一种路基土动态回弹模量预估方法

摘要

本发明公开了一种路基土动态回弹模量预估方法，用压力板仪测定路基土的基质吸力，并采用Van Genuchten模型建立土水特征曲线；用动三轴仪进行路基土回弹模量试验，并得到回弹模量值；建立基质吸力‑回弹模量关系方程；耦合基质吸力‑回弹模量关系方程和NCHRP1‑28A三参数模型，建立综合考虑路基土湿度和应力状态的回弹模量预估模型；建立模型参数与路基土物理性质指标之间的关系方程。解决了现有回弹模量预估模型无法同时考虑路基土应力状态、基质吸力和路基土物理性质的问题。

权利要求

1.一种路基土动态回弹模量预估方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：步骤a：用压力板仪测定路基土的基质吸力并采用Van Genuchten模型建立土水特征曲线；

步骤b：用动三轴仪进行回弹模量试验；

步骤c：分析土水特征曲线和回弹模量试验结果，建立基质吸力-回弹模量关系方程，如式(1)所示，MR＝A×ln(ψm)  (1)

其中：MR为动态回弹模量，ψm为基质吸力，A为模型参数；

步骤d：耦合基质吸力-回弹模量关系方程和NCHRP 1-28A三参数模型，建立综合考虑路基土湿度和应力状态的回弹模量预估模型，如式(2)所示：其中：θ为体应力，τoct为八面体剪应力，Pa＝100kPa，k1、k2和k3为模型参数；

步骤e：根据试验数据拟合得到模型参数k1、k2、k3，进而建立模型参数与路基土物理性质指标之间的关系方程。

2.根据权利要求1所述的一种路基土动态回弹模量预估方法，其特征在于，所述步骤a中，分90％、93％、96％三个压实度进行，土水特征曲线的方程如公式(3)，其中：θs指饱和体积含水率，θw指体积含水率，θr指残余体积含水率，ψm是基质吸力，m1、m2和m3为模型参数。

3.根据权利要求1所述的一种路基土动态回弹模量预估方法，其特征在于，所述步骤b中，路基土试件尺寸为100mm×200mm，采用万能液压试验机静压压实成型；分别按90％、

93％、96％的目标压实度和90％OMC、OMC、110％OMC、120％OMC、130％OMC的含水率制备试件，OMC为湿法击实试验得到的最佳含水率；荷载形式为半正弦波，频率1Hz，加载时间0.2s，间歇时间0.8s，每一级应力水平完成之后，最后5次加载次数的循环计算回弹模量值。

4.根据权利要求1所述的一种路基土动态回弹模量预估方法，其特征在于，所述步骤d中，NCHRP 1-28A三参数模型如式(4)：其中：θ为体应力，τoct为八面体剪应力，Pa＝100kPa，k1、k2和k3为模型参数。

5.根据权利要求1所述的一种路基土动态回弹模量预估方法，其特征在于，所述步骤e中，建立模型参数与路基土物理性质指标之间的关系方程；选用的路基土物理性质指标有：干密度γd、塑性指数PI、0.075mm筛通过的百分率P0.075，以及由这些变量衍生出的变量：变量DDRPI-式(5)、DDRP-式(6)，通过拟合得到k1、k2、k3的回归方程如公式7所示：其中，γdMAX为最大干密度，a1、a2、b1、b2、b3、c1、c2和c3均为拟合参数。

说明书

一种路基土动态回弹模量预估方法

技术领域

[0001] 本发明属于道路工程技术领域，涉及一种路基土动态回弹模量预估方法。

背景技术

[0002] 动态回弹模量作为路面设计中路基土刚度参数，反应了路基土在车轮荷载作用下的应力-应变非线性特性。我国现行《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)将动态回弹模量作为路面设计的路基刚度参数，并给出了一些回弹模量的确定方法，例如列出了不同土质下回弹模量参考值及由CBR通过经验公式换算回弹模量值等。但其模量取值未考虑路基土应力、基质吸力和路基土物理性质指标。导致取值与实际相差较大。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种路基土动态回弹模量预估方法，解决了现有回弹模量预估模型无法同时考虑路基土应力状态、基质吸力和路基土物理性质的问题。

[0004] 本发明所采用的技术方案是，一种路基土动态回弹模量预估方法，具体按照以下步骤进行：

[0005] 步骤a：用压力板仪测定路基土的基质吸力并采用Van Genuchten模型建立土水特征曲线；

[0006] 步骤b：用动三轴仪进行回弹模量试验；

[0007] 步骤c：分析土水特征曲线和回弹模量试验结果，建立基质吸力-回弹模量关系方程，如式(1)所示，

[0008] MR＝A×ln(ψm)  (1)

[0009] 其中：MR为动态回弹模量，ψm为基质吸力，A为模型参数；

[0010] 步骤d：耦合基质吸力-回弹模量关系方程和NCHRP 1-28A三参数模型，建立综合考虑路基土湿度和应力状态的回弹模量预估模型，如式(2)所示：

[0011]

[0012] 其中：θ为体应力，τoct为八面体剪应力，Pa＝100kPa，k1、k2和k3为模型参数；

[0013] 步骤e：根据试验数据拟合得到模型参数k1、k2、k3，进而建立模型参数与路基土物理性质指标之间的关系方程。

[0014] 进一步的，所述步骤a中，分90％、93％、96％三个压实度进行，土水特征曲线的方程如公式(3)，

[0015]

[0016] 其中：θs指饱和体积含水率，θw指体积含水率，θr指残余体积含水率，是基质吸力，m1、m2和m3为模型参数。

[0017] 进一步的，所述步骤b中，路基土试件尺寸为100mm×200mm，采用万能液压试验机静压压实成型；分别按90％、93％、96％的目标压实度和90％OMC、OMC、110％OMC、120％OMC、130％OMC的含水率制备试件，OMC为湿法击实试验得到的最佳含水率；荷载形式为半正弦波，频率1Hz，加载时间0.2s，间歇时间0.8s，每一级应力水平完成之后，最后5次加载次数的循环计算回弹模量值。

[0018] 进一步的，所述步骤d中，NCHRP 1-28A三参数模型如式(4)：

[0019]

[0020] 其中：θ为体应力，τoct为八面体剪应力，Pa＝100kPa，k1、k2和k3为模型参数。

[0021] 进一步的，所述步骤e中，建立模型参数与路基土物理性质指标之间的关系方程；选用的路基土物理性质指标有：干密度γd、塑性指数PI、0.075mm筛通过的百分率P0.075，以及由这些变量衍生出的变量：变量DDRPI-式(5)、DDRP-式(6)，通过拟合得到k1、k2、k3的回归方程如公式7所示：

[0022]

[0023]

[0024]

[0025] 其中，γdMAX为最大干密度，a1、a2、b1、b2、b3、c1、c2和c3均为拟合参数[0026] 本发明的有益效果：提出的回弹模量预估模型引入了代表路基湿度状态的参量-基质吸力，并综合考虑了路基土的实际受力状态和湿度状态，解决了现有回弹模量预估模型无法同时考虑路基土应力状态、基质吸力和路基土物理性质的问题，模型结构简单，适用土质范围广。

附图说明

[0027] 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。

[0028] 图1是半正弦加载应力波形图。

[0029] 图2是积含水率、压实度、基质吸力关系图。

[0030] 图3a为90％压实度下高液限黏土的回弹模量值。

[0031] 图3b是93％压实度下高液限黏土的回弹模量值。

[0032] 图3c是96％压实度下高液限黏土的回弹模量值。

[0033] 图4a是90％压实度下回弹模量与基质吸力之间的关系图。

[0034] 图4b是93％压实度下回弹模量与基质吸力之间的关系图。

[0035] 图4c是96％压实度下回弹模量与基质吸力之间的关系图。

[0036] 图5是本发明的流程图。

具体实施方式

[0037] 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。

[0038] 一种路基土动态回弹模量预估方法，流程如图5所示，考虑了路基所处的实际应力状态和湿度状态，可用于路基土动态回弹模量的预估，具体按照以下步骤进行：

[0039] 步骤a：用压力板仪测定路基土的基质吸力，分90％、93％(路堤压实度93％)、96％(路床压实度96％)三个压实度进行，90％压实度是为了增加试验样本数据，试验完成之后采用Van Genuchten模型建立土水特征曲线，本实施例中建立高液限黏土的土水特征曲线，得到不同压实度下参数模型，土水特征曲线(SWCC)方程如公式(3)。

[0040] 步骤b：用动三轴仪进行回弹模量试验，所采用的加载序列如表1所示。

[0041] 表1 南方湿热地区路基土动态回弹模量动三轴测试方案加载序列

[0042]加载序列 围压(kPa) 偏应力(kPa) 竖向主应力(kPa) 加载次数 主应力之比
0-预载 40 30 70 2000 1.75
1 40 10 50 100 1.25
2 40 20 60 100 1.50
3 40 30 70 100 1.75
4 40 40 80 100 2.00
5 30 10 40 100 1.33
6 30 20 50 100 1.67
7 30 30 60 100 2.00
8 30 40 70 100 2.33
9 20 10 30 100 1.50
10 20 20 40 100 2.00
11 20 30 50 100 2.50
12 20 40 60 100 3.00
13 10 10 20 100 2.00
14 10 20 30 100 3.00
15 10 30 40 100 4.00
16 10 40 50 101 5.00

[0043] 路基土试件尺寸为100mm×200mm，采用万能液压试验机静压压实成型；根据击实试验结果，分别按90％、93％和96％的目标压实度和90％OMC、OMC、110％OMC、120％OMC、130％OMC的含水率制备试件，OMC为湿法击实试验得到的最佳含水率；荷载形式为半正弦波，频率1Hz，加载时间0.2s，间歇时间0.8s，如图1所示。每一级应力水平完成之后，最后5次加载次数的循环计算回弹模量值。国内外学者认为最后5个循环试件达到完全的弹性工作状态，因此取最后5个循环计算回弹模量值。

[0044] 步骤c：分析土水特征曲线和动三轴试验测试结果，建立基质吸力与回弹模量关系方程，如式(1)所示。

[0045] MR＝A×ln(ψm)  (1)

[0046] 其中：MR为动态回弹模量，ψm为基质吸力，A为模型参数；

[0047] 步骤d：耦合基质吸力与回弹模量关系方程和NCHRP 1-28A三参数模型(式(4))，建立综合考虑路基土湿度和应力状态的回弹模量预估模型，如式(3)所示。

[0048]

[0049] 其中：θ为体应力，τoct为八面体剪应力，pa＝100kPa，k1、k2和k3为模型参数；

[0050] 当含水率不变时，基质吸力是定值，此时只需考虑体应力和八面体剪应力对回弹模量的影响，可以将ln(ψm)视为常数，而NCHRP 1-28A三参数模型(式(4))当中有常数(Pa＝100kPa)，用基质吸力ln(ψm)代替Pa，即可实现基质吸力与NCHRP 1-28A三参数模型的耦合；
同理，当路基土处于某一特定的应力状态时，NCHRP  1-28A三参数模型当中的也是定值，那么此时只考虑湿度对回弹模量的影响，而MR＝A×ln(ψm)
式中有模型参数A是常数，用 代替A，即可实现NCHRP 1-28A三参数模型
与基质吸力的耦合。通过上述分析，可建立路基土动态回弹模量预估模型，最终模型式(2)。

[0051]

[0052] 步骤e：采用其他成果的试验数据对本发明提出的回弹模量预估模型进行验证，验证完成后根据试验数据拟合得到模型参数k1、k2、k3，进而建立模型参数与路基土物理性质指标之间的关系方程，从而根据路基土性质、基质吸力和应力状态，即可计算其动态回弹模量。

[0053] 实施例1

[0054] 实例以高液限黏土来演示本发明的具体实施过程，表2为基本物理参数统计表。

[0055] 表2 高液限黏土基本物理参数统计表

[0056]

[0057] 步骤a：在90％、93％、96％压实度下制作试件，采用压力板仪测定每个试件的基质吸力值。测试结果如图2所示。

[0058] 采用Van Genuchten模型(如式(3)所示)建立高液限黏土土水特征曲线，得到不同压实度下模型参数，如表3所示

[0059]

[0060] 其中：θs指饱和体积含水率，θw指体积含水率，θr指残余体积含水率， 是基质吸力，m1、m2和m3为模型参数。

[0061] 表3 Ven Genuchten方程参数统计表

[0062]压实度 m1 m2 m3 R2
96％ 0.04533 2.41958 0.04877 99.87％
93％ 0.06921 2.48171 0.04559 99.92％
90％ 0.06423 2.30314 0.05115 99.87％

[0063] 其中，表3中R2是相关性系数；

[0064] 步骤b：动三轴试验采用的加载序列如表1所示，采用的加载波形如图1所示。路基土试件尺寸为100mm×200mm，采用万能液压试验机静压压实成型；根据击实试验结果，分别按90％、93％和96％的目标压实度和90％OMC、OMC、110％OMC、120％OMC、130％OMC的含水率制备试件；每一级应力水平完成之后，最后5个循环计算回弹模量值，得到不同压实度下高液限黏土的回弹模量值，如图3a、3b、3c所示。

[0065] 步骤c：联合土水特征曲线和动三轴试验测试结果，分析基质吸力对回弹模量影响，如图4a-4c所示。从图4a-4c中可以看出，基质吸力与回弹模量之间的关系可以用对数函数来描述，MR＝A×ln(ψm)；以90％压实度的试验结果为例，对基质吸力和回弹模量用对数函数进行拟合分析，拟合结果如表4所示。从表中可以看出，对数函数关系可以较为准确的描述基质吸力与回弹模量之间的关系。

[0066] 表4 压实度为90％时，回弹模量-基质吸力对数关系表

[0067]

[0068]

[0069] 步骤d：路基土动态回弹模量预估模型应能综合反映路基湿度和路基应力状态的影响，且建立预估模型不应存在量纲和不定值问题。预估模型的参量为基质吸力、体应力和八面体剪应力，其中基质吸力代表湿度，体应力和八面体剪应力代表应力，每个参量对应一个回归系数。新的预估模型如式(3)所示，其建立的原理在于，当含水率不变时，基质吸力是定值，此时只需考虑体应力和八面体剪应力对回弹模量的影响，可以将ln(ψm)视为常数，而NCHRP 1-28A三参数模型(式(4))当中有常数(Pa＝100kPa)，虽然两者数值不同，但可以通过模型参数进行调整。同理，当路基土处于某一特定的应力状态时，NCHRP 1-28A三参数模型当中的 也是定值，此时可只考虑湿度对回弹模量的影响，而MR＝A×ln(ψm)式中有模型参数A是常数，虽然两者数值不同，但可以通过模型参数进行调整。因此只要将基质吸力-回弹模量对数方程耦合到NCHRP1-28A三参数模型当中，即能建立动态回弹模量预估模型。

[0070] 步骤e：采用邱欣、Yang、Robert Y.Liang的试验数据对新模型进行验证，同时与原模型相关系数对比。如表5所示，新模型较好的耦合了他们的试验数据，且相关性系数更高，证明模型是合理的。所检验的土质包括京珠高速低液限黏土，台湾地区A-7-5(高液限黏土)、A-7-6(高液限黏土)、以及美国A-4(低液限黏土)和A-6，土质涵盖范围广，证明新模型可以推广应用到其他土质。

[0071] 表5 新模型验证

[0072]

[0073] 采用试验数据拟合得到新预估模型参数，此拟合步骤是现有技术，如表6所示，表6中的k1、k2、k3是用预估模型拟合试验数据得到的模型参数的值。

[0074] 表6 90％、93％、96％压实度下新模型参数统计表

[0075]压实度 k1 k2 k3 R2
90％ 18.27611 0.23888 -2.27607 90.279％
93％ 20.93637 0.2045 -0.91043 87.645％
96％ 23.33222 0.23719 -1.91523 90.831％

[0076] 步骤f：建立模型参数与路基土物理性质指标之间的关系方程。选用的路基土物理性质指标有：干密度γd(g/cm3)、塑性指数PI、0.075mm筛通过的百分率P0.075(％)，以及由这些变量衍生出的变量：变量DDRPI(式(5))、DDRP(式(6))，通过拟合得到k1、k2、k3的回归方程如式(7)所示：

[0077]

[0078]

[0079]

[0080] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。