一种碎石-黏土混合填料的永久变形预估方法
阅读说明：本技术 一种碎石-黏土混合填料的永久变形预估方法 (Permanent deformation estimation method for gravel-clay mixed filler ) 是由 陈冠一 刘昌盛 肖杰 王继新 游柯 于 2021-08-04 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种碎石-黏土混合填料的永久变形预估方法,通过击实试验确定每一黏土掺入量下碎石-黏土混合填料的最大干密度和最佳含水率；通过静三轴试验测定不同围压、压实度、黏土掺入量下碎石-黏土混合填料的荷载阈值,并确定最佳黏土掺入量；通过动三轴试验分析不同围压、应力水平、压实度条件下最佳黏土掺入量的碎石-黏土混合填料永久变形特性；基于静三轴试验、动三轴试验,建立基于围压、荷载阈值、实际加载应力、最大干密度、初始干密度以及循环加载次数的永久变形预估模型；根据荷载阈值、最佳黏土掺入量及基于永久变形特性拟合得到预估模型参数,基于预估模型参数和永久变形预估模型得到碎石-黏土混合填料的永久变形值。(The invention provides a permanent deformation estimation method of a crushed stone-clay mixed filler, which determines the maximum dry density and the optimal water content of the crushed stone-clay mixed filler under each clay doping amount through a compaction test; measuring the load threshold of the crushed stone-clay mixed filler under different confining pressures, compaction degrees and clay doping amounts through a static triaxial test, and determining the optimal clay doping amount; analyzing the permanent deformation characteristic of the crushed stone-clay mixed filler with the optimal clay doping amount under the conditions of different confining pressures, stress levels and compactibility by a dynamic triaxial test; establishing a permanent deformation estimation model based on confining pressure, a load threshold, actual loading stress, maximum dry density, initial dry density and cyclic loading times based on a static triaxial test and a dynamic triaxial test; and obtaining a pre-estimated model parameter according to the load threshold, the optimal clay mixing amount and the fitting based on the permanent deformation characteristic, and obtaining the permanent deformation value of the gravel-clay mixed filler based on the pre-estimated model parameter and the permanent deformation pre-estimated model.)
技术领域
本发明涉及道路工程技术领域，涉及一种碎石-黏土混合填料的永久变形预估方法。
背景技术
为响应国家“交通强国”战略，我国近年来在西南部开展了大量山区公路建设项目，而合适的路基填料缺乏一直是建设重点难题之一。基于施工成本的考虑，施工方通常会选用就近的碎石材料进行填筑。然而，应用碎石材料作为路基填料虽有诸多优势，但材料孔隙率较高、强度差异较大的自身特性对其成为一种优质路基填料有着很大的阻碍。
基于以往研究结果及现场施工经验来看，不同黏土掺入量下的碎石-黏土混合填料在物理性质和力学性能方面都有较大的差异。与此同时，永久变形作为表征路基稳定性的重要参数，对道路结构安全的重要性毋庸置疑。因此，为了碎石-黏土混合填料在路基建设中的广泛应用，有必要对其最佳黏土掺入量及最佳黏土掺入量下混合填料的永久变形特性进行深入研究。
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，我们希望通过一个更精确、快速的方法来获得最佳黏土掺入量下碎石-黏土混合填料在不同条件下的永久变形。目前，国内外学者对永久变形的确定通常采用三种方法：第一种是通过经验法确定，但给出的各路基填料永久变形变化范围较大，无法进行定量分析。第二种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。第三种方法是通过动三轴试验，进而通过力学-经验法路面设计指南(Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide，MEPDG)规范中的Tseng模型进行永久变形预估，虽然Tseng模型具有模型参数少、适用范围广等特点，但该模型考虑因素不够全面，忽略了应力状态、物理状态的影响。鉴于此，有必要建立一个简单且有效的碎石-黏土混合填料的永久变形预估模型。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种碎石-黏土混合填料的永久变形预估方法，能够便捷、准确的获得碎石-黏土混合填料的永久变形，在节约工程造价、避免自然资源浪费的前提下提高了路基填筑质量。
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碎石-黏土混合填料的永久变形预估方法，所述方法包括：
通过击实试验确定每一黏土掺入量下碎石-黏土混合填料的最大干密度和最佳含水率；
通过静三轴试验测定不同围压、压实度、黏土掺入量下所述碎石-黏土混合填料的荷载阈值，并确定所述碎石-黏土混合填料的最佳黏土掺入量；
通过动三轴试验分析不同围压、应力水平、压实度条件下所述最佳黏土掺入量的所述碎石-黏土混合填料永久变形特性；
基于所述静三轴试验、所述动三轴试验，建立基于围压、荷载阈值、实际加载应力、最大干密度、初始干密度以及循环加载次数的永久变形预估模型；
根据所述碎石-黏土混合填料的荷载阈值、所述最佳黏土掺入量及所述基于所述永久变形特性拟合得到预估模型参数，基于所述预估模型参数和所述永久变形预估模型得到碎石-黏土混合填料的永久变形值。
其中，所述永久变形预估模型包括：
式中：εp为永久变形，N为加载次数，σ3为围压，σatm是大气压强，通常取值100kPa，σALS为动三轴试验中的实际加载应力，σLT为静三轴试验所得荷载阈值，ρ为初始干密度，ρOMC为最佳含水率时对应的最大干密度，α1、α2、α3、α4、α5为模型参数。
其中，所述通过击实试验确定每一黏土掺入量下碎石-黏土混合填料的最大干密度和最佳含水率，包括：
对所述碎石-黏土混合填料开展击实试验，将击实试验所需的黏土及碎石进行24小时的烘干处理；进行预设黏土掺入量分别为0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％的填料配置；以2％的梯度差进行填料含水率的配置，并完成18小时闷料处理以使其内部湿度均匀化；闷料完成后，采用重型击实法将混合填料分三层进行击实，每层击实次数为98次；获得每一黏土掺入量下所述碎石-黏土混合填料的最大干密度和最佳含水率。
其中，所述通过静三轴试验测定不同围压、压实度、黏土掺入量下所述碎石-黏土混合填料的荷载阈值，并确定所述碎石-黏土混合填料的最佳黏土掺入量，包括：
基于所述击实试验分别在压实度为93％和96％条件下制备了10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％黏土掺入量的碎石-黏土混合填料；其中，所述试样直径为15cm，高度为30cm；进行不同围压、压实度、黏土掺入量条件的静三轴试验，得到每一所述碎石-黏土混合填料所对应的荷载阈值，并确定所述碎石-黏土混合填料的最佳黏土掺入量。
其中，所述通过动三轴试验分析不同围压、应力水平、压实度条件下所述最佳黏土掺入量的所述碎石-黏土混合填料永久变形特性，包括：
基于静三轴试验得到的93％、96％压实度、最佳黏土掺入量条件下的所述碎石-黏土混合填料进行动三轴试验得到所述碎石-黏土混合填料永久变形特性；其中，围压选取为12kPa、28kPa、44kPa，应力水平选取0.5、0.6、0.7，计算公式如下所示：
式中：η为应力水平，σALS为实际加载应力，σLT为荷载阈值，加载波形为半正弦波，频率为1Hz，加载时间为0.2s，间歇时间为0.8s，加载次数为10000次。
其中，所述初始干密度为：
依据击实试验得到的每一黏土掺入量下的碎石-黏土混合填料的最大干密度，基于目标压实度对所述碎石-黏土混合填料的初始干密度进行计算，计算公式如下所示：
式中：C为压实度，ρ为初始干密度，ρOMC为最佳含水率时对应的最大干密度。
其中，所述α1为0.569，α2为0.941，α3为-0.174，α4为6.541，α5为-2.433。
本发明实施例提供了一种碎石-黏土混合填料的永久变形预估方法，所述方法包括：通过击实试验确定每一黏土掺入量下碎石-黏土混合填料的最大干密度和最佳含水率；通过静三轴试验测定不同围压、压实度、黏土掺入量下所述碎石-黏土混合填料的荷载阈值，并确定所述碎石-黏土混合填料的最佳黏土掺入量；通过动三轴试验分析不同围压、应力水平、压实度条件下所述最佳黏土掺入量的所述碎石-黏土混合填料永久变形特性；基于所述静三轴试验、所述动三轴试验，建立基于围压、荷载阈值、实际加载应力、最大干密度、初始干密度以及循环加载次数的永久变形预估模型；根据所述碎石-黏土混合填料的荷载阈值、所述最佳黏土掺入量及所述基于所述永久变形特性拟合得到预估模型参数，基于所述预估模型参数和所述永久变形预估模型得到碎石-黏土混合填料的永久变形值，如此，一方面能够便捷、准确的获得碎石-黏土混合填料的永久变形，在节约工程造价、避免自然资源浪费的前提下提高了路基填筑质量；二方面由于永久变形预估模型物理意义明确、结构简单，且大大减少了试验耗时，降低了试验难度，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碎石-黏土混合填料的永久变形预估方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的不同黏土掺入量下碎石-黏土混合填料的击实试验结果；
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中93％压实度下不同围压、黏土掺入量下荷载阈值的发展规律图；
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中96％压实度下不同围压、黏土掺入量下荷载阈值的发展规律图；
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中93％压实度，12kPa围压下应力水平与永久变形的关系曲线图；
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中93％压实度，28kPa围压下应力水平与永久变形的关系曲线图；
图7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中93％压实度，44kPa围压下应力水平与永久变形的关系曲线图；
图8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中96％压实度，12kPa围压下应力水平与永久变形的关系曲线图；
图9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中96％压实度，28kPa围压下应力水平与永久变形的关系曲线图；
图10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中96％压实度，44kPa围压下应力水平与永久变形的关系曲线图；
图11为为本发明实施例提供的永久变形预估模型鲁棒性验证结果。
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碎石-黏土混合填料的永久变形预估方法，所述方法包括：
步骤S1：通过击实试验确定每一黏土掺入量下碎石-黏土混合填料的最大干密度和最佳含水率；
步骤S2：通过静三轴试验测定不同围压、压实度、黏土掺入量下所述碎石-黏土混合填料的荷载阈值，并确定所述碎石-黏土混合填料的最佳黏土掺入量；
步骤S3：通过动三轴试验分析不同围压、应力水平、压实度条件下所述最佳黏土掺入量的所述碎石-黏土混合填料永久变形特性；
步骤S4：基于所述静三轴试验、所述动三轴试验，建立基于围压、荷载阈值、实际加载应力、最大干密度、初始干密度以及循环加载次数的永久变形预估模型；
步骤S5：根据所述碎石-黏土混合填料的荷载阈值、所述最佳黏土掺入量及所述基于所述永久变形特性拟合得到预估模型参数，基于所述预估模型参数和所述永久变形预估模型得到碎石-黏土混合填料的永久变形值。
通过本发明上述实施方式，一方面能够便捷、准确的获得碎石-黏土混合填料的永久变形，在节约工程造价、避免自然资源浪费的前提下提高了路基填筑质量；二方面由于永久变形预估模型物理意义明确、结构简单，且大大减少了试验耗时，降低了试验难度，具有较高的市场推广价值。
在一实施方式中，所述永久变形预估模型包括：
式中：εp为永久变形，N为加载次数，σ3为围压，σatm是大气压强，通常取值100kPa，σALS为动三轴试验中的实际加载应力，σLT为静三轴试验所得荷载阈值，ρ为初始干密度，ρOMC为最佳含水率时对应的最大干密度，α1、α2、α3、α4、α5为模型参数。
这里，α1为预估模型调整系数、α2为反映永久变形值随加载次数变化的模型参数、α3为反映永久变形值随围压变化的模型参数、α4为反映永久变形值随实际加载应力同荷载阈值比值变化的模型参数、α5为反映永久变形值随初始干密度同最大干密度比值变化的模型参数，α1至α5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，α1至α5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，所述通过击实试验确定每一黏土掺入量下碎石-黏土混合填料的最大干密度和最佳含水率，包括：
对所述碎石-黏土混合填料开展击实试验，将击实试验所需的黏土及碎石进行24小时的烘干处理；进行预设黏土掺入量分别为0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％的填料配置；以2％的梯度差进行填料含水率的配置，并完成18小时闷料处理以使其内部湿度均匀化；闷料完成后，采用重型击实法将混合填料分三层进行击实，每层击实次数为98次；获得每一黏土掺入量下所述碎石-黏土混合填料的最大干密度和最佳含水率。
在一实施方式中，所述通过静三轴试验测定不同围压、压实度、黏土掺入量下所述碎石-黏土混合填料的荷载阈值，并确定所述碎石-黏土混合填料的最佳黏土掺入量，包括：
基于所述击实试验分别在压实度为93％和96％条件下制备了10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％黏土掺入量的碎石-黏土混合填料；其中，所述试样直径为15cm，高度为30cm；进行不同围压、压实度、黏土掺入量条件的静三轴试验，得到每一所述碎石-黏土混合填料所对应的荷载阈值，并确定所述碎石-黏土混合填料的最佳黏土掺入量。
在一实施方式中，所述通过动三轴试验分析不同围压、应力水平、压实度条件下所述最佳黏土掺入量的所述碎石-黏土混合填料永久变形特性，包括：
基于静三轴试验得到的93％、96％压实度、最佳黏土掺入量条件下的所述碎石-黏土混合填料进行动三轴试验得到所述碎石-黏土混合填料永久变形特性；其中，围压选取为12kPa、28kPa、44kPa，应力水平选取0.5、0.6、0.7，计算公式如下所示：
式中：η为应力水平，σALS为实际加载应力，σLT为荷载阈值，加载波形为半正弦波，频率为1Hz，加载时间为0.2s，间歇时间为0.8s，加载次数为10000次。
在一实施方式中，所述初始干密度为：
依据击实试验得到的每一黏土掺入量下的碎石-黏土混合填料的最大干密度，基于目标压实度对所述碎石-黏土混合填料的初始干密度进行计算，计算公式如下所示：
式中：C为压实度，ρ为初始干密度，ρOMC为最佳含水率时对应的最大干密度。
在一实施方式中，所述α1为0.569，α2为0.941，α3为-0.174，α4为6.541，α5为-2.433。
下面通过具体实施例来对本发明实施例提供了一种碎石-黏土混合填料的永久变形预估方法作进一步说明。
实施例
步骤一：依据《公路土工试验规程》(JTG3430-2020)通过击实试验确定不同黏土掺入量下碎石-黏土混合填料的最大干密度和最佳含水率,具体流程如下：首先，将击实试验所需的黏土及碎石料进行24小时的烘干处理；其次，进行预设黏土掺入量(0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％)的填料配置；再次，以2％的梯度差进行填料含水率的配置，并完成18小时闷料处理以使其内部湿度均匀化；闷料完成后，采用重型击实法将混合填料分三层进行击实，每层击实次数为98次；最后，选取成型试样典型部分进行含水率及干密度的测定，从而获得不同黏土掺入量下碎石-黏土混合填料的最大干密度和最佳含水率。结果如图2所示。不难看出，混合填料试样的最佳含水率随着黏土掺入量的提高而逐步增大，最大干密度随黏土掺入量的提高呈现先增大后减小的趋势。
步骤二：基于击实试验结果分别在压实度为93％和96％条件下制备了10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％黏土掺入量的碎石-黏土混合填料试样。试样直径为15cm，高度为30cm，含水率为最佳含水率。成型过程中，试样的实际含水率、压实度与目标值误差控制在1％以内。然后，通过静三轴试验确定测定不同围压、压实度、黏土掺入量下碎石-黏土混合填料的荷载阈值，并确定混合填料的最佳黏土掺入量。其中，围压选取为12kPa、28kPa、44kPa，加载应变速率为0.02mm/s。当混合填料试样在轴向应变达到15％前发生破坏时，取其轴向应力峰值点作为荷载阈值，若混合填料试样在轴向应变达到15％时仍未破坏，则以15％轴向应变所对应的轴向应力作为荷载阈值。并选取荷载阈值峰值点所对应的黏土掺入量即为碎石-黏土混合填料的最佳黏土掺入量。结果如图3至图4所示。不难看出，荷载阈值随围压、压实度提升而增大，随黏土掺入量提高呈先增大后减小趋势，且在所有试验工况下混合填料荷载阈值都在60％黏土掺入量时达到峰值。因此，本发明选用60％黏土掺入量作为碎石-黏土混合填料的最佳黏土掺入量。
步骤三：基于静三轴试验结果，制备93％、96％压实度、最佳黏土掺入量条件下的碎石-黏土混合填料试样进行动三轴试验。其中，加载波形为半正弦波，频率为1Hz，加载时间为0.2s，间歇时间为0.8s，加载次数为10000次，围压选取为12kPa、28kPa、44kPa，应力水平选取0.5、0.6、0.7，计算公式如式(1)所示。具体试验工况如表1所示。结果如图5至图10所示。不难看出，最佳黏土掺入量下混合填料永久变形随循环加载次数增加而增大，且当其处于塑性安定状态时，永久变形在加载中后期逐渐趋于定值，当其处于塑性蠕变状态时，永久变形在加载中后期逐渐增长。且永久变形随应力水平提高而增大，随围压、压实度提高而减小。
式中：η为应力水平，σALS为实际加载应力，σLT为荷载阈值。
表1
步骤四：在静、动三轴试验结果基础上，建立综合考虑应力状态(围压、荷载阈值、实际加载应力)、物理状态(最大干密度、初始干密度)、循环加载次数的永久变形预估模型，如式(2)所示：
式中：εp为永久变形，N为加载次数，σ3为围压，σatm是大气压强，通常取值100kPa，σALS为动三轴试验中的实际加载应力，σLT为静三轴试验所得荷载阈值，ρ为初始干密度，ρOMC为最佳含水率时对应的最大干密度，α1、α2、α3、α4、α5为模型参数。
其中，依据击实试验得到的不同黏土掺入量下的碎石-黏土混合填料试样的最大干密度，结合目标压实度对改良黏土-建筑废弃物填料试样的初始干密度进行计算，如式(3)所示：
式中：C为压实度，ρ为初始干密度，ρOMC为最佳含水率时对应的最大干密度。
步骤五：根据步骤二、步骤三的静、动三轴试验数据拟合得到预估模型参数α1、α2、α3、α4、α5，并通过步骤四建立的预估模型对碎石-黏土混合填料在不同围压、荷载阈值、实际加载应力、最大干密度、初始干密度、循环加载次数条件下的永久变形进行合理预估。
表2
该拟合步骤是现有技术，拟合结果如表2所示。从表2可知，预估模型的相关系数R2为0.91，模型精度较高。此外，为确定所提永久变形预估方法的适用性，本发明对公式(2)进行鲁棒性研究，结果如图11所示。结果表明，该预估模型能够满足一般工程的需要。
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。
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