一种干湿循环下改良建筑废弃物-膨胀土永久变形的预估方法

1.本发明属于道路工程技术领域，涉及一种干湿循环下改良建筑废弃物-膨胀土永久变形的预估方法。


背景技术：

2.在道路与岩土工程领域，路基的永久变形是研究人员持续关注的热点问题。对于目前常用的半刚性基层路面结构，路基的永久变形对道路结构的稳定性至关重要。与此同时，考虑到路基运营期内的稳定性与耐久性，复杂多变的气候环境对路基变形具有潜在威胁。据气候数据显示，我国南方湘赣等地气候闷热，常年多雨，致使路基逐渐湿化，加之近年来交通量的快速增长，这些因素综合作用使得南方湿热地区路基永久变形持续增加，其整体承载能力显著降低。因此，研究南方湿热地区路基土在长期循环荷载作用下的永久变形具有重要意义。
3.膨胀土在我国南方湿热地区分布广泛，随着该地区交通基础设施建设的迅猛发展，在筑路材料贫乏地区采用膨胀土作为路基填料难以避免。然而，膨胀土是一种具有裂隙性、胀缩性的典型特殊黏性土，其多裂隙、吸水膨胀、失水收缩等工程特性使得膨胀土路基在车辆荷载的反复作用下易出现不同程度的稳定性衰退，从而给公路使用寿命带来极大危害。国内外学者针对其处治方法多为添加外掺剂(如水泥、生石灰)，但该种改良方法类属于化学改良的范畴，其有效期较短，且对环境存在一定不利影响。同时，随着我国基础设施建设以及城镇化的大力推进，相应产生的建筑废弃物数量正在急剧增长。难以处置的巨量建筑废弃物已严重制约城市的可持续发展，其有效回收、处置、再利用的问题亟待解决。因此，本发明尝试应用建筑废弃物对膨胀土进行改良，并通过表征路基稳定性能的重要指标-永久变形来为改良建筑废弃物-膨胀土在复杂气候-荷载综合作用下的稳定性分析提供有效参考。
4.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、快速的方法来获得改良建筑废弃物-膨胀土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改良建筑废弃物-膨胀土的永久变形预估模型。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提供了一种干湿循环下改良建筑废弃物-膨胀土永久变形的预估方法，能够便捷、准确的获得改良建筑废弃物-膨胀土的永久变形，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。
6.本发明实施例所采用的技术方案是，一种干湿循环下改良建筑废弃物-膨胀土永久变形的预估方法，具体按照以下步骤进行：
7.s1：通过击实试验确定不同建筑废弃物掺入率对应的混合填料最大干密度和最佳含水率；
8.s2：制备不同建筑废弃物掺入率的混合填料，含水率为最佳含水率，进行干湿循环试验；
9.s3：对经过预设干湿循环次数的混合填料试样进行动三轴试验，得到试样永久变形值；获取不同建筑废弃物掺入率、干湿循环次数、压实度、加载应力、加载次数对永久变形的影响函数；
10.s4：将各影响函数相乘，建立永久变形预估模型；
11.s5：根据动三轴试验结果拟合得到模型参数。
12.进一步的，所述步骤s3中，不同建筑废弃物掺入率的永久变形影响函数见下式：
[0013][0014]
式中：为干湿循环次数对应的影响函数，e为常数，n
dw
为干湿循环次数，α1、α2为模型参数。
[0015]
进一步的，所述步骤s3中，不同干湿循环次数的永久变形影响函数见下式：
[0016][0017]
式中：为建筑废弃物掺入率对应的影响函数，λ
cdw
为建筑废弃物掺入率，b1、b2为模型参数。
[0018]
进一步的，所述步骤s3中，不同压实度的永久变形影响函数见下式：
[0019]gk
＝c1 c2k
[0020]
式中：gk为压实度对应的影响函数，k为压实度，c1、c2为模型参数。
[0021]
进一步的，所述步骤s3中，不同加载应力的永久变形影响函数见下式：
[0022][0023]
式中：为加载应力对应的影响函数，σd为加载应力，d1、d2为模型参数。
[0024]
进一步的，所述步骤s3中，不同加载次数的永久变形影响函数见下式：
[0025][0026]
式中：gn为加载次数对应的影响函数，n为加载次数，e1、e2、e3、e4为模型参数。
[0027]
进一步的，所述步骤s4中，建立的永久变形预估模型：
[0028][0029]
式中：ε
p
为永久变形；n
dw
为干湿循环次数；λ
cdw
为建筑废弃物掺入率；k为压实度；σd为加载应力；n为加载次数；α1、α2、b1、b2、c1、c2、d1、d2、e1、e2、e3、e4为模型参数。
[0030]
进一步的，所述步骤s3中，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10000次后，得到试件永久变形值。
[0031]
本发明的有益效果是：
[0032]
1.本发明克服了现有传统的常规土质永久变形预估模型限制，综合考虑了改良建筑废弃物的物理性能(建筑废弃物掺入率、压实度)、加载及环境对其永久变形的影响，建立了更适合改良建筑废弃物的永久变形预估模型，提高了便携性和准确性；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。
[0033]
2.本发明与现有规范方法相比，便捷、准确性大幅提升，便于指导改良建筑废弃物-膨胀土在道路结构中的设计和施工，为道路资源再生化的实际应用提供参考，且能够推广至其他建筑废弃物改良路基土的设计与检测中，具有广阔的应用价值。
附图说明
[0034]
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。
[0035]
图1是本发明实施例的流程图。
[0036]
图2是本发明实施例中不同建筑废弃物掺入率下混合填料的击实试验结果。
[0037]
图3是本发明实施例中0次干湿循环、93％压实度、40kpa加载应力条件下不同建筑废弃物掺入率与永久变形终值的关系图。
[0038]
图4是本发明实施例中0次干湿循环、10％建筑废弃物掺入率、40kpa加载应力条件下不同压实度与永久变形终值的关系图。
[0039]
图5是本发明实施例中0次干湿循环、10％建筑废弃物掺入率、93％压实度条件下不同加载应力与永久变形终值的关系图。
[0040]
图6是本发明实施例中10％建筑废弃物掺入率、93％压实度、40kpa加载应力条件下不同干湿循环次数与永久变形终值的关系图。
[0041]
图7是本发明实施例中0次干湿循环、10％建筑废弃物掺入率、93％压实度、40kpa加载应力条件下不同加载次数与永久变形的关系图。
[0042]
图8是本发明实施例所建模型鲁棒性验证结果图。
具体实施方式
[0043]
下面将结合本发明实施例，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。
[0044]
实施例，
[0045]
一种干湿循环下改良建筑废弃物-膨胀土永久变形的预估方法，如图1所示，具体按照以下步骤进行：
[0046]
步骤s1：通过击实试验确定不同建筑废弃物掺入率下混合填料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：
[0047]
首先，将击实试验所需的建筑废弃物及膨胀土进行24小时的烘干处理；其次，进行预设建筑废弃物掺入率(0％、10％、20％、30％、40％、50％)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，选取成型试样中心部分进行含水率及干密度的测定，从而获得不同掺入率下混合填料的最大干密度和最佳含水率，结果如图2所示。
[0048]
步骤s2：制备不同建筑废弃物掺入率的混合填料，并进行干湿循环试验；基于步骤s1结果，制备压实度为90％、93％、96％，压实度为干密度和最大干密度的比值，含水率为最佳含水率，建筑废弃物掺入率为0％、10％、20％、30％、40％、50％，直径和高度分别为10cm
×
20cm的圆柱形混合填料试样。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，通过干湿交变试验机对成型试样进行干湿循环处理，一个完整的干湿循环周期设置如下：将试件放置密封箱中进行增湿处理，直至试样吸水饱和(增湿饱和过程耗时约为48h)，饱和完成后在25℃的温度下进行风干处理，直至试件质量降低至增湿前的初始质量。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。
[0049]
步骤s3：对经过干湿循环试验的混合填料试样进行动三轴试验，并分析不同建筑废弃物掺入率、干湿循环次数、压实度、加载应力、加载次数下的永久变形特性。在步骤s2干湿循环试验完成后，立即对混合填料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10000次后，得到试件永久变形值。0次干湿循环、93％压实度、40kpa加载应力条件下不同建筑废弃物掺入率(0％、10％、20％、30％、40％、50％)与永久变形终值的关系如图3所示。0次干湿循环、10％建筑废弃物掺入率、40kpa加载应力条件下不同压实度(90％、93％、96％)与永久变形终值的关系如图4所示。0次干湿循环、10％建筑废弃物掺入率、93％压实度条件下不同加载应力(20kpa、40kpa、60kpa)与永久变形终值的关系如图5所示。10％建筑废弃物掺入率、93％压实度、40kpa加载应力条件下不同干湿循环次数(0、1、3、6、10)与永久变形终值的关系如图6所示。0次干湿循环、10％建筑废弃物掺入率、93％压实度、40kpa加载应力条件下不同加载次数与永久变形的关系如图7所示。
[0050]
步骤s4：在步骤s3动三轴试验结果的基础上，分析建立一种综合考虑物理影响(建筑废弃物掺入率、压实度)、加载影响(加载应力、加载次数)、环境影响(干湿循环次数)的永
久变形预估模型：
[0051][0052]
式中：ε
p
为永久变形；n
dw
为干湿循环次数；λ
cdw
为建筑废弃物掺入率；k为压实度；σd为加载应力；n为加载次数；α1、α2、b1、b2、c1、c2、d1、d2、e1、e2、e3、e4为模型参数。
[0053]
其中：
[0054][0055][0056]gk
＝c1 c2k(4)
[0057][0058][0059][0060]
式中：为干湿循环次数对应的影响函数；为建筑废弃物掺入率对应的影响函数；gk为压实度对应的影响函数；为加载应力对应的影响函数；gn为加载次数对应的影响函数。
[0061]
步骤s5：根据步骤s3的试验数据拟合得到模型参数，并通过步骤s4建立的预估模型对改良建筑废弃物-膨胀土混合填料在不同干湿循环次数、建筑废弃物掺入率、压实度、加载应力、加载次数条件下的永久变形进行合理预估。该拟合步骤是现有技术，拟合结果如表1所示。
[0062]
表1预估模型参数统计表
[0063]
模型参数数值模型参数数值α10.39d10.71α20.76d20.29b11.8e10.47b
2-0.39e20.22c
1-1.47e30.26c22.10e
4-0.05
[0064]
为确定本发明所提一种干湿循环下改良建筑废弃物-膨胀土永久变形的预估方法的适用性，本发明对新建模型式(1)进行鲁棒性验证。其中，以永久变形实测值为横坐标、预估值为纵坐标绘制鲁棒性验证散点图，结果如图8所示。不难看出，大部分散点集中分布在直线y＝x周围，r2为0.97，模型精度高，符合工程需要。
[0065]
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。