；对比分析建筑废弃物在不同工况即不同干湿循环次数、加载速率、围压、含水率下的破坏强度，建立综合考虑干湿循环次数、加载速率、围压及含水率的建筑废弃物破坏强度预估模型；根据静三轴试验数据拟合得到建筑废弃物破坏强度预估模型的模型参数；利用模型参数已知的建筑废弃物破坏强度预估模型快速预测建筑废弃物在不同工况下的破坏强度，减少了试验耗时，降低了试验难度。
Description
技术领域
本发明属于道路工程技术领域，涉及一种建筑废弃物路基填料破坏强度快速预测方法。
背景技术
近年来，我国西南部大力发展经济并推进城市化进程，与之相应的建筑废弃物产量与日俱增。据现有数据统计，我国每年产生的建筑废弃物总量高达约4.8亿吨，且预计在未来十年里，全国建筑废弃物产生总量平均每年将达到13亿吨，这意味着建筑废弃物的回收、处置和再利用已迫在眉睫。因此，基于环境条件及施工成本的考虑，学者们提出应用建筑废弃物作为路基填料，以达到有效消耗大量的建筑废弃物并取得显著经济效益的目的。然而，建筑废弃物有着组分复杂、级配较差、孔隙率较高的工程特性，应用该填料的路基在湿热环境与车辆动荷载的综合作用下易出现较大变形，甚至发生整体失稳破坏。因此，基于路基工程稳定性与耐久性的战略目标，科学评价建筑废弃物路基填料在干湿循环条件下的破坏强度特性具有重要意义。
现有的破坏强度确定方法有以下两种：第一种是经验法，但给出的破坏强度建议值变化范围较大，无法进行定量分析。第二种是通过室内三轴试验获得，但三轴试验的成本较高、耗时较长、需要专业的人员进行操作且不易推广。鉴于此，我们希望通过建立一个简单且有效的建筑废弃物路基填料破坏强度快速预测方法来更精确、快速地获得建筑废弃物在不同条件下的破坏强度值。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种建筑废弃物路基填料破坏强度快速预测方法，以解决现有的基于经验法确定建筑废弃物路基填料破坏强度的方法给出的破坏强度建议值变化范围较大，以及采用三轴试验确定建筑废弃物路基填料破坏强度的方法成本高、耗时长、需要专业人员进行操作且不易推广的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种建筑废弃物路基填料破坏强度快速预测方法，按照以下步骤进行：
步骤S1：制备建筑废弃物试样，对制备的建筑废弃物进行干湿循环试验；
步骤S2：干湿循环试验完成后，立即对建筑废弃物试样进行静三轴试验，得到不同干湿循环次数、加载速率、围压、含水率下的建筑废弃物破坏强度特性；
步骤S3：对比分析建筑废弃物在不同工况即不同干湿循环次数、加载速率、围压、含水率下的破坏强度，建立综合考虑干湿循环次数、加载速率、围压及含水率的建筑废弃物破坏强度预估模型；
步骤S4：根据静三轴试验数据拟合得到建筑废弃物破坏强度预估模型的模型参数；
步骤S5：利用模型参数已知的建筑废弃物破坏强度预估模型快速预测建筑废弃物在不同工况下的破坏强度。
进一步的，所述步骤S3建立的综合考虑干湿循环次数、加载速率、围压及含水率的建筑废弃物破坏强度预估模型为：
其中，σBS为建筑废弃物破坏强度，NDW为干湿循环次数，νL为静三轴试验的加载速率，ωr为初始含水率与最佳含水率的比值，σ3为围压，α1、α2、α3、α4、α5为模型参数，e为自然常数。
进一步的，所述步骤S1的具体流程如下：
首先，制备建筑废弃物试样，确定建筑废弃物试样的最大干密度和最佳含水率；
然后，根据确定的最大干密度和最佳含水率，重新制备压实度为96％、直径为150mm、高度为300mm、初始含水率分别为0.9OMC、OMC、1.1OMC的建筑废弃物试样，OMC为最佳含水率；
最后，采用向后差值递增的方法选取干湿循环次数，并按照选取的干湿循环次数对重新制备的建筑废弃物试样进行干湿循环试验，每次干湿循环需先将重新制备的建筑废弃物试样密封浸水24小时，然后在105℃的温度下完成24小时的烘干。
进一步的，所述步骤S3进行静三轴试验时，加载速率分别选取0.01mm/s、0.02mm/s、0.03mm/s，围压分别选取20kPa、40kPa、60kPa。
进一步的，所述步骤S2进行静三轴试验时，若建筑废弃物试样在轴向应变达到5％前发生破坏，则取建筑废弃物试样的轴向应力峰值点作为该建筑废弃物的破坏强度，若建筑废弃物试样在轴向应变达到5％时仍未破坏，则以此时的轴向应力作为其破坏强度。
本发明的有益效果是：本发明提出的一种建筑废弃物路基填料破坏强度快速预测方法，一方面，建立的建筑废弃物破坏强度预测模型综合考虑了干湿循环、加载速率、围压及含水率对其破坏强度的影响，实现不同条件下的建筑废弃物路基填料破坏强度快速预测；同时，该建筑废弃物破坏强度预测模型物理意义明确、结构简单，仅需要输入相应的工况于建筑废弃物破坏强度预测模型中，即得相应工况耦合作用下的建筑废弃物破坏强度值，大大减少了试验耗时，降低了试验难度，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；另一方面，与现有方法相比能够便捷、准确地获得不同条件下建筑废弃物路基填料的破坏强度，较便利的指导了建筑废弃物在路基结构中的设计和施工，且可以将本方法推广至其他同类材料的设计与检测中，具有广阔的应用价值。有效解决了现有的基于经验法确定建筑废弃物路基填料破坏强度的方法给出的破坏强度建议值变化范围较大，以及采用三轴试验确定建筑废弃物路基填料破坏强度的方法成本高、耗时长、需要专业人员进行操作且不易推广的问题。
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为本发明实施例的一种建筑废弃物破坏强度快速预测方法的流程图。
图2为本发明实施例的在0次干湿循环、含水率为OMC、围压为40kPa条件下不同加载速率对应的破坏强度曲线图。
图3为本发明实施例在0次干湿循环、加载速率为0.02mm/s、围压为40kPa条件下不同含水率对应的破坏强度曲线图。
图4为本发明实施例在0次干湿循环、加载速率为0.02mm/s、含水率为OMC条件下不同围压对应的破坏强度曲线图。
图5为本发明实施例在加载速率为0.02mm/s、含水率为OMC、围压为40kPa条件下不同干湿循环次数对应的破坏强度曲线图。
图6为本发明实施例提供的一种建筑废弃物破坏强度快速预测方法的鲁棒性验证图。
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。
本发明实施例的一种建筑废弃物路基填料破坏强度快速预测方法，如图1所示，按照以下步骤进行：
步骤S1：制备建筑废弃物试样，对制备的建筑废弃物进行干湿循环试验，具体过程如下：
首先，制备建筑废弃物试样，确定建筑废弃物试样的最大干密度和最佳含水率，制备建筑废弃物试样的具体流程如下：
对建筑废弃物进行24小时的烘干处理；
对建筑废弃物进行2％梯度差的含水率配置，并完成24小时闷料处理以使其内部湿度均匀化；
在闷料完成后选取击实试验方法对建筑废弃物进行击实，得到建筑废弃物试样，击实试验方法类别如表1所示：
表1击实试验方法种类
最后，选取建筑废弃物试样中心部分确定建筑废弃物试样的最大干密度和最佳含水率，最大干密度用于确定压实度，最佳含水率用于设置含水率，如确定的某个建筑废弃物的最大干密度为1.74g/cm3，最佳含水率为13.9％。
然后，根据确定的建筑废弃物试样的最大干密度和最佳含水率，制备压实度为96％、直径为150mm、高度为300mm、初始含水率分别为0.9OMC、OMC、1.1OMC的建筑废弃物试样，OMC为最佳含水率，以研究最佳含水率、最佳含水率干侧、最佳含水率湿侧的破坏强度演变规律；成型过程中，建筑废弃物试样的实际含水率、压实度与目标值误差控制在1％以内。
最后，为研究不同干湿循环次数下的破坏强度演变规律，采用向后差值递增的方法选取干湿循环次数，如将干湿循环次数选为0、1、3、6、10，以便尽可能的保证试验结果的准确性。按照选取的干湿循环次数进行干湿循环试验，为尽可能地模拟我国西南部湿热地区公路实际遭受干湿循环的影响，一个完整的干湿循环周期设置如下：将所述压实度为96％、直径为150mm、高度为300mm的建筑废弃物试样密封浸水汽24小时后，在105℃的温度下完成24小时的烘干，得到不同干湿循环次数下的建筑废弃物试样，再使用不同干湿循环次数下的建筑废弃物试样进行静三轴试验。
步骤S2：在干湿循环试验完成后，立即对建筑废弃物试样进行静三轴试验，得到不同干湿循环次数、加载速率、围压、含水率下的建筑废弃物破坏强度特性；
对经过干湿循环试验的建筑废弃物试样进行静三轴试验，得到不同干湿循环次数、加载速率、围压、含水率下的建筑废弃物破坏强度特性时，所述静三轴试验中加载速率分别选取0.01mm/s、0.02mm/s、0.03mm/s，围压分别选取20kPa、40kPa、60kPa，围压的选取基于路基填筑深度，加载速率的选取基于道路自重和瞬时承重。若建筑废弃物试样在轴向应变达到5％前发生破坏，则取建筑废弃物试样的轴向应力峰值点作为该建筑废弃物的破坏强度，若建筑废弃物试样在轴向应变达到5％时仍未破坏，则以此时的轴向应力作为其破坏强度。0次干湿循环、含水率为OMC、围压为40kPa条件下，不同加载速率(0.01mm/s、0.02mm/s、0.03mm/s)与破坏强度的关系如图2所示；0次干湿循环、加载速率为0.02mm/s、围压为40kPa条件下，不同含水率(0.9OMC、OMC、1.1OMC)与破坏强度的关系如图3所示；0次干湿循环、加载速率为0.02mm/s、含水率为OMC条件下，不同围压(20kPa、40kPa、60kPa)与破坏强度的关系如图4所示；加载速率为0.02mm/s、含水率为OMC、围压为40kPa条件下不同干湿循环次数(0、1、3、6、10)与破坏强度的关系如图5所示。
步骤S3：在静三轴试验结果基础上，根据图2-图5，对比分析建筑废弃物在不同工况(即不同干湿循环次数、加载速率、围压、含水率)下的破坏强度，确定破坏强度随干湿循环次数、加载速率、围压及含水率的演变规律，并进行多项式逐次回归，建立综合考虑干湿循环次数、加载速率、围压及含水率的建筑废弃物破坏强度预估模型，如下式所示：
其中，σBS为建筑废弃物破坏强度，NDW为干湿循环次数，νL为静三轴试验的加载速率，ωr为初始含水率与最佳含水率的比值，σ3为围压，α1、α2、α3、α4、α5为模型参数，e为自然常数；
步骤S4：根据静三轴试验数据拟合得到模型参数α1、α2、α3、α4、α5，即将步骤S2的静三轴试验数据，带入步骤S3建立的综合考虑干湿循环次数、加载速率、围压及含水率的建筑废弃物破坏强度预估模型中，拟合得到模型参数α1、α2、α3、α4、α5，拟合结果如表2所示，从表2可知，建立的建筑废弃物破坏强度预估模型的相关系数R2为0.93，表明模型精度高。
表2模型参数拟合结果统计表
| α<sub>1</sub> | α<sub>2</sub> | α<sub>3</sub> | α<sub>4</sub> | α<sub>5</sub> | R<sup>2</sup> |
| 1.98 | -0.93 | 3.01 | -1.62 | 0.23 | 0.93 |
步骤S5：利用步骤S4的模型参数α1、α2、α3、α4、α5已知的建筑废弃物破坏强度预估模型快速预测建筑废弃物在不同工况下的破坏强度。
为确定本发明实施例所提出的建筑废弃物破坏强度快速预测方法的适用性，对建立的综合考虑干湿循环次数、加载速率、围压及含水率的建筑废弃物破坏强度预估模型进行鲁棒性验证，结果如图6所示。不难看出，大部分散点集中分布在直线y＝x周围。因此，该快速预测公式所得破坏强度预估值具有较强的代表性，符合一般工程需要。
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)
1.一种建筑废弃物路基填料破坏强度快速预测方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
步骤S1：制备建筑废弃物试样，对制备的建筑废弃物进行干湿循环试验；
步骤S2：干湿循环试验完成后，立即对建筑废弃物试样进行静三轴试验，得到不同干湿循环次数、加载速率、围压、含水率下的建筑废弃物破坏强度特性；
步骤S3：对比分析建筑废弃物在不同工况即不同干湿循环次数、加载速率、围压、含水率下的破坏强度，建立综合考虑干湿循环次数、加载速率、围压及含水率的建筑废弃物破坏强度预估模型；
步骤S4：根据静三轴试验数据拟合得到建筑废弃物破坏强度预估模型的模型参数；
步骤S5：利用模型参数已知的建筑废弃物破坏强度预估模型快速预测建筑废弃物在不同工况下的破坏强度。
2.根据权利要求1所述的一种建筑废弃物路基填料破坏强度快速预测方法，其特征在于，所述步骤S3建立的综合考虑干湿循环次数、加载速率、围压及含水率的建筑废弃物破坏强度预估模型为：
其中，σBS为建筑废弃物破坏强度，NDW为干湿循环次数，νL为静三轴试验的加载速率，ωr为初始含水率与最佳含水率的比值，σ3为围压，α1、α2、α3、α4、α5为模型参数，e为自然常数。
3.根据权利要求1所述的一种建筑废弃物路基填料破坏强度快速预测方法，其特征在于，所述步骤S1的具体流程如下：
首先，制备建筑废弃物试样，确定建筑废弃物试样的最大干密度和最佳含水率；
然后，根据确定的最大干密度和最佳含水率，重新制备压实度为96％、直径为150mm、高度为300mm、初始含水率分别为0.9OMC、OMC、1.1OMC的建筑废弃物试样，OMC为最佳含水率；
最后，采用向后差值递增的方法选取干湿循环次数，并按照选取的干湿循环次数对重新制备的建筑废弃物试样进行干湿循环试验，每次干湿循环需先将重新制备的建筑废弃物试样密封浸水24小时，然后在105℃的温度下完成24小时的烘干。
4.根据权利要求1所述的一种建筑废弃物路基填料破坏强度快速预测方法，其特征在于，所述步骤S3进行静三轴试验时，加载速率分别选取0.01mm/s、0.02mm/s、0.03mm/s，围压分别选取20kPa、40kPa、60kPa。
5.根据权利要求1所述的一种建筑废弃物路基填料破坏强度快速预测方法，其特征在于，所述步骤S2进行静三轴试验时，若建筑废弃物试样在轴向应变达到5％前发生破坏，则取建筑废弃物试样的轴向应力峰值点作为该建筑废弃物的破坏强度，若建筑废弃物试样在轴向应变达到5％时仍未破坏，则以此时的轴向应力作为其破坏强度。
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