车辆荷载作用下运营期填挖交界段路基沉降变形预估、评价方法及系统

技术特征：
1.一种车辆荷载作用下运营期填挖交界段路基沉降变形预估方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：s1，分别在路堤填挖交界处的挖方段、填方段取样；s2，对步骤s1的试样均进行静三轴试验和动三轴试验，试验设置不同围压、压实度、含水率的试验条件，通过静三轴试验获取路堤土体静荷载作用下土体的变形模量e
t
和切线泊松比ν
t
；通过动三轴试验获取车辆荷载作用下路堤土体的阻尼比λ
d
；s3，通过数值模拟软件建立运营期填挖交界段路基的二维模型，包括挖方段和填方段；对二维模型进行网格划分，在任意一竖直截面内，按照从上往下的顺序对节点进行编号，i代表节点的编号；将步骤s2得到的变形模量e
t
和切线泊松比ν
t
作为输入参数，得到各节点对应的竖向应力σ
1i
、侧向应力σ
3i
；将步骤s2得到的变形模量e
t
、阻尼比λ
d
作为输入参数，得到各节点对应的动应力σ
′
di
；s4，将挖方段、填方段各节点的竖向应力σ
1i
、侧向应力σ
3i
分别代入对应的动荷载作用下的永久应变模型中，得到每个节点在动荷载作用下的应变，根据对应的应变分别得到填挖交界段路基的填方段和挖方段在动荷载作用下的某一竖直截面的沉降值；s5，将挖方段、填方段各节点的竖向应力σ
1i
、侧向应力σ
3i
代入对应的动弹性模量模型中，得到每个节点的动弹性模量e
di
，结合各节点对应的动应力得到每个节点在动荷载与静荷载同时作用下的应变值，再根据对应的应变值分别得到填挖交界段路基的填方段和挖方段在静荷载与动荷载同时作用下的某一竖直截面沉降值；s6，基于单元节点沉降的叠加，将同一竖直截面的两个沉降值加和得到路基纵向长度方向上任意竖直截面的总沉降变形。2.根据权利要求1所述一种车辆荷载作用下运营期填挖交界段路基沉降变形预估方法，其特征在于，所述步骤s1，具体为：在路堤填挖交界处挖方段进行现场取样；在路堤填方段取原状土，静压法制样；对挖方段试样进行除杂、保鲜膜密封处理，使试样处于土体原有状态；对填方段土样进行除杂、风干，过筛，采用静压法进行制样，试样尺寸与挖方段试样一致。3.根据权利要求1所述一种车辆荷载作用下运营期填挖交界段路基沉降变形预估方法，其特征在于，所述步骤s2中，静三轴试验采用排水固结的方法进行，围压设置为10kpa～50kpa，填方段土体压实度设置为90％～96％，挖方段土体固结度u
t
设置为70％、80％、90％、100％，挖方段土体采用天然含水率，填方段土体采用最佳含水率。4.根据权利要求1所述一种车辆荷载作用下运营期填挖交界段路基沉降变形预估方法，其特征在于，所述步骤s4中，填方段动荷载作用下的路基永久应变模型，见式(7-1)，挖方段动荷载作用下的路基永久应变模型，见式(7-2)；2)；其中，k5、k6、k7、k8、k9、k
10
、b2、b3为试验参数，ε
p
为填方段的初始塑性应变，e为常数，p
a
为标准大气压强；ε
1di
表示填方段动荷载作用下的路基永久应变；k'5、k'6、k'7、k'8、k'9、k'
10
、
b'2、b'3为试验参数，ε'
p
为挖方段的初始塑性应变，ε
′
1di
表示挖方段动荷载作用下的路基永久应变；σ
11
表示填方段土体的大主应力，σ
31
表示填方段土体的小主应力，σ
11
/σ
31
表示填方段土体的应力比，ω1表示填方段土体的含水率，k表示填方段土体的压实度；σ
12
表示挖方段土体的大主应力，σ
32
表示挖方段土体的小主应力，σ
12
/σ
32
表示挖方段土体的应力比，ω2表示挖方段土体的含水率；将填方段各节点的竖向应力σ
1i
、侧向应力σ
3i
代入公式(7-1)中，计算每个节点在动荷载作用下的应变ε
1di
，根据竖直截面的相邻上下两节点应变值求平均值，得到相邻上下两节点间的应变平均值，将相邻上下两节点间的应变平均值加和除以竖直截面的总节点段数n，得到到表示动荷载作用下路基竖直截面的平均应变值；通过公式(8)计算得到动荷载作用下竖直截面上各相邻上下两节点间的沉降值s
1f
：其中，h
f
表示第f个节点段上下两节点间的长度，f＝1，2，
…
n；再通过公式(9)求出填挖交界段的填方段路基在动荷载作用下的某一竖直截面的沉降值s
1x
，x表示路基纵向长度x上的某一点，即竖直截面在x轴上的位置；将挖方段各节点的竖向应力σ
1i
、侧向应力σ
3i
代入公式(7-2)中，其余步骤相同，求出填挖交界段的挖方段路基在动荷载作用下的某一竖直截面的沉降值s
′
1x
。5.根据权利要求4所述一种车辆荷载作用下运营期填挖交界段路基沉降变形预估方法，其特征在于，所述步骤s5中，填方段的土体动弹性模量模型见式(6-1)，挖方段的土体动弹性模量模型见式(6-2)；2)；其中，k1、k2、k3、k4、b1为试验参数，p
a
为标准大气压强，e0为填方段的初始动弹性模量，e
2d
表示填方段的土体动弹性模量，e为常数；k
’1、k'2、k'3、k
’4、b'1为试验参数，e'0为挖方段的初始动弹性模量，e
′
2d
表示挖方段动弹性模量，u
t
表示挖方段土体的固结度；将步骤s3得到的填方段的各节点对应的竖向应力σ
1i
、侧向应力σ
3i
代入公式(6-1)中，计算出每个节点的动弹性模量e
2di
；通过公式(10)计算得到每个节点在动荷载与静荷载同时作用下的应力σ
di
：σ
di
＝σ
1i
σ
′
di
ꢀꢀꢀ
(10)将应力σ
di
代入公式(11)得到每个节点在动荷载与静荷载同时作用下的应变值ε
2di
：ε
2di
＝σ
di
/e
di
ꢀꢀꢀ
(11)根据竖直截面的相邻上下两节点应变值ε
2di
求平均值，得到相邻上下两节点间的应变平均值，将相邻上下两节点间的应变平均值加和再除以总段数n，得到平均值，将相邻上下两节点间的应变平均值加和再除以总段数n，得到表示动荷载与静荷载同时作用下路基的竖直截面的平均应变值；通过公式(12)计算得到静荷载与动荷载同时作用下竖直截面上各相邻上下两节点间
的沉降值s
2f
：式中，h
f
表示第f个节点段上下两节点间的长度，f＝1，2，
…
n；再通过公式(13)求出填挖交界段的填方段路基在静荷载与动荷载同时作用下的某一竖直截面沉降值s
2x
：将挖方段各节点的竖向应力σ
1i
、侧向应力σ
3i
代入公式(6-2)中，其余步骤相同，求出填挖交界段的挖方段路基在静荷载与动荷载同时作用下的某一竖直截面沉降值s
′
2x
。6.根据权利要求1所述一种车辆荷载作用下运营期填挖交界段路基沉降变形预估方法，其特征在于，所述步骤s2中，变形模量e
t
、切线泊松比ν
t
通过邓肯-张双曲线模型，处理实验数据拟合得到，见式(1)：式中，p
a
为标准大气压强，k、n为试验常数，c为黏聚力，φ为内摩擦角；通过以为圆心，为半径在τ-σ平面上绘制排水固结摩尔应力圆、强度包络线的方法和公式τ
f
＝σtanφ c计算得到参数c、φ；τ
f
为土体抗剪强度，σ为剪切滑动面上的法向应力；σ
1f
表示极限大主应力，σ
3f
表示极限小主应力，σ3表示小主应力，σ1表示大主应力，r
f
表示破坏比；式中(σ
1-σ3)
ult
为极限偏差应力，(σ
1-σ3)
f
为偏应力峰值；式中g、f、d为材料常数。7.根据权利要求1所述一种车辆荷载作用下运营期填挖交界段路基沉降变形预估方法，其特征在于，所述步骤s2中，阻尼比λ
d
采用滞回曲线法获取，根据公式(5)计算；式中，δf为滞回曲线的面积，f为滞回曲线上横坐标达到最大值所对应的一点、该点作垂线与该横轴的交点和原点所围成三角形的面积。8.一种路基沉降评价方法，其特征在于，基于如权利要求1所述一种车辆荷载作用下运营期填挖交界段路基沉降变形预估方法，具体为：将运营期填挖交界段路基的挖方段和填方段的最大沉降变形进行比较，较大者与规范变形设计值相比较，若最大沉降变形值大于规范变形设计值，则路基不符合规范要求，若最大沉降变形值小于规范变形设计值，则路基符合规范要求。
9.一种路基沉降评价方法，其特征在于，基于如权利要求5所述一种车辆荷载作用下运营期填挖交界段路基沉降变形预估方法，具体为：将步骤s5计算得到的动荷载与静荷载同时作用下路基顶面的节点最大应变值ε
2dimax
与规范中水泥混凝土水稳基层应变标准值相比较，若ε
2dimax
大于应变设计值，则不符合规范要求；若ε
2dimax
小于规范应变设计值，则符合规范要求。10.一种车辆荷载作用下运营期填挖交界段路基沉降变形预估系统，其特征在于，基于权利要求1所述一种车辆荷载作用下运营期填挖交界段路基沉降变形预估方法，包括试验系统，所述试验系统包括静三轴试验、动三轴试验，用于为数值模拟系统提供相关计算参数：静荷载作用下填方段、挖方段土体的变形模量e
t
、切线泊松比ν
t
和阻尼比λ
d
；数值模拟系统，用于建立运营期填挖交界段路基的二维模型，计算、导出各节点对应的竖向应力σ
1i
、侧向应力σ
3i
、动应力σ
′
di
；差异沉降预估系统，用于根据竖向应力σ
1i
、侧向应力σ
3i
、动荷载作用下的永久应变模型、动弹性模量模型、各节点对应的动应力σ
′
di
得到路基纵向长度方向上任意竖直截面的总沉降变形。

技术总结
本发明公开了一种车辆荷载作用下运营期填挖交界段路基沉降变形预估、及评价方法及系统，预估方法具体为：分别在路堤填挖交界处的挖方段、填方段取样；对试样均进行静三轴试验和动三轴试验，通过静三轴试验获取路堤土体静荷载作用下土体的变形模量E


技术研发人员：邱祥 范思齐 刘忠伟 付宏渊 蒋煌斌 肖泽林 罗震宇 胡红波
受保护的技术使用者：长沙理工大学
技术研发日：2021.12.16
技术公布日：2022/8/15