一种炭质泥岩永久变形快速预测方法与流程

1.本发明涉及道路工程技术领域，涉及一种炭质泥岩永久变形快速预测方法。


背景技术：

2.炭质泥岩在我国湘桂黔地区分布十分广泛，随着该地区交通基础设施建设的迅猛发展及施工成本的考虑，在筑路材料贫乏地区采用自然状态下充分崩解的炭质泥岩作为路基填料势在必行。然而，炭质泥岩有着强度低、遇水易崩解、风化速率快、时效变形显著的工程特性，应用该填料的路基常在湿热环境与车辆动荷载的综合作用下出现较大变形，甚至发生整体失稳破坏，因此，基于道路工程稳定性与耐久性的战略目标，科学评价炭质泥岩在干湿循环条件下的永久变形特性具有重要意义，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。
3.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，忽略了干湿循环、应力变量及状态变量的影响。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了考虑干湿循环的炭质泥岩永久变形快速预测方法，能够便捷、准确的获得炭质泥岩在干湿循环条件下的永久变形，科学指导炭质泥岩在路基填筑的应用，解决了现有技术中存在的问题。
5.为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：
6.本发明实施例提供了一种炭质泥岩永久变形快速预测方法，所述方法包括：
7.制备炭质泥岩，对所述炭质泥岩进行干湿循环试验；
8.对经过干湿循环实验的所述炭质泥岩进行动三轴试验，得到每一干湿循环次数、加载应力、压实度下的永久变形特性；
9.根据所述永久变形特性、tseng模型拟合得到预估模型参数，基于所述预估模型参数和所述tseng模型得到所述炭质泥岩的永久变形值。
10.其中，所述tseng模型进行预测，具体公式如下所示：
[0011][0012]
式中，εp表示永久变形，n表示循环加载次数，α1、α2和α3为模型参数。
[0013]
其中，所述制备炭质泥岩，包括：
[0014]
对炭质泥岩试样进行24小时的烘干处理；以2％的梯度差进行所述炭质泥岩试样含水率的配置，并完成18小时闷料处理以使其内部湿度均匀化；当闷料完成后选用重型击实法将所述炭质泥岩试样分三层进行击实，每层击实次数为98次；选取所述炭质泥岩试样成型典型部分进行含水率及干密度的测定，确定所述炭质泥岩试样的最大干密度和最佳含水率，得到炭质泥岩。
[0015]
其中，所述对所述炭质泥岩进行干湿循环试验，包括：
[0016]
制备压实度为90％、93％、96％，含水率为最佳含水率，直径10cm，高度20cm的炭质泥岩，其中，成型过程中，所述炭质泥岩的实际含水率、压实度与目标值误差控制在1％以内；所述炭质泥岩在密封箱中浸水汽24小时，在105℃的温度下完成24小时的烘干；其中，干湿循环次数采用向后差值递增的方法选取为0、1、3、6、10。
[0017]
其中，所述对经过干湿循环实验的所述炭质泥岩进行动三轴试验，得到每一干湿循环次数、加载应力、压实度下的永久变形特性，包括：
[0018]
对所述炭质泥岩进行动三轴试验，其中，所述动三轴试验中荷载形式为半正弦波，频率lhz，加载时间0.2s，间歇时间0.8s，围压选取30kpa，加载应力选取20kpa、40kpa、60kpa，得到永久变形特性。
[0019]
其中，所述干湿循环次数与所述模型参数α1间的经验关系式为：
[0020][0021]
式中，ndw表示干湿循环次数。
[0022]
其中，所述压实度与所述模型参数α2间的经验关系式为：
[0023]
α2＝
‑
30.47 0.54k
[0024]
式中，k表示压实度。
[0025]
其中，所述加载应力与所述模型参数α3间的经验关系式为：
[0026]
α3＝6.34 13.01ln(σ
d
)
[0027]
式中，σd表示加载应力。
[0028]
本发明实施例提供了一种炭质泥岩永久变形快速预测方法，所述方法包括：制备炭质泥岩，对所述炭质泥岩进行干湿循环试验；对经过干湿循环实验的所述炭质泥岩进行动三轴试验，得到每一干湿循环次数、加载应力、压实度下的永久变形特性；根据所述永久变形特性、tseng模型拟合得到预估模型参数，基于所述预估模型参数和所述tseng模型得到所述炭质泥岩的永久变形值；如此，一方面，综合考虑了干湿循环、应力变量及状态变量对其永久变形的影响。同时，该模型物理意义明确、结构简单，大大减少了试验耗时，降低了试验难度，为不具备三轴试验条件的单位提供了明显的工程便利，具有较高的市场推广价值；另一方面，与现有规范方法相比能够便捷、准确的获得不同条件下炭质泥岩的永久变形，较便利的指导了炭质泥岩在道路结构中的设计和施工，且可以将本方法推广至其他同类材料的设计与检测中，具有广阔的应用价值。
附图说明
[0029]
图1为本发明实施例提供的一种炭质泥岩永久变形快速预测方法的流程示意图；
[0030]
图2为本发明实施例提供的0次干湿循环、96％压实度条件下不同加载应力对应的
永久变形曲线图；
[0031]
图3为本发明实施例提供的0次干湿循环、40kpa加载应力条件下不同压实度对应的永久变形曲线图；
[0032]
图4为本发明实施例提供的96％压实度、40kpa加载应力条件下不同干湿循环次数对应的永久变形曲线图；
[0033]
图5为本发明实施例提供的干湿循环次数与模型参数α1的关系曲线图；
[0034]
图6为本发明实施例提供的压实度与模型参数α2的关系曲线图；
[0035]
图7为本发明实施例提供的加载应力与模型参数α3的关系曲线图；
[0036]
图8为本发明实施例提供的一种炭质泥岩永久变形快速预测方法的鲁棒性验证图。
具体实施方式
[0037]
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。
[0038]
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。
[0039]
请参阅图1，本发明实施例提供了一种炭质泥岩永久变形快速预测方法，所述方法包括：
[0040]
步骤s1：制备炭质泥岩，对所述炭质泥岩进行干湿循环试验；
[0041]
步骤s2：对经过干湿循环实验的所述炭质泥岩进行动三轴试验，得到每一干湿循环次数、加载应力、压实度下的永久变形特性；
[0042]
步骤s3：根据所述永久变形特性、tseng模型拟合得到预估模型参数，基于所述预估模型参数和所述tseng模型得到所述炭质泥岩的永久变形值。
[0043]
通过本发明上述实施方式，一方面，综合考虑了干湿循环、应力变量及状态变量对其永久变形的影响。同时，该模型物理意义明确、结构简单，大大减少了试验耗时，降低了试验难度，为不具备三轴试验条件的单位提供了明显的工程便利，具有较高的市场推广价值；另一方面，与现有规范方法相比能够便捷、准确的获得不同条件下炭质泥岩的永久变形，较便利的指导了炭质泥岩在道路结构中的设计和施工，且可以将本方法推广至其他同类材料的设计与检测中，具有广阔的应用价值。
[0044]
在一实施方式中，所述tseng模型进行预测，具体公式如下所示：
[0045][0046]
式中，εp表示永久变形，n表示循环加载次数，α1、α2和α3为模型参数。
[0047]
在一实施方式中，所述制备炭质泥岩，包括：
[0048]
对炭质泥岩试样进行24小时的烘干处理；以2％的梯度差进行所述炭质泥岩试样含水率的配置，并完成18小时闷料处理以使其内部湿度均匀化；当闷料完成后选用重型击实法将所述炭质泥岩试样分三层进行击实，每层击实次数为98次；选取所述炭质泥岩试样
成型典型部分进行含水率及干密度的测定，确定所述炭质泥岩试样的最大干密度和最佳含水率，得到炭质泥岩。
[0049]
在一实施方式中，所述对所述炭质泥岩进行干湿循环试验，包括：
[0050]
制备压实度为90％、93％、96％，含水率为最佳含水率，直径10cm，高度20cm的炭质泥岩，其中，成型过程中，所述炭质泥岩的实际含水率、压实度与目标值误差控制在1％以内；所述炭质泥岩在密封箱中浸水汽24小时，在105℃的温度下完成24小时的烘干；其中，干湿循环次数采用向后差值递增的方法选取为0、1、3、6、10。
[0051]
在一实施方式中，所述对经过干湿循环实验的所述炭质泥岩进行动三轴试验，得到每一干湿循环次数、加载应力、压实度下的永久变形特性，包括：
[0052]
对所述炭质泥岩进行动三轴试验，其中，所述动三轴试验中荷载形式为半正弦波，频率lhz，加载时间0.2s，间歇时间0.8s，围压选取30kpa，加载应力选取20kpa、40kpa、60kpa，得到永久变形特性。
[0053]
在一实施方式中，所述干湿循环次数与所述模型参数α1间的经验关系式为：
[0054][0055]
式中，ndw表示干湿循环次数。
[0056]
在一实施方式中，所述压实度与所述模型参数α2间的经验关系式为：
[0057]
α2＝
‑
30.47 0.54k
[0058]
式中，k表示压实度。
[0059]
在一实施方式中，所述加载应力与所述模型参数α3间的经验关系式为：
[0060]
α3＝6.34 13.01ln(σ
d
)
[0061]
式中，σd表示加载应力。
[0062]
下面通过具体实施例来对本发明实施例提供了一种炭质泥岩永久变形快速预测方法作进一步说明。
[0063]
实施例
[0064]
步骤一：依据《公路土工试验规程》(jtg 3430
‑
2020)对炭质泥岩开展击实试验，具体流程如下：首先，将击实试验所需的炭质泥岩进行24小时的烘干处理；然后，以2％的梯度差进行炭质泥岩含水率的配置，并完成18小时闷料处理以使其内部湿度均匀化；当闷料完成后选用重型击实法将炭质泥岩分三层进行击实，每层击实次数为98次；最后，选取炭质泥岩成型试样典型部分进行含水率及干密度的测定，从而确定试样的最大干密度和最佳含水率。结果表明炭质泥岩的最大干密度为2.02g/cm3，最佳含水率为13.82％。
[0065]
步骤二：基于步骤一结果制备压实度为90％、93％、96％，含水率为最佳含水率，10cm
×
20cm(直径
×
高度)的圆柱形炭质泥岩试样。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，将试样放入高低温交变试验机进行干湿循环试验，为尽可能地模拟我国南方湿热地区公路实际遭受干湿循环的影响，一个完整的干湿循环周期设置如下：试样在密封箱中浸水汽24小时，然后在105℃的温度下完成24小时的烘干。为尽可能的保证试验结果的准确性，干湿循环次数采用向后差值递增的方法选取为0、1、3、6、10。
[0066]
步骤三：在步骤二干湿循环试验完成后，立即对炭质泥岩试样进行动三轴试验。动三轴试验中荷载形式为半正弦波，频率lhz，加载时间0.2s，间歇时间0.8s。围压选取30kpa，
加载应力选取20kpa、40kpa、60kpa，间歇式加载多次后，得到试件永久变形值。0次干湿循环、96％压实度条件下不同加载应力(20kpa、40kpa、60kpa)与永久变形的关系如图1所示。0次干湿循环、40kpa加载应力条件下不同压实度(90％、93％、96％)与永久变形的关系如图2所示。96％压实度、40kpa加载应力条件下不同干湿循环次数(0、1、3、6、10)与永久变形的关系如图3所示。由图2
‑
图4可知不同加载次数与永久变形的关系。
[0067]
步骤四：根据动三轴试验分别测得步骤三中不同工况下炭质泥岩的永久变形值，并采用mepdg中推荐的tseng模型进行永久变形预测，具体公式如式(1)所示：
[0068][0069]
式中，εp表示永久变形，n表示循环加载次数，α1、α2和α3为模型参数。
[0070]
步骤五：依据步骤三的动三轴试验数据及步骤s4的tseng模型预测数据绘制干湿循环次数与模型参数α1、压实度与模型参数α2、加载应力与模型参数α3的关系曲线(分别如图5、图6、图7所示)，并采用逐步多元回归分析方法确定模型参数与试验变量间的经验关系式。由图5可知，干湿循环次数与模型参数α1间的经验关系式为：
[0071][0072]
由图6可知，压实度与模型参数α2间的经验关系式表达式为：
[0073]
α2＝
‑
30.47 0.54k
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0074]
由图7可知，加载应力与模型参数α3间的经验关系式表达式为：
[0075]
α3＝6.34 13.01ln(σ
d
)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0076]
将式(2)、式(3)、式(4)代入式(1)可得炭质泥岩永久变形快速预测公式，具体公式如式(5)所示：
[0077][0078]
为确定本发明所提炭质泥岩永久变形快速预测公式的适用性，本发明对公式(5)进行鲁棒性验证，结果如图8所示。结果表明，该快速预测公式能够满足一般工程的需要。
[0079]
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。