CN117007429A - 考虑静偏应力水平的路基土动力性能试验方法 - Google Patents
考虑静偏应力水平的路基土动力性能试验方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117007429A CN117007429A CN202310985378.0A CN202310985378A CN117007429A CN 117007429 A CN117007429 A CN 117007429A CN 202310985378 A CN202310985378 A CN 202310985378A CN 117007429 A CN117007429 A CN 117007429A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- stress
- roadbed
- sigma
- loading
- dynamic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000002689 soil Substances 0.000 title claims abstract description 80
- 230000003068 static effect Effects 0.000 title claims abstract description 77
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 238000011056 performance test Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 91
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 claims abstract description 46
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 30
- 238000010998 test method Methods 0.000 claims description 14
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 13
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 9
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 8
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 claims description 7
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 4
- 238000009828 non-uniform distribution Methods 0.000 claims description 4
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 3
- 239000004927 clay Substances 0.000 description 20
- 239000004576 sand Substances 0.000 description 14
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 10
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 5
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 3
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 2
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 239000010426 asphalt Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 238000007596 consolidation process Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000008188 pellet Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/32—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying repeated or pulsating forces
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
本发明公开了一种考虑静偏应力水平的路基土动力性能试验方法，包括以下步骤：参照试验规程制作试件，按照加载序列依次进行试验，记录各序列下的回弹模量；按照加载序列中的应力状态开展循环加载，重复加载多次，制作路基土永久变形‑加载次数曲线；所述加载序列包括围压、循环应力、接触应力、接触应力与循环应力比、加载次数；以循环应力模拟行车动载，以接触应力模拟自重应力；根据试验结果拟合得到回弹模量和永久变形的预估模型。本发明全面考虑了路基内部应力状态，将路基土动力性能从浅层拓展到路基全部范围，更符合路基实际受力状态，更适合高填路基。
Description
技术领域
本发明属于道路工程技术领域，涉及一种考虑静偏应力水平的路基土动力性能试验方法。
背景技术
路基是道路的基础，其性能的准确测定有助于开展路面结构设计。现有路基土动力性能试验主要通过动三轴试验系统开展，包括回弹模量和永久变形试验。对于回弹模量试验，即通过获得路基土在一系列不同的围压及偏应力组合下的回弹模量来获取路基土应力依赖特性；对于永久变形，即通过大量反复加载来获取路基土在一系列不同的围压及偏应力组合下的永久变形曲线特征。在获得路基的动力性能后，结合试验结果即可对路基土的刚度和变形特性开展研究，进一步指导实际路面工程。但现有技术(《公路土工试验规程》JTG D3430-2020、AASHTO T307-99、ZL201710764361.7、ZL201610840586.1、ZL201910534325.0)在确定各级加载序列的应力状态时，接触应力大多考虑为围压或接触应力的固定倍数，其代表的也仅仅是路基浅层的应力状态；在进行动力性能分析时，也并未将循环应力(动偏应力)及接触应力(静偏应力)区分考虑，即并未区分偏应力动静来源。但实际上，路基内每一点实际受到由于车辆动载及自重应力的影响，本质上是一种动静并存的受力状态，而动静效应会对路基土动力性能产生显著影响。
现有技术存在以下问题：
(1)现有回弹模量及永久变形试验方法在实验时，接触应力大多为围压和循环应力的固定倍数，所施加的应力状态仅能代表路基浅层而无法覆盖路基内部。
(2)现有回弹模量及永久变形预估模型并未区分偏应力的动静来源，由此导致预估模型本身存在偏差，无法准确计算路基整体结构。
因而，本发明结合路基内部实际受力状态提出了考虑静偏应力水平的路基土动力性能试验方法，并提出了考虑静偏应力水平的回弹模量及永久变形预估模型。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种考虑静偏应力水平的路基土动力性能试验方法，全面考虑了路基内部应力状态，将路基土动力性能从浅层拓展到路基全部范围，更符合路基实际受力状态，更适合高填路基，解决了现有技术中存在的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种考虑静偏应力水平的路基土动力性能试验方法，包括以下步骤：
S1，参照试验规程制作试件，按照加载序列依次进行试验，记录各序列下的回弹模量；按照加载序列中的应力状态开展循环加载，重复加载多次，制作路基土永久变形-加载次数曲线；所述加载序列包括围压、循环应力、接触应力、接触应力与循环应力比、加载次数；以循环应力模拟行车动载，以接触应力模拟自重应力；
S2，根据试验结果拟合得到回弹模量和永久变形的预估模型。
进一步的，所述S1中，加载序列应力状态的确定：
S11，通过移动荷载作用下路面结构动力响应计算方法，在多种已有路面结构各层结构参数中随机生成多组不同厚度、不同弹性模量、不同水平和垂直方向弹性模量比、不同层间接触条件的路面结构，分别计算在不同车速下多个路基不同深度处的竖向动载、水平动载；
S12，根据路基内部应力状态和三轴试验应力状态的关系式，建立从路基动力响应到室内三轴试验加载应力状态的关系，如式(4)所示，获得不同路面结构下路基不同深度位置的围压、循环应力及接触应力组合；
式中，k0为静止土压力系数，在弹性体系内，k0＝μ/(1-μ)，μ表示泊松比；ρ为路基土密度；z为路基中某一点与路基面垂直的距离；g为重力加速度；σ3表示围压，σd表示循环应力，σD1为竖向动载；σc表示接触应力；σ0为上覆路面结构重度；
σD3为水平动载，按式(5)计算：
式中，σDx和σDy分别为x方向和y方向的动载大小，即道路纵向和横向的动载大小；
S13，在接触应力-循环应力-围压的三维应力空间内将所有路基应力状态进行绘制，并找到应力状态的包络顶面及包络底面，在包络顶面及包络底面上基于多水平的围压、接触应力和循环应力，选取典型应力状态点，按照循环应力从小到大的原则，对最典型应力状态进行重新排列，即得。
进一步的，所述S11中，通过式(3)考虑路基回弹模量沿深度的非均匀分布；
EvN(z)＝Ev0+(Ev∞-Ev0)(1-e-αz) (3)
式中，EvN(z)为路基沿深度的垂直弹性模量，MPa；Ev0为路基表面回弹模量；Ev∞为路基无穷处垂直回弹模量，MPa；α为无量纲常数；e为自然常数。
进一步的，所述S11中，多种已有路面结构各层结构参数包括：弹性模量、水平和垂直方向弹性模量比、垂直方向泊松比、水平方向泊松比、结构层厚度、结构层的土密度、层间接触系数。
进一步的，所述上覆路面结构重度σ0按实际路面厚度及密度计算：
其中，ρi为第i层路面结构密度；hi为第i层路面结构厚度。
进一步的，所述S2中，回弹模量的预估模型见式(1)：
式中，MR为回弹模量；k0，k1，k2，k3为拟合参数；θ为体应力，θ＝3σ3+σc+σd；τoctD为动偏应力，τoctS为静偏应力，/>σ3为围压；σc为接触应力；σd为循环应力，pa为大气压。
进一步的，所述S2中，永久变形的预估模型见式(2)：
式中，ω为永久变形；α0，α1，α2，α3，α4为拟合参数；θ为体应力，θ＝3σ3+σc+σd；τoctD为动偏应力，τoctS为静偏应力，/>σ3为围压；σc为接触应力；σd为循环应力；N为循环荷载加载次数，pa为大气压。
进一步的，所述S1中，循环应力为半正弦脉冲荷载。
本发明的有益效果是：
(1)本发明实施例全面考虑了路基内部应力状态，提出了更符合路基实际受力状态的加载序列，实验时以循环应力模拟行车动载，以接触应力模拟自重应力；在构建预估模型时，区分了偏应力的动静来源，更符合路基实际中沿深度方向动力减小、静力增加，动静力比沿深度方向逐渐下降的特性，从而将路基土动力性能从浅层拓展到路基全部范围，更适合高填路基，具有重要指导意义。
(2)本发明较传统的路基土回弹模量及永久变形预估模型更准确地表征路基动力特性；此外，在进行路基数值计算时，可将回弹模量预估模型写入路基开展非均匀模量场计算，较传统的预估模型可取得更高的精度。
(3)本发明的预估模型能够兼容传统加载序列试验和本发明实施例设计的新加载序列，适应性更强。
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是本发明实施例中移动荷载下多层层状体系力学模型。
图2是图1中路基沿深度的垂直模量EvN(z)的曲线。
图3是本发明实施例中路基土应力状态包络面。
图4是本发明实施例中路基土点应力状态选取。
图5a是本发明实施例不同静偏应力水平(合偏应力30kPa)的三轴试验结果。
图5b是本发明实施例不同静偏应力水平(合偏应力60kPa)的三轴试验结果。
图5c是本发明实施例不同静偏应力水平(合偏应力90kPa)的三轴试验结果。
图5d是本发明实施例不同静偏应力水平(合偏应力120kPa)的三轴试验结果。
图6是本发明实施例不同静偏应力水平拟合结果(NCHRP 1-28A模型)。
图7a是本发明实施例中广州粘土在传统加载序列下路基土动三轴试验结果。
图7b是本发明实施例中长沙粘土在传统加载序列下路基土动三轴试验结果。
图7c是本发明实施例中内蒙古砂类土在传统加载序列下路基土动三轴试验结果。
图8a是本发明实施例中广州粘土在另一传统加载序列下路基土动三轴试验结果。
图8b是本发明实施例中长沙粘土在另一传统加载序列下路基土动三轴试验结果。
图8c是本发明实施例中内蒙古砂类土在另一传统加载序列下路基土动三轴试验结果。
图9a是本发明实施例中广州粘土在新加载序列下路基土动三轴试验结果。
图9b是本发明实施例中长沙粘土在新加载序列下路基土动三轴试验结果。
图9c是本发明实施例中内蒙古砂类土在新加载序列下路基土动三轴试验结果。
图10a是本发明实施例中经典路基土回弹模量预估模型拟合结果(全部序列、广州粘土)。
图10b是本发明实施例中经典路基土回弹模量预估模型拟合结果(全部序列、长沙粘土)。
图10c是本发明实施例中经典路基土回弹模量预估模型拟合结果(全部序列、蒙古砂类土)。
图11a是本发明实施例中新回弹模量预估模型拟合结果(全部序列、广州粘土)。
图11b是本发明实施例中新回弹模量预估模型拟合结果(全部序列、长沙粘土)。
图11c是本发明实施例中新回弹模量预估模型拟合结果(全部序列、蒙古砂类土)。
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。
本发明实施例的基本构思：
我国路基土动力性能试验方法和装置基本从美国引进，美国路基普遍填筑高度小，因而加载序列在设置上大多忽略了自重应力的存在，即仅能反映路基浅层的应力状态。接触应力通常仅用于使做动器与试件表面接触紧密，防止脱空而设置。路基动力性能试验方法长期以来都是忽略了静偏应力作用的。国内大部分学者在研究时往往不会过多的将注意力集中于实验方法本身，而是集中于进一步开展路基非均匀模量场计算上；现有文献也鲜有关于静偏应力(接触应力)水平影响的研究。部分现有技术提到了静偏应力水平，但仍是通过固结应力比确定的，永久变形考虑静偏应力是由于路基土在长期静载下存在蠕变，但这种考虑方式也仅能代表表层路基土，在预估模型上仍未区分考虑。
我国路基普遍填筑深，10m以上的路基填筑十分普遍，因而上覆静载不得不考虑。申请人之前也一直在使用传统的不区分动静效应的试验方法开展研究，但一次偶然的试验让申请人认识到了接触应力与循环应力在粘土动三轴中对回弹模量的影响效果完全相反，因而提出了本发明。即使认识到了静偏应力水平对路基土动力性能显著影响外，要提出相应的加载序列仍是十分困难的。传统的平面应变并不能准确代表路基土实际应力状态，而三维移动荷载需要较强的力学系统知识，本发明专利也是基于本申请人前期研究成果建立的，结果能包络路基的全应力状态。本发明实施例采用考虑静偏应力水平的实验方法以及预估模型，进一步提高了动力响应计算精度，为进一步提高我国耐久性路基设计及建造水平奠定试验基础。本发明需要克服传统试验方法认识，不仅仅是理念上的突破，在实验方法上还需要比较大的创新。
实施例
一种考虑静偏应力水平的路基土动力性能试验方法，包括以下步骤：
S1，根据现行《公路土工试验规程》JTG D3430-2020中T0194-2019实验方法，对于细粒土，按照100mm直径、200mm高度成形试件；对于粗粒土，按照150mm直径、300mm高度成形试件。其中，试件的物性状态(含水率、压实度)可根据试验者需求改变。对于回弹模量试验，按表1所示加载序列依次进行试验，记录下各序列下的回弹模量。对于永久变形试验，可按表1中第13、16、25、28四种应力状态(不限于上述4种应力状态)开展循环加载，每一种应力状态下重复加载1万次，记录路基土永久变形-加载次数曲线。实验中，循环应力为半正弦脉冲荷载，荷载作用时长取100ms。
表1考虑静偏应力水平路基土加载序列
表1中的加载序列应力状态的确定：
S11，应用移动荷载作用下路面结构动力响应计算方法(论文：Soil Dynamics andEarthquake Engineering,2022,1660:107358,DOI:10.1016/j.soildyn.2022.107358、软件著作：2021SR1440504)在表2-3所示范围内随机生成1000组不同厚度、不同弹性模量、不同水平和垂直方向弹性模量比值、不同层间接触条件(各结构层间的接触状况，从完全连续到完全滑动渐变)的路面结构。分别计算不同车速下z＝0.0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.8，1.0，1.2，1.4，1.6，1.8，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0m共18个深度处的竖向动载、水平动载；z为路基中某一点与路基面垂直的距离，m。其中，计算的力学模型如图1-2所示，在路基中，考虑回弹模量沿深度的非均匀分布，其表达式如式(3)所示：
EvN(z)＝Ev0+(Ev∞-Ev0)(1-e-αz) (3)
式中，EvN(z)为路基沿深度的垂直弹性模量，MPa；Ev0为路基表面回弹模量；Ev∞为路基无穷处垂直回弹模量，MPa；α为描述回弹模量沿深度变化程度的无量纲常数；e为自然常数，e≈2.718。由于深度越深，围压越大，路基回弹模量相应增加，式(3)可以简单描述这一特征。但具体的模量分布需要通过考虑非线性的路基回弹模量计算获得，式(3)引入主要用于揭示路基内部的应力状态，并使得计算时尽可能接近实际路基模量分布情况。弹性模量是力学计算中的一个物理量，描述的是应力应变比值。在计算时通常去弹性模量等于回弹模量。
图1中，a0表示移动荷载长轴，b0表示移动荷载短轴；V表示速度；t表示时间；n表示第n层路面结构，N表示最后一层(即路基)。
轴载考虑为700kPa，直径21.3cm的双圆垂直均布荷载，通过叠加法获得。表2中路基路面参数范围结合《公路沥青路面设计规范》JTG D50-2017确定。
表2无机结合料稳定类基层和粒料类底基层路面结构参数取值表
注：层间接触系数1×10-10近乎完全连续，1×10-4则基本处于完全滑动。
表3无机结合料稳定类基层和无机结合料稳定类底基层路面结构参数取值表
表2-3中的数据用于计算大量路面结构下的路基内部应力状态分布情况，即应力状态尽可能覆盖所有的路面结构。总结不同路面结构下路基实际受力特性，以全面揭示运营期路基实际受力状态，进而获得准确的考虑静偏应力水平的加载序列。
表2-3中的ne表示水平和垂直方向弹性模量比；μv表示垂直方向泊松比；μh表示水平方向泊松比；h表示结构层厚度，z表示以面层顶面作为z＝0的坐标系值，即hi＝zi-zi-1。
S12，根据路基内部应力状态和三轴试验应力状态的关系式，建立从路基动力响应到室内三轴试验加载应力状态的关系，如式(4)所示，获得不同路面结构下路基不同深度位置的围压、循环应力及接触应力大小，尽可能覆盖路基整体应力分布的加载序列。
式中，k0为静止土压力系数，在弹性体系内，k0＝μ/(1-μ)，μ表示泊松比；ρ为路基土密度；z为路基中某一点与路基面垂直的距离；g为重力加速度，取9.8m/s2；σ3表示围压，即自重应力产生的水平静载和水平动载的总和；σd表示循环应力，即路基竖向动载；σD1为竖向动载，通过S11步骤获得；σc表示接触应力，即由于自重应力产生的静偏应力大小；σ0为上覆路面结构重度，按实际路面厚度及密度计算：ρi为第i层路面结构密度；hi为第i层路面结构厚度。
σD3为水平动载，按式(5)计算：
式中，σDx和σDy分别为x方向和y方向(即水平面的道路纵向和横向)的动载大小；由于移动荷载作用下，x方向和y方向动载不一样，但室内动三轴试验只能施加一个围压，因而在实际处理时，将动力响应中的x、y方向动载求平均作为水平动载进而获得三轴试验中的应力状态。
然后，在接触应力-循环应力-围压的三维应力空间内将所有应力状态进行绘制，并找到应力状态的包络顶面及包络底面，如图3所示。根据图3的包络面，选取围压20kPa、40kPa、60kPa、80kPa四水平；接触应力10kPa、25kPa、40kPa、55kPa四水平以及循环应力15kPa、35kPa、55kPa、75kPa四水平，选取了如图4所示的28个典型应力状态点。其中，考虑到过小的循环应力将影响测试精度，所选的典型应力状态最小循环应力为15kPa。进而，参考现行T0194-2019试验规程加载序列，按照循环应力从小到大的原则，对最典型应力状态进行重新排列，形成了表1所示的28级加载序列。加载序列前16级为小偏应力水平，主要模拟路基底层应力状态，序列17～28主要模拟浅层路基应力状态。对于回弹模量试验，单个试件可按照表1完成一整套回弹模量加载；对于永久变形，考虑到每一应力状态都需要单个试件重复加载1万次，可仅开展第13、16、25、28四种应力状态。
移动荷载作用下的多层层状动力体系解析解推导、编程计算难度大，多层动力体系解析解推导需要用到：积分变换、微分方程求解、数值积分逆变换以及相应程序编写。传统的路基视为线弹性，具有现有方法，而将路基模量沿深度方向考虑为非线性分布后，传统的常系数常微分方程组变成为了变系数常微分方程组，进一步增加了求解难度。
本发明实施例为准确获取路基内部应力状态分布，提出能够包络路基全应力分布的加载序列以及动力性能试验方法，在解析解推导时引入了路面结构黏弹性、横观各向同性、层间接触条件以及路基模量沿深度方向的非均匀分布，求解难度大。
S2，根据试验结果，按式(1)拟合回弹模量试验结果；按式(2)拟合永久变形试验结果。拟合方式可采用最小二乘法或梯度下降算法，通过Excel规划求解功能或任何已知拟合方法实现。
式中，MR为回弹模量；ω为永久变形；k0，k1，k2，k3，α0，α1，α2，α3，α4为拟合参数；θ为体应力，θ＝3σ3+σc+σd；τoctD为动偏应力，τoctS为静偏应力，/>σ3为围压；σc为接触应力；σd为循环应力；N为循环荷载作用次数。
传统路基土动力试验仅针对路基浅层状态，且在偏应力的考虑上并未区分动静来源。该预估模型不仅仅在测试上考虑动静效应，在预估模型上也考虑动静效应。
本发明实施例针对传统路基土动力性能试验方法中存在应力状态无法准确覆盖路基结构、预估模型未区分动静效应的问题，分析了移动荷载作用下路基内部实际应力状态，提出了考虑静偏应力水平的路基土应力状态，并提出了考虑静偏应力水平的回弹模量及永久变形预估模型，较传统的方法能更准确表征路基土动力效应。
为验证静偏应力水平对路基回弹模量的影响，揭示传统路基土动力性能试验方法及预估模型问题，以回弹模量试验为例，开展2项试验。
试验1：静偏应力水平对路基土回弹模量影响探究；
为探究不同静偏应力水平对路基土回弹模量影响，设定了如表4所示的不同静偏应力水平下动三轴试验加载序列，加载序列参考现行T0194-2019试验规程。其中，围压(σ3)考虑为四水平，分别为60、45、30、15kPa；合偏应力(σc+σd)设定为30、60、90、120kPa等四水平；对于每一个围压和合偏应力，考虑85％，70％，50％，30％，15％五静偏应力水平(σc/(σc+σd))，静偏应力则通过调整接触应力实现。所取路基土试件(96％压实度、最佳含水率)为广州地区含砂低液限黏土，其最大干密度1.80g/cm3，最佳含水率为12.10％，塑限20.20％，液限34.60％，细粒含量60.50％。试验采用采用长沙理工大学公路养护技术国家工程研究中心的Dynatriax100/14动三轴试验系统，围压通过气压实现，接触应力和循环荷载通过做动器施加。参照《公路土工试验规程》T0194-2019试验规程，循环荷载为作用时长100ms，加载频率1Hz半正弦脉冲荷载，每一个偏应力水平下进行100次重复加载，并取最后五次均值计算回弹模量，结果如图5a-5d所示。可知，在围压和合偏应力一定情况下，静偏应力水平也会对路基土回弹模量产生显著影响。
表4不同静偏应力水平下的动三轴试验加载方案
应用当前广泛应用的NCHRP 1-28A回弹模量预估模型对上述试验结果开展拟合，拟合效果如图6所示。可见，传统模型在处理试验数据时，并未区分动力和静力，由此必然导致拟合效果不理想。现有的路基土回弹模量无论是在测试方法还是模型建立上，都需要考虑不同静偏应力水平。
试验2：考虑静偏应力水平的回弹模量预估模型适用性研究。
选取粘土、砂类土2种典型细粒土，采用现行《公路土工试验规程》完成了基本土性试验测，结果如表5所示。为充分评估传统预估模型，首先采用传统T0194-2019以及AASHTO307-99加载序列(下称传统序列)进行试验，然后采用表1所提出的考虑不同偏应力水平及加卸载时长加载序列(下称新序列)开展试验。考虑到试验主要目的为提出一种路基土回弹模量预估模型，在工况设置上不考虑含水率和压实度变化，均按照最佳含水率和96％压实度制件。参照T0194-2019试验规程，试件直径为100mm、高度200mm，土颗粒粒径应小于20mm。制件步骤如下，首先，剔除大颗粒后于烘箱加热10小时直至完全干燥；然后，配置到最佳含水率状态并密封保存48小时，使其含水率分布均匀。接着，采用万能试验仪，分5层按96％压实度静压成型试件，成型时应尽量保证每一层层厚和质量一致。成型后密封保存2天，使试件内部水分分布均匀。此外，考虑到试验可靠性，每种土样制作两个平行试件。
T0194-2019是我国现行规范的加载序列，T307-99是美国AASHTO规范的加载序列，这两个加载序列就是现行国内外应用最广泛的加载序列，与本发明中新序列的区别在于对于接触应力的考虑，即传统加载序列未考虑接触应力变化，新序列考虑了这一因素。
表5路基土基本物性参数
图7a-7c，图8a-8c为以上三种路基土在两种传统加载序列(T0194-2019、AASHTO307-99)下的试验结果，对于本发明实施例所提出考虑静偏应力水平的试验结果如图9a-9c所示，图例分别表示接触应力和循环应力大小，比如图9a中图例“10-15”具体表示接触应力10/kPa，循环应力15/kPa。从图中可见，无论是粘土还是砂类土，在传统三轴试验加载序列下，均表现出围压越大，模量越大；且在固定循环应力和围压情况下，其回弹模量均受接触应力的显著影响。对于广州粘土和长沙粘土，其回弹模量随循环应力增加回弹模量呈现出下降趋势，随围压增加其回弹模量呈现增加趋势。对于内蒙古砂类土，其回弹模量受围压的显著影响；但与上述两种粘土不同的是，在固定围压和接触应力下，回弹模量基本不受循环应力影响。
主流经典的基于应力状态的预估模型包括K-θ模型、Uzan模型、NCHRP 1-28A模型以及Ni模型，其表达式如表6所示，表中体应力θ与偏应力τoct计算同式(1)。分别应用上述4种预估模型对上述三种路基土试验结果开展拟合，拟合采用EXCEL规划求解模块，以误差平方和最小为拟合目标。拟合结果如表6和图10a-10c所示。从拟合结果可知，由于砂类土回弹模量受接触应力和循环应力影响较小，各模型拟合效果均较为理想；而对于粘土，各预估模型预测结果差别较大，K-θ模型由于未考虑剪切作用，预测效果不佳；而Uzan模型、NCHRP 1-28A模型和Ni模型考虑了剪切作用，对于传统加载序列测试结果拟合效果较为理想。而经典模型由于未考虑静偏应力水平影响，对所有序列的拟合均不理想。由此可见，经典回弹模量预估模型无法准确描述粘土回弹模量特性。
表6经典路基土回弹模量预估模型及拟合结果
/>
全部序列是指，同时将T0194-2019、T307-99、新序列试验结果数据放在一起进行，每一组数据包括：接触应力、循环应力、围压、回弹模量。传统的试验方法通过施加传统的加载序列，再结合特定的形式建立路基土回弹模量预估模型，由于加载序列应力状态的片面性，使得提出的预估模型仅能在加载序列范围内预测路基土回弹模量。正如表6中，不同的加载序下哪怕采用相同的预估模型拟合结果也大不相同，一方面是加载序列应力范围的局限性，另一方面是预估模型并未考虑偏应力动静来源。而真正来说，好的路基土回弹模量预估模型是能够描述路基处于任意应力状态下的回弹模量，本质上不应该区分加载序列，因而本实施例采用全部序列进行拟合尝试。例如Ni、NCHRP 1-28A、Uzan模型在单独拟合传统序列时取得了理想的结果，但是对于全部序列拟合效果则非常不理想，由此说明现有的加载序列不够全面，现有的预估模型也难以真正实现路基回弹模量的准确预测。
采用考虑静偏应力水平的回弹模量预估模型，分别对上述不同加载序列下的回弹模量开展拟合，拟合结果如表7和图11a-11c所示。可见，模型考虑偏应力来源后，可很好的拟合所有的加载序列，相关系数均在0.95以上。因而，有必要在路基土回弹模量加载序列及预估模型中考虑不同静偏应力水平，新提出的路基土预估模型在路基土回弹模量表征上优于传统基于应力状态的预估模型，也可兼容传统的加载序列结果。
表7新回弹模量预估模型(式(1))拟合结果
传统不区分动静的计算方式在浅层也许计算较为准确，但对于路基较深处的计算存在偏差。本发明实施例中考虑静偏应力水平的路基土动力性能(回弹模量和永久变形)试验方法，对试验方法和模型进行改进，将路基土动力性能从浅层拓展到路基全部范围，有效解决了传统方法存在的应力状态片面性、预估模型未区分偏应力动静来源等问题，与我国广泛存在的高填路堤相适应，对我国耐久性路基设计理论具有积极意义，对完善耐久性路基设计体系具有重要意义。
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 (8)
1.一种考虑静偏应力水平的路基土动力性能试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，参照试验规程制作试件，按照加载序列依次进行试验，记录各序列下的回弹模量；按照加载序列中的应力状态开展循环加载，重复加载多次，制作路基土永久变形-加载次数曲线；所述加载序列包括围压、循环应力、接触应力、接触应力与循环应力比、加载次数；以循环应力模拟行车动载，以接触应力模拟自重应力；
S2，根据试验结果拟合得到回弹模量和永久变形的预估模型。
2.根据权利要求1所述一种考虑静偏应力水平的路基土动力性能试验方法，其特征在于，所述S1中，加载序列应力状态的确定：
S11，通过移动荷载作用下路面结构动力响应计算方法，在多种已有路面结构各层结构参数中随机生成多组不同厚度、不同弹性模量、不同水平和垂直方向弹性模量比、不同层间接触条件的路面结构，分别计算在不同车速下多个路基不同深度处的竖向动载、水平动载；
S12，根据路基内部应力状态和三轴试验应力状态的关系式，建立从路基动力响应到室内三轴试验加载应力状态的关系，如式(4)所示，获得不同路面结构下路基不同深度位置的围压、循环应力及接触应力组合；
式中，k0为静止土压力系数，在弹性体系内，k0＝μ/(1-μ)，μ表示泊松比；ρ为路基土密度；z为路基中某一点与路基面垂直的距离；g为重力加速度；σ3表示围压，σd表示循环应力，σD1为竖向动载；σc表示接触应力；σ0为上覆路面结构重度；
σD3为水平动载，按式(5)计算：
式中，σDx和σDy分别为x方向和y方向的动载大小，即道路纵向和横向的动载大小；
S13，在接触应力-循环应力-围压的三维应力空间内将所有路基应力状态进行绘制，并找到应力状态的包络顶面及包络底面，在包络顶面及包络底面上基于多水平的围压、接触应力和循环应力，选取典型应力状态点，按照循环应力从小到大的原则，对最典型应力状态进行重新排列，即得。
3.根据权利要求2所述一种考虑静偏应力水平的路基土动力性能试验方法，其特征在于，所述S11中，通过式(3)考虑路基回弹模量沿深度的非均匀分布；
EvN(z)＝Ev0+(Ev∞-Ev0)(1-e-αz) (3)
式中，EvN(z)为路基沿深度的垂直弹性模量，MPa；Ev0为路基表面回弹模量；Ev∞为路基无穷处垂直回弹模量，MPa；α为无量纲常数；e为自然常数。
4.根据权利要求2所述一种考虑静偏应力水平的路基土动力性能试验方法，其特征在于，所述S11中，多种已有路面结构各层结构参数包括：弹性模量、水平和垂直方向弹性模量比、垂直方向泊松比、水平方向泊松比、结构层厚度、结构层的土密度、层间接触系数。
5.根据权利要求2所述一种考虑静偏应力水平的路基土动力性能试验方法，其特征在于，所述上覆路面结构重度σ0按实际路面厚度及密度计算：
其中，ρi为第i层路面结构密度；hi为第i层路面结构厚度。
6.根据权利要求1所述一种考虑静偏应力水平的路基土动力性能试验方法，其特征在于，所述S2中，回弹模量的预估模型见式(1)：
式中，MR为回弹模量；k0，k1，k2，k3为拟合参数；θ为体应力，θ＝3σ3+σc+σd；τoctD为动偏应力，τoctS为静偏应力，/>σ3为围压；σc为接触应力；σd为循环应力，pa为大气压。
7.根据权利要求1所述一种考虑静偏应力水平的路基土动力性能试验方法，其特征在于，所述S2中，永久变形的预估模型见式(2)：
式中，ω为永久变形；α0，α1，α2，α3，α4为拟合参数；θ为体应力，θ＝3σ3+σc+σd；τoctD为动偏应力，τoctS为静偏应力，/>σ3为围压；σc为接触应力；σd为循环应力；N为循环荷载加载次数，pa为大气压。
8.根据权利要求1所述一种考虑静偏应力水平的路基土动力性能试验方法，其特征在于，所述S1中，循环应力为半正弦脉冲荷载。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310985378.0A CN117007429B (zh) | 2023-08-07 | 2023-08-07 | 考虑静偏应力水平的路基土动力性能试验方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310985378.0A CN117007429B (zh) | 2023-08-07 | 2023-08-07 | 考虑静偏应力水平的路基土动力性能试验方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117007429A true CN117007429A (zh) | 2023-11-07 |
| CN117007429B CN117007429B (zh) | 2024-03-22 |
Family
ID=88572326
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310985378.0A Active CN117007429B (zh) | 2023-08-07 | 2023-08-07 | 考虑静偏应力水平的路基土动力性能试验方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117007429B (zh) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106480868A (zh) * | 2016-09-22 | 2017-03-08 | 长沙理工大学 | 一种细粒土路基永久变形预估方法 |
| CN110702541A (zh) * | 2019-10-25 | 2020-01-17 | 中南大学 | 一种湿化作用下路基土多级动力加载累积变形试验方法 |
| CN113326555A (zh) * | 2021-06-08 | 2021-08-31 | 长沙学院 | 一种基土永久变形的快速预估方法 |
| CN113533410A (zh) * | 2021-07-09 | 2021-10-22 | 长沙理工大学 | 一种冻融循环下路基土永久变形的预估方法 |
| CN113849881A (zh) * | 2021-08-16 | 2021-12-28 | 长沙理工大学 | 一种考虑路基土黏弹性质的回弹模量预估方法 |
| CN114936436A (zh) * | 2022-06-07 | 2022-08-23 | 西南石油大学 | 高温、动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型的建立方法 |
| CN115081284A (zh) * | 2022-06-27 | 2022-09-20 | 长沙理工大学 | 基于关键响应等效的路面结构层等效模量确定方法及设备、存储介质 |
| CN116266239A (zh) * | 2022-08-08 | 2023-06-20 | 安徽省交通控股集团有限公司 | 一种高液限黏土永久变形的预估方法 |
-
2023
- 2023-08-07 CN CN202310985378.0A patent/CN117007429B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106480868A (zh) * | 2016-09-22 | 2017-03-08 | 长沙理工大学 | 一种细粒土路基永久变形预估方法 |
| CN110702541A (zh) * | 2019-10-25 | 2020-01-17 | 中南大学 | 一种湿化作用下路基土多级动力加载累积变形试验方法 |
| CN113326555A (zh) * | 2021-06-08 | 2021-08-31 | 长沙学院 | 一种基土永久变形的快速预估方法 |
| CN113533410A (zh) * | 2021-07-09 | 2021-10-22 | 长沙理工大学 | 一种冻融循环下路基土永久变形的预估方法 |
| CN113849881A (zh) * | 2021-08-16 | 2021-12-28 | 长沙理工大学 | 一种考虑路基土黏弹性质的回弹模量预估方法 |
| CN114936436A (zh) * | 2022-06-07 | 2022-08-23 | 西南石油大学 | 高温、动载工况下牙轮钻头螺旋密封磨损模型的建立方法 |
| CN115081284A (zh) * | 2022-06-27 | 2022-09-20 | 长沙理工大学 | 基于关键响应等效的路面结构层等效模量确定方法及设备、存储介质 |
| CN116266239A (zh) * | 2022-08-08 | 2023-06-20 | 安徽省交通控股集团有限公司 | 一种高液限黏土永久变形的预估方法 |
Non-Patent Citations (10)
| Title |
|---|
| HAISHAN FAN ET AL.: "Dynamic response of a multi-layered pavement structure with subgrade modulus varying with depth subjected to a moving load", 《SOIL DYNAMICS AND EARTHQUAKE ENGINEERING 》, vol. 160, 9 June 2022 (2022-06-09), pages 1 - 15, XP087099282, DOI: 10.1016/j.soildyn.2022.107358 * |
| JIN-CHUN CHAI ET AL.: "Traffic-Load-Induced Permanent Deformation of Road on Soft Subsoil", 《JOURNAL OF GEOTECHNICAL AND GEOENVIRONMENTAL ENGINEERING》, vol. 128, no. 11, 31 December 2002 (2002-12-31), pages 907 - 916 * |
| JUNHUI PENG ET AL.: "Modeling humidity and stress-dependent subgrade soils in flexible pavements", 《COMPUTERS AND GEOTECHNICS》, vol. 120, 9 January 2020 (2020-01-09), pages 1 - 9, XP085986733, DOI: 10.1016/j.compgeo.2019.103413 * |
| XIAOLAN LIU ET AL.: "Laboratory testing and analysis of dynamic and static resilient modulus of subgrade soil under various influencing factors", 《CONSTRUCTION AND BUILDING MATERIALS》, vol. 195, 15 November 2018 (2018-11-15), pages 1 - 9 * |
| 冉武平;李玲;张;张祥;: "重塑黄土动态回弹模量依赖性分析及预估模型", 湖南大学学报(自然科学版), no. 09, 25 September 2018 (2018-09-25), pages 135 - 142 * |
| 孔祥辉;蒋关鲁;: "循环荷载下红层泥岩土累积变形特性", 长江科学院院报, no. 12, 15 December 2012 (2012-12-15), pages 68 - 77 * |
| 王元战;胡榕;杨攀博;: "循环荷载下滨海软粘土累积塑性应变试验研究", 水道港口, no. 03, 28 June 2016 (2016-06-28), pages 88 - 95 * |
| 赵春彦;周顺华;: "软土的循环累积变形模型研究", 中南大学学报(自然科学版), no. 12, 26 December 2011 (2011-12-26), pages 3844 - 3580 * |
| 过震文;钱劲松;: "高含水率条件下压实黏性土路基永久变形", 中南大学学报(自然科学版), no. 03, 26 March 2016 (2016-03-26), pages 1058 - 1064 * |
| 陈声凯;凌建明;张世洲;: "路基土动态回弹模量室内试验加载序列的确定", 公路, no. 11, 28 November 2006 (2006-11-28), pages 148 - 152 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117007429B (zh) | 2024-03-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Taylor | Centrifuges in modelling: principles and scale effects | |
| Conlee et al. | Centrifuge modeling for liquefaction mitigation using colloidal silica stabilizer | |
| CN104598296B (zh) | 软土深基坑变形数值模拟分析方法 | |
| Sun et al. | Microstructure investigation of soft clay subjected to triaxial loading | |
| CN110702881B (zh) | 岩土材料参数变异性结果的预测方法及其应用 | |
| CN102230870A (zh) | 一种级配碎石cbr数值试验方法 | |
| CN102222126A (zh) | 一种级配碎石三轴试验的数值模拟方法 | |
| CN108287945A (zh) | 大型基础下地基土的变形计算方法与应用技术 | |
| CN106092745A (zh) | 一种有荷膨胀试验方法及装置 | |
| Chenari et al. | Physical and numerical modelling of the inherent variability of shear strength in soil mechanics | |
| CN110046470A (zh) | 一种盾构掘进引起工后地表沉降量的确定方法 | |
| CN107290799B (zh) | 一种岩石可压性的确定方法 | |
| CN117007429B (zh) | 考虑静偏应力水平的路基土动力性能试验方法 | |
| Zachert et al. | Soil structure interaction of foundations for offshore wind turbines | |
| CN116680934B (zh) | 基于卸荷率的地层开挖引起下部隧道竖向变形计算方法 | |
| CN112347411B (zh) | 一种考虑闭合应力的裂缝岩样酸蚀缝宽数值计算方法 | |
| Sun et al. | Numerical model about the influence of cyclic load on the hydraulic conductivity of soft clay | |
| Fu et al. | Mixing ratios and cementing mechanism of similar silty mudstone materials for model tests | |
| CN115758067A (zh) | 桩基冲击钻孔地质分层方法 | |
| Zhu et al. | Experimental Study on Passive Earth Pressure against Flexible Retaining Wall with Drum Deformation. | |
| Hu et al. | Experimental testing and numerical modelling of mechanical behaviors of silty clay under freezing-thawing cycles | |
| Sasam et al. | Behavior of reinforced gypseous soil embankment model under cyclic loading | |
| ZHANG et al. | Model tests of large-diameter single pile under horizontal cyclic loading in sand | |
| Du et al. | Investigation on the static performance of geogrid reinforced aeolian sand railway embankment: Field test and discrete element simulation | |
| Cheshomi et al. | An empirical approach to estimate EPMT and PL of silty clays based on SPT |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |