考虑季节效应的路基最大承载力、路基顶面当量最大承载力确定方法及应用

1.本发明属于道路工程技术领域，涉及一种考虑季节效应的路基最大承载力、路基顶面当量最大承载力确定方法及应用。


背景技术：

2.近年来，随着交通运输行业的飞速发展，车辆重载、超载等情况屡禁不止，进而导致路基在过重荷载情况下易产生过大变形，从而使得路面出现车辙、开裂等病害。此外，我国约有53.5％的国土面积位于季节性冻土地区，该地区公路密集，气候多变。现有研究表明位于季节性冻土地区的路基土内部孔隙比、孔径分布会随季节效应而发生改变，从而不可避免地遭受冻胀、融沉等病害。因此，研究季节性冻土地区路基土的最大承载力具有重要的理论意义和实际意义。
3.通常而言，室内三轴试验是一种普遍认可的测定最大承载力方法。然而，该方法存在理论缺陷，其无法真实表征路基整体的结构最大承载力。目前，鲜有针对冻融循环下不同冻融阶段的路基最大承载力演变规律的研究成果，无法准确获得路基结构的最大承载力。


技术实现要素：

4.本发明实施例的目的在于提供一种考虑季节效应的路基最大承载力确定方法，以解决采用三轴试验无法准确获得路基整体结构的最大承载力的问题。
5.本发明实施例的第二目的在于提供一种考虑季节效应的路基顶面当量最大承载力确定方法。
6.本发明实施例的第三目的在于提供一种考虑季节效应的路基顶面当量最大承载力确定方法的应用。
7.本发明实施例所采用的技术方案是：一种考虑季节效应的路基最大承载力确定方法，按照以下步骤进行：
8.步骤s1：依据季节效应对路基土的实际影响，将冻融循环划分为常温阶段、完全冰冻阶段、完全融化阶段以及完全恢复阶段，并制备路基土试件进行不同阶段的冻融循环试验；
9.步骤s2：对经过预设冻融循环次数的不同冻融阶段的路基土试件进行静三轴试验，获得不同围压、初始干密度、饱和度、冻融各阶段循环次数下的路基土最大承载力，并基于试验结果建立考虑季节效应的路基土最大承载力预估模型；
10.步骤s3：基于静三轴试验数据拟合得到考虑季节效应的路基土最大承载力预估模型的模型参数，并通过该模型参数已知的考虑季节效应的路基土最大承载力预估模型快速预测不同冻融阶段路基土在不同条件下的最大承载力。
11.进一步的，所述步骤s2基于试验结果建立的考虑季节效应的路基土最大承载力预估模型为：
[0012][0013]
其中，f
max
为路基土最大承载力，σ3为围压，ρ
ini
为路基土的初始干密度，wpi为路基土的塑性指数权，sa为路基土的饱和度，na为常温阶段循环次数，nb为完全冰冻阶段循环次数，nc为完全融化阶段循环次数，nd为完全恢复阶段循环次数，α1、α2、α3、α4、α5、b1、b2、b3、b4、b5、c1、c2、c3、c4、c5、d1、d2、d3、d4、d5为模型参数，e为自然常数。
[0014]
进一步的，所述步骤s3拟合得到的考虑季节效应的路基土最大承载力预估模型的模型参数为：α1＝258.81，α2＝0.81，α3＝1039.53，α4＝-148.40，α5＝-85.41；b1＝571.46，b2＝1.41，b3＝1097.41，b4＝-257.74，b5＝-151.92；c1＝122.13，c2＝0.38，c3＝498.97，c4＝-69.48，c5＝-39.72；d1＝188.28，d2＝0.59，d3＝769.25，d4＝-107.12，d5＝-61.24。
[0015]
本发明实施例所采用的第二技术方案是：一种考虑季节效应的路基顶面当量最大承载力确定方法，采用上述建立的考虑季节效应的路基土最大承载力预估模型确定路基各个节点在不同冻融阶段下的最大承载力，具体按照如下步骤进行：
[0016]
步骤1：在有限元软件中，新建考虑季节效应的路基土最大承载力预估模型，确定路基各个节点在不同冻融阶段下的最大承载力，判断路基整体最大承载力是否满足收敛要求，并在路基整体最大承载力满足收敛要求后，采用绘图功能输出静荷载作用与路基顶面的极限沉降值；
[0017]
步骤2：建立塑性半空间预估模型，采用与有限元软件中相同的路基结构模型及静载荷加载方式，得到塑性半空间预估模型对应的路基土在不同最大承载力下的路基顶面极限沉降值；
[0018]
步骤3：根据沉降等效原则，令塑性半空间预估模型与步骤1所得静荷载作用下路基顶面的极限沉降值相等，该极限沉降值在步骤1对应的路基最大承载力即为路基顶面当量最大承载力。
[0019]
进一步的，所述步骤1的具体实现过程如下：
[0020]
步骤11：设置路基结构节点j的坐标(x，y)，其中，j为结点编号，0＜j≤n，n为路基节点总数，x为当前节点的横坐标，y为当前节点的纵坐标，并确定路基土体的初始干密度、塑性指数权、饱和度、不同冻融阶段的冻融循环次数以及考虑季节效应的路基土最大承载力预估模型的模型参数α1、α2、α3、α4、α5、b1、b2、b3、b4、b5、c1、c2、c3、c4、c5、d1、d2、d3、d4、d5；
[0021]
步骤12：通过结点坐标结合公式σ3＝ρwgh确定当前结点所受围压值，其中，ρw为路基土体湿密度，g为重力加速度，h为结点对应深度；并通过设置有限元软件的系统参数获得不同冻融阶段路基结构当前结点j的预设有限元最大承载力f
max0j
；
[0022]
步骤13：基于步骤11～12确定的具体数值，结合步骤s2新建考虑季节效应的路基土最大承载力预估模型，进而得到当前结点j在不同冻融阶段的预估最大承载力f
maxj
；然
后，根据公式errorj＝|f
maxj-f
max0j
|/f
maxj
对结点j的预估最大承载力f
maxj
和预设有限元最大承载力f
max0j
进行相对误差比较，若errorj小于等于5％则认为两者相对误差符合收敛要求，若errorj大于5％则返回步骤12调整有限元软件的系统参数后重新获得结点j的预设有限元最大承载力f
max0j
并开始迭代，直至结点j的预估最大承载力f
maxj
和预设有限元最大承载力f
max0j
的相对误差符合收敛要求；
[0023]
步骤14：重复步骤11-13，依次得到路基各个结点在不同冻融阶段的预设有限元最大承载力f
max0j
以及预估最大承载力f
maxj
；然后通过公式检验路基整体最大承载力是否满足收敛要求；若errorc≤5％，则路基整体最大承载力满足收敛要求，获得路基各个结点在不同冻融阶段下的预估有限元最大承载力f
max0j
和预估有限元最大承载力f
maxj
；若errorc＞5％，则路基整体最大承载力不满足收敛要求，返回步骤12重新设置有限元软件的系统参数调整结点j的预设有限元最大承载力f
max0j
并开始迭代，直至路基整体最大承载力满足收敛要求；
[0024]
步骤15：在路基整体最大承载力满足收敛要求后，通过有限元软件的绘图功能输出静荷载作用下路基顶面的极限沉降值。
[0025]
本发明实施例所采用的第三技术方案是：一种考虑季节效应的路基顶面当量最大承载力确定方法的应用，用于确定季节性冻土地区路基土的临界承载力。
[0026]
进一步的，按照以下方法确定季节性冻土地区路基土的临界承载力：
[0027]
先采用如上所述的一种考虑季节效应的路基顶面当量最大承载力确定方法确定不同冻融阶段即常温阶段、完全冰冻阶段、完全融化阶段以及完全恢复阶段的路基顶面当量最大承载力，然后比对不同冻融阶段的路基顶面当量最大承载力，选取其中最低值作为季节性冻土地区路基土的临界承载力用于道路设计与分析。
[0028]
本发明实施例的有益效果是：
[0029]
1.提出了一种考虑季节效应的路基土最大承载力预估模型，综合考虑了围压、初始干密度、塑性指数权、饱和度、冻融循环次数对不同冻融阶段路基土的耦合影响。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。
[0030]
2.对现有路面设计方法进行进一步完善，以三轴试验结果为基础，通过有限元方法，将传统的材料最大承载力拓展至整个结构的最大承载力，同时基于沉降等效原则，将路基结构的非均匀最大承载力转换为道路结构设计所采用的等效最大承载力，解决了采用三轴试验无法准确获得路基整体最大承载力的问题。
[0031]
3.所确定的路基顶面当量最大承载力能直接用于道路结构计算与设计，实现了从理论方法到设计参数的无缝对接，本发明的确定方法更加科学、符合实际，较三轴试验结果更加准确、更有说服力。
附图说明
[0032]
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。
[0033]
图1是本发明实施例的一种考虑季节效应的路基顶面当量最大承载力确定方法的流程图。
[0034]
图2是初始干密度为1.6g/cm3、饱和度为80％、0次冻融循环条件下不同围压对应的常温阶段路基土最大承载力关系图。
[0035]
图3是围压为40kpa、饱和度为80％、0次冻融循环条件下不同初始干密度对应的常温阶段路基土最大承载力关系图。
[0036]
图4是围压为40kpa、初始干密度为1.6g/cm3、0次冻融循环条件下不同饱和度对应的常温阶段路基土最大承载力关系图。
[0037]
图5是围压为40kpa、初始干密度为1.6g/cm3、饱和度为80％条件下不同冻融循环次数对应的常温阶段、完全冰冻阶段、完全融化阶段以及完全恢复阶段路基土最大承载力关系图。
[0038]
图6为本发明实施例的路基土最大承载力的预测结果与实测结果对比图。
[0039]
图7为本发明实施例的最大承载力迭代流程图。
具体实施方式
[0040]
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。
[0041]
实施例1
[0042]
如图1所示，本发明实施例提供了一种考虑季节效应的路基最大承载力确定方法，所述方法包括：
[0043]
步骤s1：依据季节效应对路基土的实际影响，将冻融循环具体划分为常温阶段、完全冰冻阶段、完全融化阶段以及完全恢复阶段，并制备路基土试件进行不同阶段的冻融循环试验，制备路基土试件进行不同阶段的冻融循环试验的具体过程如下：
[0044]
通过室内基本物理力学试验，获得路基土的最大干密度、最佳含水率和塑性指数等参数，具体结果如表1所示，本实施例所采用的路基土是季节性冻土地区广泛分布的粉土。
[0045]
表1土的基本物理性能参数
[0046][0047]
依据季节效应对路基土的实际影响，将冻融循环具体划分为常温阶段、完全冰冻阶段、完全融化阶段以及完全恢复阶段。并基于基本物理力学试验结果制备初始干密度分别为1.4g/cm3、1.6g/cm3、1.8g/cm3，饱和度分别为40％、60％、80％的路基土试件，每个路基土试件的直径为100mm、高度为200mm，预设其冻融循环次数为0、1、3、6、10次，进行不同冻融阶段(常温阶段、完全冰冻阶段、完全融化阶段以及完全恢复阶段)的冻融循环实验，获得预
设冻融循环次数的不同冻融阶段路基土试件。
[0048]
步骤s2：对经过预设冻融循环次数的不同冻融阶段的路基土试件进行静三轴试验，获得不同围压、初始干密度、饱和度、冻融各阶段循环次数下的路基土最大承载力，并基于试验结果建立考虑季节效应的路基土最大承载力预估模型，具体见下式：
[0049][0050]
其中，f
max
为路基土最大承载力，σ3为围压，ρ
ini
为路基土的初始干密度，wpi为路基土的塑性指数权，sa为路基土的饱和度，na为常温阶段循环次数，nb为完全冰冻阶段循环次数，nc为完全融化阶段循环次数，nd为完全恢复阶段循环次数，α1、α2、α3、α4、α5、b1、b2、b3、b4、b5、c1、c2、c3、c4、c5、d1、d2、d3、d4、d5为模型参数，e为自然常数。
[0051]
其中，初始干密度是颗粒聚合成土样的宏观层面状态体现，塑性指数权是颗粒微观层面的状态体现(定义为塑性指数与细粒含量的乘积)，本发明实施例结合物理状态的宏微观层面进行设置，能更好地反映路基土物理状态对路基土最大承载力的影响。此外，利用本发明实施例提出的路基土最大承载力预估模型，可计算细粒含量为0时、围压为0时、未经历冻融循环时的路基土最大承载力，且采用a
5 ln(na e)可消除不同冻融循环次数所对应可能出现的正、负异号现象，避免其影响拟合精度，有效提高预测精度。本发明实施例的路基土最大承载力预估模型综合考虑了路基土的应力状态、物理状态、湿度状态和环境影响对路基土最大承载力的耦合影响，并对不同冻融阶段的路基土最大承载力进行细分，其本身的组合存在即是一个最优模型。
[0052]
静三轴试验加载速率为0.02mm/s，围压为20kpa、40kpa、60kpa，若路基土试件在轴向应变达到15％前发生破坏，则取其轴向应力峰值点作为其最大承载力值，若路基土试件在轴向应变达到15％时仍未破坏，则以此时的轴向应力作为其最大承载力值。初始干密度为1.6g/cm3、饱和度为80％、0次冻融循环条件下不同围压对应的常温阶段路基土最大承载力关系如图2所示，围压为40kpa、饱和度为80％、0次冻融循环条件下不同初始干密度对应的常温阶段路基土最大承载力关系如图3所示，围压为40kpa、初始干密度为1.6g/cm3、0次冻融循环条件下不同饱和度对应的常温阶段路基土最大承载力关系如图4所示，围压为40kpa、初始干密度为1.6g/cm3、饱和度为80％条件下不同冻融循环次数n对应的常温阶段、完全冰冻阶段、完全融化阶段以及完全恢复阶段路基土最大承载力关系如图5所示。
[0053]
步骤s3：基于静三轴试验数据拟合(如通过sas统计分析软件的逐步线性回归方法)得到考虑季节效应的路基土最大承载力预估模型的模型参数α1、α2、α3、α4、α5、b1、b2、b3、b4、b5、c1、c2、c3、c4、c5、d1、d2、d3、d4、d5，拟合结果如表2所示，从而通过该模型参数已知的考虑季节效应的路基土最大承载力预估模型快速预测不同冻融阶段路基土在不同条件下的最大承载力。
[0054]
表2拟合结果统计表
[0055][0056]
从表2可知，该模型参数已知的考虑季节效应的路基土最大承载力预估模型的相关系数r2分别为0.93、0.94、0.95、0.95，表明模型精度较高。此外，以路基土最大承载力实测值为横坐标、最大承载力预估值为纵坐标绘制鲁棒性验证散点图，以直线y＝x为基准，绘制得到路基土最大承载力的预测结果与实测结果对比图，如图6所示，可以看出大部分散点集中分布在直线y＝x周围，说明了本发明实施例新建的路基土最大承载力预估模型所得最大承载力预估值具有较强的代表性，符合一般工程需要。
[0057]
实施例2
[0058]
如图1所示，本发明实施例提供了一种考虑季节效应的路基顶面当量最大承载力确定方法，所述方法包括：
[0059]
步骤1：在abaqus有限元软件中，新建考虑季节效应的路基土最大承载力预估模型，通过编写的umat子程序确定路基各个节点在不同冻融阶段下的最大承载力，判断路基整体最大承载力是否满足收敛要求，并在路基整体最大承载力满足收敛要求后，采用绘图功能输出静荷载作用与路基顶面的极限沉降值，如图7所示，具体过程如下：
[0060]
步骤11：设置路基结构节点j的坐标(x，y)，其中，j为结点编号，0＜j≤n，n为路基节点总数，x为当前节点的横坐标，y为当前节点的纵坐标，并确定路基土体的初始干密度、塑性指数权、饱和度、不同冻融阶段的冻融循环次数以及考虑季节效应的路基土最大承载力预估模型的模型参数α1、α2、α3、α4、α5、b1、b2、b3、b4、b5、c1、c2、c3、c4、c5、d1、d2、d3、d4、d5；
[0061]
步骤12：通过结点坐标结合公式σ3＝ρwgh确定当前结点所受围压值，其中，ρw为路基土体湿密度，g为重力加速度，h为结点对应深度；并通过设置有限元软件的系统参数(颗粒系数、边界系数等)获得不同冻融阶段路基结构当前结点j的预设有限元最大承载力f
max0j
；
[0062]
步骤13：基于步骤11～12确定的具体数值，结合步骤s2新建考虑季节效应的路基土最大承载力预估模型，进而得到当前结点j在不同冻融阶段的预估最大承载力f
maxj
；然后，根据公式errorj＝|f
maxj-f
max0j
|/f
maxj
对结点j的预估最大承载力f
maxj
和预设有限元最大承载力f
max0j
进行相对误差比较，若errorj小于等于5％则认为两者相对误差符合收敛要求，若errorj大于5％则返回步骤12，调整有限元软件的系统参数后重新获得结点j的预设有限元最大承载力f
max0j
并开始迭代，直至结点j的预估最大承载力f
maxj
和预设有限元最大承载力f
max0j
的相对误差符合收敛要求；
[0063]
步骤14：重复步骤11-13，依次得到路基各个结点在不同冻融阶段的预设有限元最大承载力f
max0j
以及预估最大承载力f
maxj
；然后通过公式检验路基整体最大承载力是否满足收敛要求；若errorc≤5％，则路基整体最大承载力满足收敛要求，获得路基各个结点在不同冻融阶段下的预估有限元最大承载力f
max0j
和预估有限元最大承载力f
maxj
；若errorc＞5％，则路基整体最大承载力不满足收敛要求，返回步骤12重新设置有限元软件的系统参数调整结点j的预设有限元最大承载力f
max0j
并开始迭代，直至路基整体最大承载力满足收敛要求；
[0064]
步骤15：在路基整体最大承载力满足收敛要求后，通过有限元软件的绘图功能输出静荷载作用下路基顶面的极限沉降值(在荷载作用中心线上)；
[0065]
步骤2：建立塑性半空间预估模型，采用与有限元软件中相同的路基结构模型及静载荷加载方式，得到塑性半空间预估模型对应的路基土在不同最大承载力下的路基顶面极限沉降值；
[0066]
步骤3：根据沉降等效原则，令塑性半空间预估模型与步骤1(具体是步骤15)所得静荷载作用下路基顶面的极限沉降值相等，该极限沉降值在步骤1对应的路基最大承载力即为路基顶面当量最大承载力。本实施例确定的塑性半空间预估模型与步骤1所得静荷载作用下路基顶面的极限沉降值相等的路基顶面极限沉降值为0.67mm，与之相对应的路基顶面当量最大承载力(与该路基顶面极限沉降值相对应的路基最大承载力f
maxj
)为347kpa。
[0067]
实施例3
[0068]
本发明实施例提供了一种考虑季节效应的路基顶面当量最大承载力确定方法的应用，用于确定季节性冻土地区路基土的临界承载力，具体是先采用实施例2所述的一种考虑季节效应的路基顶面当量最大承载力确定方法确定常温阶段、完全冰冻阶段、完全融化阶段以及完全恢复阶段的路基顶面当量最大承载力，然后比对不同冻融阶段即常温阶段、完全冰冻阶段、完全融化阶段以及完全恢复阶段的路基顶面当量最大承载力，发现完全融化阶段的最大承载力处于最低值，因此，选取完全融化阶段的最大承载力作为季节性冻土地区路基土的临界承载力用于道路设计与分析。因此可利用实施例2提出的考考虑季节效应的路基顶面当量最大承载力确定不同冻融阶段的路基顶面当量最大承载力，进而确定季节性冻土地区路基土的临界承载力。
[0069]
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。