一种循环荷载作用下粗粒土累积变形的综合预估模型 专利技术说明

医药医疗技术的改进;医疗器械制造及应用技术1.本发明属于道路工程技术领域，涉及一种循环荷载作用下粗粒土累积变形的综合预估模型。背景技术：2.粗粒土具有空隙率大、渗透性强等特性，压实后，其具有压实度高、抗剪强度大等优良的工程特性，且粗粒土分布广泛，获取便捷，因此在公路建设过程中经常会被用作路堤填筑材料。在实际的道路工程中，路基结构主要承受车辆荷载的作用。车辆荷载是一种循环力，其方向和振幅会产生周期性变化，在循环荷载作用下路基填料的应力响应是复杂多变的，它会随着荷载大小以及荷载作用时间等因素的不同而改变。因此，要研究粗粒土路基填料在循环荷载作用下的变形及稳定性，必须要认清粗粒土填料在车辆循环荷载作用下的变形发展规律。3.随着粗粒土在路堤填筑中的广泛应用，国内外学者对粗粒土的动力学行为有了初步研究，建立了考虑应力状态及动荷载次数的粗粒土永久变形预测模型。但大多是列车荷载作用下粗粒土累积变形及稳定性方面的研究，对公路车辆荷载作用下粗粒土累积变形特性研究较少。由于公路上汽车的行驶速度不同，不同荷载作用时间势必会对粗粒土的累积变形产生影响。因此，在试验研究时考虑加载频率的影响十分有必要，但现有大多数粗粒土累积变形预测模型未考虑荷载作用频率因素。目前仍存在公路行车荷载作用下累积变形预测精度较低的问题。技术实现要素：4.为解决上述问题，本发明提供了一种循环荷载作用下粗粒土累积变形的综合预估模型，能够便捷、准确的获得粗粒土的累积变形，科学指导其在路基填筑的应用，解决了现有技术中存在的问题。5.本发明实施例中所采用的技术方案是，一种循环荷载作用下粗粒土累积变形的综合预估模型，具体按照以下步骤进行：6.s1：通过击实试验确定所研究粗粒土的最大干密度和最佳含水率。7.s2：制备粗粒土试样，通过动三轴试验研究粗粒土的累积变形特性，获取粗粒土在不同含水率、偏应力及荷载频率下的累积变形值；8.s3：以最小体积应力和八面体剪应力来表达应力状态对累积变形的影响，建立累积变形预估模型；9.s4：根据动三轴试验结果拟合，得到循环荷载作用下粗粒土累积变形预估模型参数。10.进一步的，所述步骤s3中，粗粒土累积变形的计算模型见下式：11.12.式中εp是累积变形；n是循环加载次数；σm是一定应力条件下的最小体应力；τoct是八面体剪应力；ωomc是最佳含水率，ω是含水率；σatm为参考应力(大气压强)，pa＝101.3kpa；α1，α2，α3，α4，α5，α6是回归系数。13.研究表明，路基填料的侧向应力约为28kpa，本文选用的围压为28kpa。因此，变为了常数项，将其归入到回归系数α1中，则粗粒土累积变形的计算模型更改为如下式所示：[0014][0015]因为εp不能为负，而且α1与εp成正比关系，所以α1不能为负值；由于n，τoct，ω和f的这些因子均会提高土体的累积变形，所以各因子的系数α2，α3，α4和α5也应为正。[0016]进一步的，所述步骤s2中，用于动态三轴试验的样品高度为200mm，直径为100mm，选取6.9％、7.8％和9.1％三种含水率展开研究，采用压实度为93％；[0017]动三轴试验中荷载形式为半正弦波，频率0.5hz，1hz，3hz，加载时间0.2s，卸载时间0.8s，围压选取28kpa，偏应力水平分别设置为25kpa、45kpa和60kpa，以第10000次加载后的结果作为试样永久变形值。附图说明[0018]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。[0019]图1本发明实施例的流程图[0020]图2本发明实施例颗粒级配曲线图[0021]图3粗粒土干密度与含水率的关系曲线图[0022]图4本发明实施例中偏应力对累积变形的影响(含水率6.9％)[0023]图5本发明实施例中偏应力对累积变形的影响(含水率9.1％)[0024]图6本发明实施例中含水率对累积变形的影响(偏应力25kpa)[0025]图7本发明实施例中含水率对累积变形的影响(偏应力45kpa)[0026]图8本发明实施例中不同荷载频率下累积变形曲线(25kpa)[0027]图9本发明实施例中不同荷载频率下累积变形曲线(60kpa)具体实施方式[0028]下面将结合本发明实施例中的附图，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。[0029]一种循环荷载作用下粗粒土累积变形的综合预估模型，具体按照以下步骤进行：[0030]步骤s1：通过击实试验确定所研究粗粒土的最大干密度和最佳含水率。具体试验方法根据《公路土工试验规程》的规定进行，具体流程如下：[0031]用于动态三轴试验的样品高度为200mm，直径为100mm。最大颗粒尺寸不应超过样品直径的1/5，以便将尺寸效应控制在最低水平。这意味着土壤样品的最大颗粒尺寸不得超过20毫米。为此，去除了尺寸过大的颗粒，粗粒土级配曲线见图2。[0032]选用干土法进行击实试验，选取4.5％、5.7％、6.9％、7.8％、9.1％含水率作为击实试样的预设含水率，闷料18h以上，采用重型击实法，分三层进行击实，每层击实次数为93次；当击实完成后使用推土器推出筒内试样，选取成型试样中心处代表性的土样测其含水率，计算至0.1％，从而获得最大干密度和最佳含水率。本试验采用三组参数相同的土样进行平行试验，最终值取三组试验的平均值。所述干密度的计算为：[0033][0034]式中，ρd为干密度值，ρ为湿密度，ω为实际含水率。[0035]以干密度为纵坐标，含水率为横坐标，绘制干密度与含水率的关系曲线，曲线上峰值点的纵、横坐标分别为最大干密度和最佳含水率。根据图3可以得到粗粒土在重型击实下的最佳含水率及最大干密度，曲线上峰值点纵坐标为最大干密度，横坐标为最佳含水率，土样的最大干密度ρd＝2.21g/cm3，最佳含水率为ε＝6.9％。表1总结了所研究土壤的主要物理和机械特性。[0036]表1粗粒土物理性能[0037]最大干密度(g/cm3)最佳含水率(％)加州承载比(％)弹性模量(mpa)2.216.9164105.6[0038]步骤s2：对粗粒土试样进行动三轴试验，并分析不同含水率、偏应力及加载频率下的累积变形特性。选取6.9％、7.8％和9.1％三种含水率开展研究，动三轴试验中荷载形式为半正弦波，频率0.5hz，1hz，3hz，加载时间0.2s，卸载时间0.8s，围压选取28kpa，偏应力水平分别设置为25kpa、45kpa和60kpa，以第10000次加载后的结果作为试样永久变形值。图4为含水率为6.9％时，不同偏应力作用下累积变形变化曲线。图5为含水率为9.1％时，不同偏应力作用下累积变形曲线。图6为围压28kpa，动应力为25kpa时，含水率6.9％，7.8％，9.1％作用下试件累积变形与加载次数的关系曲线。图7为围压28kpa，动应力45kpa时，不同含水率作用下累积变形与加载次数的关系曲线。图8为含水率6.9％，动应力为25kpa时，荷载频率0.5hz，1hz，3hz作用下试件累积变形与加载次数的关系曲线。图9为含水率6.9％，动应力60kpa时，不同荷载频率作用下累积变形与加载次数关系曲线。[0039]s3：以最小体积应力和八面体剪应力来表达应力状态对累积变形的影响，建立累积变形预估模型；[0040]s4：根据动三轴试验结果拟合，得到循环荷载作用下粗粒土累积变形预估模型参数，所述步骤s3中，粗粒土累积变形的计算模型见下式：[0041]步骤s3以最小体积应力和八面体剪应力来表达应力状态对累积变形的影响，建立累积变形预估模型；[0042][0043]式中εp是累积变形；n是循环加载次数；ωm是一定应力条件下的最小体应力；τoct是八面体剪应力；ωomc是最佳含水率，ω是含水率；σatm为参考应力(大气压强)，pa＝101.3kpa；α1，α2，α3，α4，α5，α6是回归系数。[0044]研究表明，填料的侧向应力约为28kpa，本文选用的围压为28kpa。因此，变为了常数项，将其归入到回归系数α1中，则粗粒土累积变形的计算模型更改为如下式所示。[0045][0046]因为εp不能为负，而且α1与εp成正比关系，所以α1不能为负值；由于n，τoct，ω和f的这些因子均会提高土体的累积变形，所以各因子的系数α2，α3，α4和α5也应为正。[0047]为了保证新模型的合理性，采用新模型和其他典型累积变形预测模型对粗粒土累积变形试验结果进行拟合，拟合结果如下：[0048]模型一：与实验数据拟合不收敛。[0049]模型二：与实验数据拟合不收敛。[0050]模型三：与实验数据拟合不收敛。[0051]模型四：与实验数据拟合收敛，α1＝19.919，α2＝0.238，α3＝7.734，α4＝3.242，r2＝0.597；拟合结果可见模型五拟合优度较低。[0052]模型五：与实验数据拟合收敛，α1＝0.064，α2＝0.048，α3＝0.842，α4＝2.816，α5＝0.234，r2＝0.917；拟合结果可见本发明模型与实验数据拟合优度较高，具有较高的预测精度。[0053]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。









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