CN115630460B - 基于刚度和变形双控的路基顶面改善层设计方法、设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于刚度和变形双控的路基顶面改善层设计方法、设备及存储介质，包括：计算路基运营期内的湿度演化，获得路基平衡湿度分布场；通过有限元的方法分别获取改善层不同回弹模量及厚度下的路基顶面弯沉、路基顶面永久变形；进而绘制基于刚度控制的改善层设计诺莫图、基于变形控制的改善层设计诺莫图；基于实际刚度和变形需求，在一个坐标系内绘制满足刚度需求的改善层模量‑厚度曲线和满足变形需求的改善层模量‑厚度曲线；根据现场所使用的改善层材料的实际模量，确定当前改善层材料所需最小设计厚度。本发明以路基长期运营期的平衡湿度状态作为设计状态，充分考虑了湿热地区路基在长期运营后的湿化特性，稳定性更高。
Description
技术领域
本发明属于道路工程技术领域，涉及一种基于刚度和变形双控的路基顶面改善层设计方法、设备及存储介质。
背景技术
我国南方湿热地区气候环境湿热，现行规范中以最大干密度为目标设计的路堤湿度状态随时间和空间的变化而发生显著变化，并逐渐增加至某一与气候、土质等条件相适应的平衡状态。申请人在对湖南莲株公路、江西昌樟高速公路、山西长邯公路以及安徽合六高速公路调研后发现，平衡状态下路堤全断面湿化严重，平衡含水率较施工设计含水率最大可提高71％。由此可知，南方湿热地区路堤和大气的湿热交换导致其湿化严重，且在行车动荷载的反复作用下，刚度显著降低、变形持续增加，直接影响道路基础设施的持久稳定。基于以上原因，在该地区进行公路建造时，通常需要设置路基改善层。总体上，当前的路堤改善层设计存在两大问题：一是传统的改善层设计仅基于刚度(弯沉) 标准，缺乏永久变形方面的考虑(现行规范、申请号为202011213337.2的中国专利)；二是改善层计算大多基于设计含水率状态，忽视了路基长期运营期间内由路基湿化导致的刚度衰减，因而无法保障路堤长期运营期间内的稳定。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种基于刚度和变形双控的路基顶面改善层设计方法，以路基长期运营期的平衡湿度状态作为设计状态，充分考虑了湿热地区路基在长期运营后的湿化特性，稳定性更高，提高路基使用寿命及质量，解决了现有技术中存在的问题。
本发明的第二目的是，提供一种电子设备。
本发明的第三目的是，提供一种计算机存储介质。
本发明所采用的技术方案是，一种基于刚度和变形双控的路基顶面改善层设计方法，包括以下步骤：
S1：获取路基所在地区的历史气象数据，通过室内试验获取路基土在对应气象数据下的土水特征曲线、渗透系数、导热系数、体积热容；在此基础上，计算路基运营期内的湿度演化，获得路基平衡湿度分布场；
S2：结合室内动三轴试验，获取考虑压实度、湿度和应力状态的路基土回弹模量预估模型；基于路基平衡湿度分布场，通过有限元的方法分别获取改善层不同回弹模量及厚度下的路基顶面弯沉；基于弯沉等效原则，确定路基顶面弯沉对应的路基等效刚度，进而绘制以改善层厚度为横坐标、路基等效刚度为纵坐标，改善层不同回弹模量对应的基于刚度控制的改善层设计诺莫图；
S3：结合室内动三轴试验，获取考虑作用次数、压实度、湿度和应力状态的室内永久变形预估模型；基于路基平衡湿度分布场，通过有限元的方法分别获取改善层不同回弹模量及厚度下的路基顶面永久变形；绘制以改善层厚度为横坐标、以路基顶面永久变形为纵坐标，不同改善层回弹模量对应的基于变形控制的改善层设计诺莫图；
S4，根据S2、S3得到的诺莫图，基于路基实际刚度和变形需求，在一个坐标系内绘制满足刚度需求的改善层模量-厚度曲线和满足变形需求的改善层模量-厚度曲线；根据现场所使用的改善层材料的实际回弹模量，在同时满足刚度和变形需求的改善层设计范围确定当前改善层所需最小设计厚度。
本发明提供的第二技术方案是，一种电子设备，采用上述方法实现路基顶面改善层设计。
本发明提供的第三技术方案是，一种计算机存储介质，所述存储介质中存储有至少一条程序指令，所述至少一条程序指令被处理器加载并执行以实现上述基于刚度和变形双控的路基顶面改善层设计方法。
本发明的有益效果是：
1、本发明实施例考虑了南方湿热地区路基在长期运营后的湿化特性，并在平衡含水率下开展路基改善层设计，以路基长期运营期内的平衡湿度状态作为路基的设计状态，该平衡湿度状态通过湿度场长期理论计算获得。有效解决了当前路基存在的使用寿命短、耐久性不够、稳定性欠佳等问题。当前以施工状态作为设计状态，现场验收合格后即及认为合格；当路基长期湿化后，路基模量显著降低，使得路基耐久性不足。
2、本发明实施例在现有基于刚度控制的路基改善层设计基础上，新增变形控制指标，并形成基于刚度和变形双控的路基改善层设计方法，突破了传统设计方法以刚度作为路基设计的单一指标状态；现行路基设计及验收缺乏有关永久变形的考虑，使得运营后路面出现沉陷，影响路面使用寿命。本发明实施例同时考虑刚度和变形两方面的需求，大大提高路基使用寿命及质量。
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是本发明实施例基于刚度和变形控制的路基改善层厚度设计方法流程图。
图2是基于弯沉等效原则的路基等效刚度计算示意图。
图3是本发明实施例基于刚度控制的改善层设计诺莫图。
图4是本发明实施例基于变形控制的改善层设计诺莫图。
图5是本发明实施例基于刚度和变形要求的改善层需求曲线。
图6a是本发明试验例中南昌市日最高、最低气温曲线。
图6b是本发明试验例中南昌市日最高、最低相对湿度。
图6c是本发明试验例中南昌市日平均风速。
图6d是本发明试验例中南昌市日平均降雨量。
图7是本发明试验例中路堤湿度场计算示意图。
图8是本发明试验例中路堤平衡湿度场计算结果。
图9a是本发明试验例中路堤非均匀模量场计算模型的路面结构层示意图。
图9b是本发明试验例中路堤非均匀模量场计算模型的有限元模型(局部)。
图10是本发明试验例中基于刚度控制的改善层设计诺莫图。
图11是本发明试验例中基于刚度需求的改善层需求曲线。
图12是本发明试验例中平衡湿度状态下路堤竖向应变场分布。
图13是本发明试验例中路堤永久变形计算深度确定。
图14是本发明试验例中基于变形控制的改善层设计诺莫图。
图15是本发明试验例中基于变形要求的改善层需求曲线。
图16是本发明试验例中路基边坡典型断面人工开挖示意图。
图17是本发明试验例中监测点含水率的数值计算值与实测值对比。
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。
实施例
一种基于刚度和变形双控的路基顶面改善层设计方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：获取路基所在地区的长期气象数据，包括温度、湿度、风速和降雨量。开展室内试验获取路基土的土水特征曲线、渗透系数、导热系数、体积热容。
土水特征曲线试验可采用申请号为201910489701.9的中国专利公开的快速测量土水特征曲线的压力板仪或采用标准试验进行，其余参数参照标准规范进行。在此基础上，采用GeoStudio或其它软件通过湿度场长期理论计算路基长期运营期内的湿度演化，获得路基平衡湿度状态。
计算时的水量平衡方程、热力学方程、湿度边界条件方程、温度边界条件方程均为已有研究成果，分别见式(1)～式(4)：
式中，ρ为水的密度，kg/m3；Pv为土壤中水分的蒸汽压，kPa；Dv为土壤水蒸气扩散系数，kPa；kx为水平方向的水力导率，m/天；ky为垂向水力导率，m/day；y是计算位置的高程，m；P为上覆压力，kPa；Q为边界水流量，m3/天；t是时间，单位天；λ为土壤的体积比热容。
式中，Lv表示水蒸发潜在所需热量；λtx、λty分别为土壤在水平方向和垂直方向的导热系数；T是绝对温度；Qt为边界热通量；ρc为容积比热值；Vx、Vy分别为水平方向和垂直方向的水流速度，Pv表示土壤内部水的蒸汽压，λt表示路基土比热容。
式中，AE为实际垂直蒸发通量，mm/天；Γ为饱和时蒸汽压与温度的比值，kPa/℃；Rn为坡面净辐射之和，mm/day；υ为湿度计常数；
Ea＝f(u)·Pa·(B-A)，f(u)＝0.35×(1+0.15×Ua)；f(u)为风速、表面粗糙度和涡流扩散的函数；Ua为风速，km/hr；Pa为空气中水和蒸汽的压力，kPa；B＝1/hA是大气相对湿度(hA)的倒数，A＝1/hr是路基表面相对湿度(hr)的倒数，Ea表示路基湿度。
式中，Ts为边坡表面温度；Ta为坡面气温。
S2，进行不同压实度、湿度和应力状态的室内动三轴试验，获取路基土回弹模量预估模型参数；读取路基平衡湿度状态下的湿度场模型，基于有限元的方法分别计算改善层不同回弹模量及厚度下的路基顶面等效刚度，绘制基于刚度控制的改善层设计诺莫图。
其中，改善层指粒料类材料，对路基刚度和变形进行改善，可理解为提高路基强度，对路基进行增强，但加铺多少厚度，需要通过更加科学、可靠的方法确定，对道路质量起着重要作用。堤顶面等效刚度指路基表面综合模量，也就是代表模量，即将路基顶面以下视为同一材料的代表等效模量。
具体步骤如下：
S21，采集路基土土样，参照《公路土工试验规程》开展击实试验，获取路基土最佳含水率(womc)和最大压实度。分别制作93％、94％、96％压实度，0.9womc、1.0womc、1.1womc、1.3womc下的三轴试件，采用《公路土工试验规程》T0194加载序列开展室内重复动三轴试验，获取不同压实度、含水率、应力状态下的路基土回弹模量。采用线性规划或最小二乘法等方法，对式(5)中待定参数k0，k1，k2，k3和k4进行拟合。
k0，k1，k2，k3和k4；路基土回弹模量预估模型见式(5)：
式中，MR指回弹模量；k0，k1，k2，k3和k4为与土质参数相关的拟合参数；K为压实度，％；w为实际含水率；womc为最佳含水率；pa为大气压强，pa＝101.3kPa；σoct为体应力，σoct＝(σ1+2σ3)/3；τoct为路基土八面体剪应力，σ1与σ3分别为大主应力与围压。
S22，建立包含路面结构的不同改善层模量和厚度取值的有限元模型，并导入步骤S1中所获得的路基湿度场分别计算标准轴载作用下的路基顶面弯沉大小。计算时考虑路基的湿度和应力依赖特性。
考虑路基湿度和应力依赖特性的有限元计算方法，具体步骤如下所示：
S221，赋予路基土结构层各单元初始模量i为单元编号，t0为初始时间步。
S222，采用有限元数值计算方法获得tk时间步下各单元应变大小，每个时间步内，按式(9)计算单元应力大小。
其中，(n)表示第n步迭代，n＝0,1,2,…； 表示单元i在第tk时间步、第n次迭代的节点拉梅系数；/> 表示单元i在第tk时间步、第n次迭代的节点剪切模量；拉梅系数和剪切模量都是弹性力学中的物理参数，常用于描述应力应变关系。
分别为有限元单元i在第tk时间步、第n次迭代的径向、竖向、环向、切向应力大小；/>表示有限元单元i第n次迭代的单元模量大小；分别为有限元单元i第n次迭代的径向、竖向、环向、切向应变增量大小；i表示有限元单元的编号；tk为计算时间步， tk＝t0,t1,t2,...,T0；T0为计算总时长；/>分别表示第tk-1时间步迭代结束时的径向、竖向、环向、切向应变大小，上标“—”表示迭代结束时的应力应变取值；μ表示泊松比。
S223，按式(10)更新tk时间步时第(n+1)次迭代时单元i的模量大小，并重新计算应变增量按式(11)进行收敛判定，满足条件时时结束迭代，不满足时重复步骤S22～S23。
式中，表示时间步tk下，有限元单元i下一迭代步(n+1)的迭代模量；wi为节点i的湿度，通过S1中湿度场计算获得。/>代表tk时间步、有限元单元i第n次迭代计算的体应力；/>表示代表tk时间步、有限元单元i第n次迭代计算的径向应力大小；/>表示tk时间步、有限元单元i第n次迭代计算的竖向应力大小。
表示tk时间步、有限元单元i第n次迭代计算的八面体剪应力大小。
式(11)中mean表示求平均值函数。
S224，输出tk时间步迭代结束时的模量信息，按式(12)更新有限元单元i 第tk时间步的雅可比矩阵DDSDDEi(tk)，按式(13)更新单元应力，/>表示有限元单元i的下一时间步tk+1的初始模量。
S225，重复步骤S22～S24，进入下一时间步tk+1迭代计算，其单元模量初始值按式(14) 确定。直至响应计算全部结束，并输出表1所示关键响应指标峰值。
表示有限元单元i在第tk时间步、迭代计算完成时的节点拉梅系数，/>表示有限元单元i在第tk时间步、迭代计算完成时的节点剪切模量；最后一次迭代计算的也就是/>
分别表示有限元单元i在第tk时间步、迭代计算完成时的径向、竖向、环向、切向应力大小；最后一次迭代计算的/>也就是/>
分别表示有限元单元i在第tk时间步、迭代计算完成时径向、竖向、环向、切向应变增量大小；最后一次迭代计算的/>也就是
本发明实施例通过步骤S22考虑湿度和应力依赖的路基土非线性计算方法，预测路基处于平衡湿度状态下的性能，充分考虑了南方湿热地区路基湿化特性，以路基长期运营后的平衡湿度这一最不利状态作为设计的基准状态。此外，计算中所采用的路基土回弹模量及永久变形预估模型均为本申请发明人长期室内试验研究成果，在合理性及准确性上均进行了充分验证，较传统预估模型额外考虑了湿度和压实度影响，更符合路基现场实际特征。
S23，建立相同路面结构下的有限元模型，计算不同路基刚度下的路基顶面弯沉，获取路基顶面等效刚度-路基顶面弯沉曲线，见图2；模型中不设置改善层以及路基土的湿度和应力依赖特性，路基在计算时视为线弹性匀质体，实现了路基非均匀模量场的匀质等效。
S24，基于步骤S22计算不同改善层回弹模量和厚度取值下的路基顶面弯沉响应，查询步骤S23中所获得的路基顶面等效刚度-路基顶面弯沉曲线，获得不同厚度和回弹模量的改善层对应的路基等效刚度，进而绘制以改善层厚度为横坐标、路基等效刚度为纵坐标，改善层不同回弹模量对应的基于刚度控制的改善层设计诺莫图，如图3所示。
S3，进行不同作用次数、压实度、湿度和应力状态的室内永久变形试验，获取路基土永久变形预估模型拟合参数；读取路基平衡湿度状态下的湿度场模型，基于有限元的方法分别计算改善层不同回弹模量及厚度下的路基顶面永久变形，绘制基于变形控制的改善层设计诺莫图。
具体步骤如下：
S31，采集路基土土样，分别制作93％、94％、96％压实度，0.9womc、1.0womc、1.1womc、1.3womc下的三轴试件，采用《公路土工试验规程》T0194加载序列中的应力状态开展不1000，2000，5000，10000，20000，50000加载次数下的永久变形试验，获取不同压实度、含水率、应力状态下的路基土永久变形。采用线性规划或最小二乘法等方法，对式(6) 中模型参数α1，α2，α3，α4，α5和α6进行拟合；
其中，α1、α2、α3、α4、α5和α6为与土质有关的模型拟合参数；N为重复荷载作用次数，其余参数含义同式(5)。
S32，采用步骤S22中的考虑湿度和应力依赖的路基土动力响应计算方法，读取不同改善层模量和厚度取值的下的路基附加应力场及附加应变场分布。计算时，路基土回弹模量预估模型及路面结构相关参数取值同步骤S22。
S33，对每一个改善层模量和厚度取值情况分别开展路基顶面永久变形计算。首先，按附加竖向应变与自重应变比为0.1的标准计算得到路基工作区深度；然后，将路基工作区深度范围内的路基按0.25m一层进行划分，按式(7)和式(8)分别计算每一层中心处的竖向总应力σ1及侧向总应力σ3，并得到每一层中心性的体应力σoct与八面体剪应力τoct；进而，结合式(6)及步骤S31中所获得的路基土永久变形预估模型，计算每一层路基土永久变形。最后，按照分层总和法获得整个路基永久变形。
σ1＝σd+σB (7)
σ3＝σx,y+k0(σB) (8)
式中，σd为深度方向附加应力；σx,y是水平方向附加应力，k0表示侧压力系数， k0＝μ/(1-μ)，μ表示泊松比；σB为自重应力。
S34，绘制以改善层厚度为横坐标、以路基顶面永久变形为纵坐标，不同改善层回弹模量对应的基于变形控制的改善层设计诺莫图，如图4所示。图4为不同改善层模量及厚度情况下计算出来的永久变形曲线，根据实际变形要求能够获得不同改善层模量对应的最小改善层厚度。
S4，根据S2、S3得到的诺莫图，基于路基实际的刚度和变形需求，在一个坐标系内绘制满足刚度需求的改善层模量-厚度曲线和满足变形需求的改善层模量-厚度曲线，如图5所示；满足刚度需求的改善层模量-厚度曲线和满足变形需求的改善层模量-厚度曲线右上方的重叠区域为同时满足刚度和变形需求的改善层设计范围；根据现场所使用的改善层材料的实际模量，在同时满足刚度和变形需求的改善层设计范围确定当前改善层材料所需最小设计厚度。其中，改善层材料的实际模量的获取：获取现场所使用的改善层材料样本，按《公路土工试验规程》开展改善层材料模量测试方法进行模量测试，获取其回弹模量。
本发明实施例将包括改善层和路基在内的两种材料等效为一种匀质材料，以弯沉等效作为桥梁，计算改善层和路基土的综合代表模量，突破了传统基于单一刚度控制的路基改善层设计方法，提出了一种基于刚度和变形双控的路基顶面改善层设计方法。本发明以路基最不利状态作为设计状态，综合考虑路基刚度和变形要求，能够保障路基长期运营期内的稳定。
路基包括路堤和路堑，路堑为原地面往下开挖获得，路堤是原地面填筑结构；本发明实施例的设计方法能够扩展到路堑；本发明试验例中为路堤，路堤填料整体性质可控，其空间变异性小，更容易应用，计算精度更高。
试验例
以江西省南昌至樟树高速公路为例开展路堤设计示例计算，计算分为路堤湿度场计算，基于刚度控制的路堤改善层设计，以及基于变形控制的路堤改善层设计3部分。
1)路堤湿度场计算
收集了南昌自1997年～2017年的气象数据，依次如图6a～6d所示。
由于需要通过现场实测含水率来与数值模拟的含水率来进行对比，因此本数值模拟选用已运营的江西昌樟高速公路为依托工程，该依托工程已于1997年开始运营。依托工程的土质为含砂低液限黏土，塑限为21.5％，塑性指数为15.1，最大干密度为1.82g/cm3，最佳含水率为15.9％，0.075～2mm含量为31.1％，小于0.075mm的含量为56.5％，比重为2.75。路堤土水力学和热力学参数取值见表1。
表1路堤土体的水力学和热力学参数取值
图7为路堤湿度场计算模型图，采用GEOSTUDIO进行路堤长期湿度场计算，取最后一年的湿度状态作为路堤平衡湿度状态，计算结果如图8所示。
2)基于刚度控制的路堤改善层设计
通过室内三轴试验以获取路堤土材料参数，各结构层参数取值及路堤土水特征曲线分别如表2、表3所示。荷载采用分布宽度为0.3m大小为700kPa的半正弦荷载，加载时间为0.2s，计算模型如图9a～9b所示。假定路堤顶面所需的刚度要求为80MPa，分别假设10cm、15cm、20cm、25cm四种改善层厚度，模量分别为150MPa、200MPa、250MPa、 300MPa的16种改善层，分别采用步骤S22中所述的考虑湿度和应力依赖的有限元计算方法进行计算，可得到如图10所示的基于刚度控制的改善层设计诺莫图以及如图11所示的基于刚度需求的改善层需求曲线。
表2路面结构材料参数取值
表3土水特征曲线数学模型参数
3)基于变形控制的路堤改善层设计
首先，计算标准荷载作用下路堤附加竖向应变分布场，如图12所示。读取车轮作用中心处沿深度方向竖向应力分布，并计算不同深度处附加应力与自重应变比值，以比值0.1作为路堤工作区，也就是永久变形计算土层厚度。路堤永久变形计算深度区示意图如图13所示，由图中可见路堤修筑完成后的初始路堤工作区和平衡湿度下的路堤工作区差别较大，且不同时间不同车道不同时间的路堤永久变形计算深度也有所区别，这里主要选取快车道平衡湿度时2.55m作为路堤永久主要变形计算区域。
进而，读取路堤竖向应力分布场，并读取快车道中心沿深度方向的竖向应力分布，进行路堤永久变形计算。计算时，路堤土永久变形预估模型参数α1～α5分别取值为0.36、0.16、0.89、0.74和5.30，作用次数取1000万次。然后，进行不设置改善层情况下的永久变形计算，可得路堤永久变形为17.34mm，具体计算如表4所示。从表4中可见，路堤永久变形超过了路堤容许的最大变形13mm(由NCHRP设计方法规定)，因而需设置改善层。
表4快车道路堤顶面永久变形计算表
与前面计算类似，这里假设10cm、15cm、20cm、25cm四种厚度、模量分别为150MPa、200MPa、250MPa、300MPa的16种改善层，绘制了如图14所示的基于永久变形的改善层设计的诺莫图，根据实际改善层材料和设计要求刚度即可查图获得对应的厚度取值。由图中可见，若需满足永久变形要求，则需增加200MP改善层20cm、或者250MPa改善层16cm或者300MPa改善层14cm。进一步将符合条件的级配碎石模量和对应厚度，可绘制如图15所示的级配碎石厚度取值图，设计时所选择的改善层模量和对应厚度需落入曲线右上方。
本试验例中图11所示曲线完全在图15所示曲线右上侧，因为改善层设计应以图11所示灰色区域为准，即需增加250MP改善层26cm或者300MPa改善层22cm。
传统的基于最大干密度和最佳含水率可以获较高的施工质量，但是忽略了路基长期运营中的湿度折减。部分现有技术以湿度折减系数的方式来近似考虑这一因素，缺乏科学、可靠的计算方法。本发明所用预估模型均通过室内试验建立，构建模型时考虑了压实度、含水率、应力状态，加载次数，能够最大程度的表征路基土实际受力状态；将路基平衡湿度状态作为最终的设计状态，通过绘制基于刚度和变形控制的改善层曲线，最终确定改善层厚度，同时考虑了刚度和变形两指标，从两方面保障路基长期性能，可靠性、准确性更高，可应用耐久性路基设计，进一步完善耐久性沥青路面设计体系。
在依托工程中，选取典型路基边坡断面，进行了路基边坡的人工开挖与含水率测试。典型断面人工开挖示意图如图16所示，沿着土路肩外缘垂直下挖450cm，其中，竖直方向每间隔20cm取一个测试点，同时在水平面上每间隔30cm取一个测试点，分别测试其质量含水率。
为了验证有限元数值计算的准确性及建模方法的合理性，将湿度演化中的边坡湿度监测点与开挖后的实测含水率进行对比，对比结果如图17所示。从图17可知，除了靠近边坡外侧点外，监测点的数值计算值与实测值均非常接近，两者的平均误差在1％之内，表现出良好的一致性，表明路基湿度演变计算方法是有效的与准确的。
本发明实施例所述基于刚度和变形双控的路基顶面改善层设计方法如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明实施例所述基于刚度和变形双控的路基顶面改善层设计方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
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 (10)
1.一种基于刚度和变形双控的路基顶面改善层设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取路基所在地区的历史气象数据，通过室内试验获取路基土在对应气象数据下的土水特征曲线、渗透系数、导热系数、体积热容；在此基础上，计算路基运营期内的湿度演化，获得路基平衡湿度分布场；
S2：结合室内动三轴试验，获取考虑压实度、湿度和应力状态的路基土回弹模量预估模型；基于路基平衡湿度分布场，通过有限元的方法分别获取改善层不同回弹模量及厚度下的路基顶面弯沉；基于弯沉等效原则，确定路基顶面弯沉对应的路基等效刚度，进而绘制以改善层厚度为横坐标、路基等效刚度为纵坐标，改善层不同回弹模量对应的基于刚度控制的改善层设计诺莫图；
S3：结合室内动三轴试验，获取考虑作用次数、压实度、湿度和应力状态的室内永久变形预估模型；基于路基平衡湿度分布场，通过有限元的方法分别获取改善层不同回弹模量及厚度下的路基顶面永久变形；绘制以改善层厚度为横坐标、以路基顶面永久变形为纵坐标，不同改善层回弹模量对应的基于变形控制的改善层设计诺莫图；
S4，根据S2、S3得到的诺莫图，基于路基实际刚度和变形需求，在一个坐标系内绘制满足刚度需求的改善层模量-厚度曲线和满足变形需求的改善层模量-厚度曲线；根据现场所使用的改善层材料的实际回弹模量，在同时满足刚度和变形需求的改善层设计范围确定当前改善层所需最小设计厚度。
2.根据权利要求1所述一种基于刚度和变形双控的路基顶面改善层设计方法，其特征在于，所述S1中，气象数据包括温度、湿度、风速和降雨量；采用GeoStudio软件通过湿度场长期理论计算路基运营期内的湿度演化，获得路基平衡湿度状态。
3.根据权利要求1所述一种基于刚度和变形双控的路基顶面改善层设计方法，其特征在于，所述S2中，考虑压实度、湿度和应力状态的路基土回弹模量预估模型为：
式中，MR指路基土回弹模量；K为压实度，％；w为实际含水率；womc为最佳含水率；pa为大气压强；σoct为体应力；τoct为路基土八面体剪应力；k0，k1，k2，k3和k4表示与土质有关的模型拟合参数。
4.根据权利要求1所述一种基于刚度和变形双控的路基顶面改善层设计方法，其特征在于，所述S2具体为：
S21，确定考虑压实度、湿度和应力状态的路基土回弹模量预估模型中的模型参数；
S22，建立包含路面结构的改善层不同回弹模量和厚度取值的有限元模型，并导入S1中所获得的路基湿度场，分别计算标准轴载作用下的顶面弯沉大小，计算时考虑路基的湿度和应力依赖特性；
S23，建立相同路面结构下的有限元模型，计算不同路基刚度下的路基顶面弯沉，获取路基顶面等效刚度-路基顶面弯沉曲线；模型中不设置改善层以及路基土的湿度和应力依赖特性，路基在计算时视为线弹性匀质体；
S24，结合步骤S23中所获得的路基顶面等效刚度-路基顶面弯沉曲线，根据弯沉等效原则获得S22中不同改善层回弹模量和厚度取值下的路基等效刚度，进而绘制改善层设计诺莫图。
5.根据权利要求4所述一种基于刚度和变形双控的路基顶面改善层设计方法，其特征在于，所述步骤S22中考虑路基湿度和应力依赖特性的有限元计算方法，具体步骤如下所示：
S221，赋予路基土结构层各单元初始模量i为有限元单元编号，t0为初始时间步；
S222，采用有限元数值计算方法获得tk时间步下各有限元单元应变大小，每个时间步内，按式(9)计算有限元单元应力大小；
其中，上标(n)表示第n步迭代，n＝0,1,2,…； 表示有限元单元i在第tk时间步、第n次迭代的节点拉梅系数；/> 表示有限元单元i在第tk时间步、第n次迭代的节点剪切模量；拉梅系数和剪切模量都是弹性力学中的物理参数，用于描述应力应变关系；
分别为有限元单元i在第tk时间步、第n次迭代的径向、竖向、环向、切向应力大小；/>表示有限元单元i第n次迭代的单元模量大小；分别为有限元单元i第n次迭代的径向、竖向、环向、切向应变增量大小；i表示有限元单元的编号；tk为计算时间步；
tk＝t0,t1,t2,...,T0；T0为计算总时长；分别表示第tk-1时间步迭代结束时的径向、竖向、环向、切向应变大小，上标“—”表示迭代结束时的应力应变取值；μ表示泊松比；
S223，按式(10)更新tk时间步时第(n+1)次迭代时单元i的模量大小，并重新计算应变增量按式(11)进行收敛判定，满足条件时时结束迭代，不满足时重复步骤S22～S23；
式中，表示时间步tk下，有限元单元i下一迭代步(n+1)的迭代模量；wi为节点i的湿度，通过S1中湿度场计算获得；/>代表tk时间步、有限元单元i第n次迭代计算的体应力；/>表示代表tk时间步、有限元单元i第n次迭代计算的径向应力大小；/>表示tk时间步、有限元单元i第n次迭代计算的竖向应力大小；
表示tk时间步、有限元单元i第n次迭代计算的八面体剪应力大小；
式(11)中mean表示求平均值函数；
S224，输出tk时间步迭代结束时的模量信息，按式(12)更新有限元单元i第tk时间步的雅可比矩阵DDSDDEi(tk)，按式(13)更新单元应力；
表示有限元单元i在第tk时间步、迭代计算完成时的节点拉梅系数，/>表示有限元单元i在第tk时间步、迭代计算完成时的节点剪切模量；最后一次迭代计算的/>也就是/>
分别表示有限元单元i在第tk时间步、迭代计算完成时的径向、竖向、环向、切向应力大小；最后一次迭代计算的/>也就是/>
分别表示有限元单元i在第tk时间步、迭代计算完成时径向、竖向、环向、切向应变增量大小；最后一次迭代计算的/>也就是/>
S225，重复步骤S22～S24，进入下一时间步tk+1迭代计算，其单元模量初始值按式(14)确定，直至响应计算全部结束，并输出关键响应指标峰值；
表示有限元单元i的下一时间步tk+1的初始模量。
6.根据权利要求1所述一种基于刚度和变形双控的路基顶面改善层设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，考虑作用次数、压实度、湿度和应力状态的室内永久变形预估模型为：
其中，α1、α2、α3、α4、α5和α6为与土质有关的模型拟合参数；N为重复荷载作用次数，K为压实度，％；w为实际含水率；womc为最佳含水率；pa为大气压强；σoct为体应力，τoct为路基土八面体剪应力。
7.根据权利要求1所述一种基于刚度和变形双控的路基顶面改善层设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，具体为：
S31，确定考虑作用次数、压实度、湿度和应力状态的室内永久变形预估模型中的模型参数；
S32，采用考虑湿度和应力依赖的路基土动力响应计算方法，读取改善层不同回弹模量和厚度取值下的路基附加应力场及附加应变场分布；
S33，针对每一个改善层模量和厚度取值情况分别开展路基顶面永久变形计算；首先，按附加竖向应变与自重应变比计算得到路基工作区深度；然后，将路基工作区深度范围内的路基进行分层划分，按式(7)和式(8)分别计算每一层中心处的竖向总应力σ1及侧向总应力σ3，并得到每一层中心性的体应力σoct与八面体剪应力τoct；进而，根据路基土永久变形预估模型，计算每一层的永久变形；最后，按照分层总和法获得路基顶面永久变形；
σ1＝σd+σB (7)
σ3＝σx,y+k0(σB) (8)
式中，σd为深度方向附加应力；σx,y是水平方向附加应力，k0表示侧压力系数，k0＝μ/(1-μ)，μ表示泊松比；σB为自重应力；
S34，根据步骤S33中的计算结果，绘制改善层设计诺莫图。
8.根据权利要求1所述一种基于刚度和变形双控的路基顶面改善层设计方法，其特征在于，所述步骤S4中，同时满足刚度和变形需求的改善层设计范围为：满足刚度需求的改善层模量-厚度曲线和满足变形需求的改善层模量-厚度曲线右上方的重叠区域。
9.一种电子设备，其特征在于，采用如权利要求1～8任一项所述的方法实现路基顶面改善层设计。
10.一种计算机存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有至少一条程序指令，所述至少一条程序指令被处理器加载并执行以实现如权利要求1～8任一项所述的基于刚度和变形双控的路基顶面改善层设计方法。
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| 公路膨胀土路基变形预测与控制方法;郑健龙;张锐;;中国公路学报;20150315(第03期);全文 * |
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