CN114720327A - 用于评价含石路基灌砂法检测可靠性的评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含石路基灌砂法检测可靠性的评估方法及系统，包括：确定其粒径分布情况及级配曲线；计算各级颗粒的颗粒总数Ni，在各级颗粒的粒径范围内，将Ni个颗粒的半径进行均匀分布，确定各级颗粒的半径；确定所有半径大于设定的影响灌砂法测试精度的界限粒径的第一颗粒集合；在第一颗粒集合中，确定位于探坑边缘的第二颗粒集合，以及第二颗粒集合中每个颗粒所造成的凹陷体积，进而确定探坑边缘凹陷区域总体积；计算所述总体积占灌砂筒总体积的比例，进而得到实际测试得到的密度相比于理论密度增加的百分比，即得到因含石颗粒引起的压实度差异性，进而判断该级配土体采用灌砂法试验的可靠性。

Description

用于评价含石路基灌砂法检测可靠性的评估方法
技术领域
本发明涉及含石路基检测技术领域，尤其涉及一种含石路基灌砂法检测可靠性的评估方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
路基是公路线路的重要组成部分，其作用是承受汽车移动荷载和上部结构荷载。当前对于路基压实度测量的常用方法为灌砂法，即对已压实路基开挖一定深度的探坑，通过灌入标准砂计算探坑的体积，进而根据其最大干密度计算压实土体的压实度。
根据《公路路基路面现场测试规程》(JTG 3450-2019)规定，灌砂法测路基压实度，其适用的路基土体最大粒径为100mm。然而，在现场路基压实度验收时，即使最大粒径的土体满足上述要求，但是如果开挖探坑过程中有大粒径颗粒位于探坑边缘，开挖后必然在坑壁处产生凹陷，而灌入的砂往往不能完全填充这些凹陷部分，导致所标定的探坑体积偏小，因此会对检测结果的精确性产生影响。
可见，当前针对路基灌砂筒尺寸与土体级配的匹配性仍然不够明确，特别是针对粗粒土或土石混填的路基，无法确定灌砂法测得的含石路基压实状态的准确性和可靠性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种含石路基灌砂法检测可靠性的评估方法及系统，通过计算灌砂筒轮廓外颗粒球冠总体积，计算总体积减少百分比，评估当前粒径条件下灌砂法的可靠性。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种含石路基灌砂法检测可靠性的评估方法，包括：
对路基施工现场典型填料进行颗粒筛分试验，确定其粒径分布情况及级配曲线；确定土体的基本类型和各级颗粒粒径的范围，确定土体的最大干密度，以及各级颗粒的平均土颗粒密度；
计算各级颗粒的颗粒总数Ni，在各级颗粒的粒径范围内，将Ni个颗粒的半径进行均匀分布，确定各级颗粒的半径；
确定所有半径大于设定的影响灌砂法测试精度的界限粒径的第一颗粒集合；计算这些颗粒的坐标，以及灌砂筒的圆心位置坐标；
在第一颗粒集合中，确定位于探坑边缘的第二颗粒集合，以及第二颗粒集合中每个颗粒所造成的凹陷体积，进而确定探坑边缘凹陷区域总体积；
计算所述总体积占灌砂筒总体积的比例，进而得到实际测试得到的密度相比于理论密度增加的百分比，即得到因含石颗粒引起的压实度差异性，进而判断该级配土体采用灌砂法试验的可靠性。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种含石路基灌砂法检测可靠性的评估系统，包括：
颗粒筛分试验模块，用于对路基施工现场典型填料进行颗粒筛分试验，确定其粒径分布情况及级配曲线；确定土体的基本类型和各级颗粒粒径的范围，确定土体的最大干密度，以及各级颗粒的平均土颗粒密度；
颗粒半径计算模块，用于计算各级颗粒的颗粒总数Ni，在各级颗粒的粒径范围内，将Ni个颗粒的半径进行均匀分布，确定各级颗粒的半径；
凹陷体积计算模块，用于确定所有半径大于设定的影响灌砂法测试精度的界限粒径的第一颗粒集合；计算这些颗粒的坐标，以及灌砂筒的圆心位置坐标；在第一颗粒集合中，确定位于探坑边缘的第二颗粒集合，以及第二颗粒集合中每个颗粒所造成的凹陷体积，进而确定探坑边缘凹陷区域总体积；
可靠性判断模块，用于计算所述总体积占灌砂筒总体积的比例，进而得到实际测试得到的密度相比于理论密度增大的百分比，即得到因含石颗粒引起的压实度差异性，进而判断该级配土体采用灌砂法试验的可靠性。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现各指令；存储器用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的含石路基灌砂法检测可靠性的评估方法。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的含石路基灌砂法检测可靠性的评估方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明解决了含石路基开挖探坑过程中有大粒径颗粒位于探坑边缘，导致开挖后必然在坑壁处产生凹陷，引起所标定的探坑体积偏小的问题。进而根据土体的颗粒级配特征和灌砂筒尺寸确定该类型土体测试结果的可靠性，特别是对粗粒土或土石混填路基测试的可靠度给出理论解。例如，实际计算土体压实度与理论压实度差异超过5％，通常认为该填料不适合利用灌砂法评估其压实度。
本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例中含石路基灌砂法检测可靠性的评估方法流程图；
图2为本发明实施例中颗粒粒径分布情况并绘制级配曲线示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
在一个或多个实施方式中，公开了一种含石路基灌砂法检测可靠性的评估方法，参照图1，具体包括以下过程：
(1)对路基施工现场典型填料进行颗粒筛分试验，确定其粒径分布情况及级配曲线；确定土体的基本类型和各级颗粒粒径的范围，确定土体的最大干密度，以及各级颗粒的平均土颗粒密度；
本实施例中，针对路基施工现场典型填料进行颗粒筛分试验，确定其粒径分布情况并绘制级配曲线。选取典型填料测其含水率ω；
其中，级配曲线即土中各个典型粒组的相对含量，用某粒径的累积通过百分率表示；确定其粒径分布情况，即确定级配曲线中各档粒径所占整体的质量百分率。
根据相关规程的要求，基于土体的最大粒径、界限粒组含量等参数确定土体的工程分类，例如漂石土、卵石土、砾类土、砂类土、粉质土或黏质土等。
根据土的类型选择击实试验或表面振动压实试验，确定土体的最大干密度ρd,max。
将各级颗粒分离，测量各级颗粒的比重Gi，基于所述比重计算该粒级的平均土颗粒密度ρi；
Gi＝pi·(pω)4℃
其中，(ρω)4℃是4℃时纯水的密度。
(2)计算各级颗粒的颗粒总数Ni，在各级颗粒的粒径范围内，将Ni个颗粒的半径进行均匀分布，确定各级颗粒的半径；
本实施例中，预设压实度基准值K0，并基于模拟场地的尺寸(x0,y0,h0)和最大干密度计算总质量M，具体为：
M＝x0·y0·h0·pd，max·(1+ω)·K0
其中，模拟场地为人为划定的场地范围，其目的是模拟真实的路基填筑现场尺寸。然而，过大的场地会导致颗粒计算量增加。因此，根据所计算土体最大粒径确定，其尺寸至少应为最大粒径的10倍以上。
取各档粒径中值ai作为该档粒径的代表值，根据该档粒料质量百分比αi、平均土颗粒密度ρi计算该档粒料颗粒总数Ni：
Figure BDA0003536814230000051
其中，(x0，y0，h0)为模拟场地的尺寸，ρd，max为土体最大干密度；ω为含水率；K0为目标压实度，ρi为平均土颗粒密度，αi为各级粒径的代表值。
在各档粒径范围内，将Ni个颗粒的半径进行均匀分布，确定各个颗粒的半径ri。
(3)确定所有半径大于设定的影响灌砂法测试精度的界限粒径的第一颗粒集合；计算这些颗粒的坐标，以及灌砂筒的圆心位置坐标；
本实施例中，确定界限粒径a0，界限粒径即认为会影响灌砂法测试精度的粒径。当土颗粒粒径小于该值，认为对灌砂法精度影响较小；当土颗粒粒径大于该值，认为出现在探坑边缘的该粒径对标准砂换算的体积产生显著影响。
计算所有大于界限粒径的土颗粒集合，每个土颗粒的状态由以下参数确定：xi，yi，zi，ri，ρi；分别为颗粒的x坐标、y坐标、z坐标，颗粒的半径，以及该粒级的平均土颗粒密度。
其中，xi，yi，zi的计算方法为：
xi＝x0·ci
yi＝y0·ci
zi＝h0·ci
式中，ci是区间(0，1)内的随机数集C中的元素。x0、y0、h0分别为模拟场地在三维方向上的尺寸。
本实施例中，灌砂筒的横截面半径为R，其圆心的位置坐标为(X0，Y0)，它们的计算方法为：
X0＝x0·ci(0.125＜X0＜0.375)
Y0＝y0·ci(0.125＜Y0＜0.375)
此处的ci是区间(0，1)内的随机数集C中的元素；x0、y0分别为模拟场地在x、y二维方向上的尺寸。
(4)在第一颗粒集合中，确定位于探坑边缘的第二颗粒集合，以及第二颗粒集合中每个颗粒所造成的凹陷体积，进而确定探坑边缘凹陷区域总体积；
本实施例中，按照下式判定大粒径颗粒是否位于探坑边缘：
Figure BDA0003536814230000071
其中，R为灌砂筒的横截面半径，(X0,Y0)为圆心的位置坐标，ri为颗粒的半径，xi，yi分别为颗粒位置的x坐标和y坐标，满足上式的颗粒位于探坑边缘。
确定位于探坑边缘的颗粒集合J，同样由5个参数确定颗粒集合J中的颗粒状态：xj，yj，zj，rj，ρi，依次为某颗粒的x坐标、y坐标、z坐标、半径、密度。
在灌砂法探坑实际开挖过程中，坑壁上的大块颗粒往往使灌砂法所标定的探坑体积偏小，是因为标准砂不会完全填充坑壁的凹陷部位。由于颗粒半径显著小于灌砂筒截面半径，因此凹陷部位可近似认为是球冠形状，按照下式计算集合J中每个颗粒所造成的凹陷体积Vj：
Figure BDA0003536814230000072
Figure BDA0003536814230000073
式中，hj是所近似球冠的高度，rj为颗粒半径；R为灌砂筒半径；X0、Y0分别为灌砂筒圆心二维坐标；xj、yj分别为颗粒圆心二维坐标；Vj为所近似球冠体积。
则，所有坑壁上凹陷区域的总体积为：
Figure BDA0003536814230000074
(5)计算所述总体积占灌砂筒总体积的比例，进而得到实际测试得到的密度相比于理论密度增大的百分比，即为因含石颗粒引起的压实度差异性，进而判断该级配土体采用灌砂法试验的可靠性。例如，当差异超过5％，则认为该土体不适用灌砂法评估其压实度。
具体地，计算相对于实际体积所减少的体积占灌砂筒总体积的比例，按照下式计算：
Figure BDA0003536814230000081
则，所实际测试得到的密度比理论密度增加百分比为：
Figure BDA0003536814230000082
作为具体的实施方式，针对路基施工现场典型填料进行颗粒筛分试验，确定其粒径分布情况并绘制级配曲线如图2所示，并测其含水率ω＝10.4％。典型填料的类型为含细粒土砾，最大粒径100mm，最大干密度为2.216g/cm3。各粒级的平均土颗粒密度均取2.65g/cm3，预设压实度基准值0.93。模拟区域的尺寸(1.0m,1.0m,1.0m)，计算总质量M：
M＝x0′y0·h0·Pd,max·(1+ω).k0＝2275.211kg
取各档粒径中值ai作为该档粒径的代表值，根据该档粒料质量百分比αi、平均土颗粒密度ρi计算该档粒料颗粒总数Ni，其计算结果如表1所示；
表1颗粒数量计算结果
粒级下限 粒径中值 分级质量百分率 颗粒数量
60 80 10.60571 4
40 50 4.04301 7
20 30 18.40263 140
10 15 10.68892 649
5 7.5 7.84813 3813
2 3.5 8.63114 41262
1 1.5 2.7533 167212
0.5 0.75 7.44597 3617635
0.25 0.375 13.13392 51049061
0.075 0.1625 11.12989 531640395
＞0 0.0375 5.31738 20667649608
为便于说明，取界限粒径40mm，大于该界限的土颗粒总数为11。在各档粒径范围内，将Ni个颗粒的半径进行均匀分布，确定各个颗粒的半径ri；xi,yi,zi依次表示其位置的x坐标、y坐标和z坐标。灌砂筒的横截面半径为125mm，其圆心的位置坐标为(0.322,0.205)。判断在探坑边缘的颗粒情况，每个土颗粒的状态如表2所示；
表2颗粒状态汇总表
x<sub>i</sub>(cm) y<sub>i</sub> z<sub>i</sub> r<sub>i</sub>(cm) ρ<sub>i</sub> 是否边缘
44.6 3.5 0.474 3.6418 2.65 是
8.8 31 0.11 3.03655 2.65 否
37.3 30.2 0.251 4.8638 2.65 否
36.7 4.1 0.061 4.3324 2.65 是
45.1 1.9 0.166 2.71275 2.65 是
35.9 5.4 0.086 2.13715 2.65 否
46.9 22.6 0.093 2.76675 2.65 是
38.6 11.8 0.414 2.7019 2.65 否
35.1 9.5 0.426 2.9763 2.65 否
5.4 39.9 0.176 2.1184 2.65 否
48.3 8.1 0.423 2.5612 2.65 否
计算集合J中每个颗粒所造成的凹陷体积：
Figure BDA0003536814230000091
Figure BDA0003536814230000092
Figure BDA0003536814230000093
Figure BDA0003536814230000094
Figure BDA0003536814230000095
Figure BDA0003536814230000096
Figure BDA0003536814230000097
Figure BDA0003536814230000098
则，所有坑壁上凹陷区域的总体积为：
Figure BDA0003536814230000101
计算所减少的体积占灌砂筒总体积的比例，按照下式计算：
Figure BDA0003536814230000102
则，所实际测试得到的密度比理论密度增加百分比为：
Figure BDA0003536814230000103
以上结果表明：该级配的路基填土采用直径250mm的灌砂筒测试其压实度是可靠的。
需要补充的是，本发明所涉及的全过程宜多次扩大模拟区域面积并进行多次计算，已确定其可靠程度。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种含石路基灌砂法检测可靠性的评估系统，包括：
颗粒筛分试验模块，用于对路基施工现场典型填料进行颗粒筛分试验，确定其粒径分布情况及级配曲线；确定土体的基本类型和各级颗粒粒径的范围，确定土体的最大干密度，以及各级颗粒的平均土颗粒密度；
颗粒半径计算模块，用于计算各级颗粒的颗粒总数Ni，在各级颗粒的粒径范围内，将Ni个颗粒的半径进行均匀分布，确定各级颗粒的半径；
凹陷体积计算模块，用于确定所有半径大于设定的影响灌砂法测试精度的界限粒径的第一颗粒集合；计算这些颗粒的坐标，以及灌砂筒的圆心位置坐标；在第一颗粒集合中，确定位于探坑边缘的第二颗粒集合，以及第二颗粒集合中每个颗粒所造成的凹陷体积，进而确定探坑边缘凹陷区域总体积；
可靠性判断模块，用于计算所述总体积占灌砂筒总体积的比例，进而得到实际测试得到的密度相比于理论密度增加的百分比，即得到因含石颗粒引起的压实度差异性，进而判断该级配土体采用灌砂法试验的可靠性。
需要说明的是，上述各模块的具体实施方式已经在实施例一中进行了说明，此处不再详述。
实施例三
在一个或多个实施方式中，公开了一种终端设备，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例一中的含石路基灌砂法检测可靠性的评估方法。为了简洁，在此不再赘述。
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。
实施例四
在一个或多个实施方式中，公开了一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行实施例一中所述的含石路基灌砂法检测可靠性的评估方法。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种含石路基灌砂法检测可靠性的评估方法，其特征在于，包括：
对路基施工现场典型填料进行颗粒筛分试验，确定其粒径分布情况及级配曲线；确定土体的基本类型和各级颗粒粒径的范围，确定土体的最大干密度，以及各级颗粒的平均土颗粒密度；
计算各级颗粒的颗粒总数Ni，在各级颗粒的粒径范围内，将Ni个颗粒的半径进行均匀分布，确定各级颗粒的半径；
确定所有半径大于设定的影响灌砂法测试精度的界限粒径的第一颗粒集合；计算这些颗粒的坐标，以及灌砂筒的圆心位置坐标；
在第一颗粒集合中，确定位于探坑边缘的第二颗粒集合，以及第二颗粒集合中每个颗粒所造成的凹陷体积，进而确定探坑边缘凹陷区域总体积；
计算所述总体积占灌砂筒总体积的比例，进而得到实际测试得到的密度相比于理论密度增加的百分比，即得到因含石颗粒引起的压实度差异性，进而判断该级配土体采用灌砂法试验的可靠性。
2.如权利要求1所述的一种含石路基灌砂法检测可靠性的评估方法，其特征在于，判断土体的基本类型，具体包括：
基于土体的最大粒径、界限粒组含量参数确定土体的工程分类。
3.如权利要求1所述的一种含石路基灌砂法检测可靠性的评估方法，其特征在于，确定各级颗粒的平均土颗粒密度，具体包括：
测量各级颗粒的比重Gi，基于所述比重与纯水的密度，计算各粒级的平均土颗粒密度。
4.如权利要求1所述的一种含石路基灌砂法检测可靠性的评估方法，其特征在于，预设压实度基准值K0，并基于模拟场地的尺寸(x0,y0,h0)和最大干密度计算模拟场地所有土体的总质量M。
5.如权利要求1所述的一种含石路基灌砂法检测可靠性的评估方法，其特征在于，计算各级颗粒的颗粒总数Ni，具体为：
Figure FDA0003536814220000021
其中，(x0,y0,h0)为模拟场地的尺寸，ρd,max为土体最大干密度；ω为含水率；K0为目标压实度，ρi为平均土颗粒密度，αi为各级粒径的代表值。
6.如权利要求1所述的一种含石路基灌砂法检测可靠性的评估方法，其特征在于，在第一颗粒集合中，确定位于探坑边缘的第二颗粒集合，具体包括：
Figure FDA0003536814220000022
满足上式的颗粒位于探坑边缘；
其中，R为灌砂筒的横截面半径，(X0,Y0)为圆心的位置坐标，ri为颗粒的半径，xi，yi分别为颗粒的位置的x坐标和y坐标。
7.如权利要求1所述的一种含石路基灌砂法检测可靠性的评估方法，其特征在于，计算所有大于界限粒径的土颗粒集合，每个土颗粒的状态由颗粒的x坐标、y坐标、z坐标，颗粒的半径，以及各粒级的平均土颗粒密度确定。
8.一种含石路基灌砂法检测可靠性的评估系统，其特征在于，包括：
颗粒筛分试验模块，用于对路基施工现场典型填料进行颗粒筛分试验，确定其粒径分布情况及级配曲线；确定土体的基本类型和各级颗粒粒径的范围，确定土体的最大干密度，以及各级颗粒的平均土颗粒密度；
颗粒半径计算模块，用于计算各级颗粒的颗粒总数Ni，在各级颗粒的粒径范围内，将Ni个颗粒的半径进行均匀分布，确定各级颗粒的半径；
凹陷体积计算模块，用于确定所有半径大于设定的影响灌砂法测试精度的界限粒径的第一颗粒集合；计算这些颗粒的坐标，以及灌砂筒的圆心位置坐标；在第一颗粒集合中，确定位于探坑边缘的第二颗粒集合，以及第二颗粒集合中每个颗粒所造成的凹陷体积，进而确定探坑边缘凹陷区域总体积；
可靠性判断模块，用于计算所述总体积占灌砂筒总体积的比例，进而得到实际测试得到的密度相比于理论密度增加的百分比，即得到因含石颗粒引起的压实度差异性，进而判断该级配土体采用灌砂法试验的可靠性。
9.一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现各指令；存储器用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-7任一项所述的含石路基灌砂法检测可靠性的评估方法。
10.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-7任一项所述的含石路基灌砂法检测可靠性的评估方法。
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