一种河道淤泥固化土防裂最佳级配设计方法及系统

1.本发明涉及河道淤泥固化土开裂防控技术领域，具体涉及一种河道淤泥固化土防裂最佳级配设计方法及系统。


背景技术：

2.为改善河流水质，保障河道正常的泄洪能力和航道、港口的畅通，我国进行了大规模的河道疏浚清淤工作，每年产生数以亿计的河道淤泥，如何处置淤泥已经成为管理部门难以回避的现实问题。化学固化是处理河道疏浚淤泥的一种有效方法，通过向淤泥中添加固化材料以及化学药剂，改变淤泥的物理化学性质，达到改善工程特性、保护环境等目的。同时，固化土还可以作为回填材料在堤防、道路等工程中进行利用，实现“变废为宝”。然而，需要指出的是，固化土的防裂性能受淤泥级配影响显著，当淤泥中的粘粒含量大于40％后，尽管固化土的强度得到了显著提高，但在蒸发条件下，由于失水干燥，容易产生较大的收缩变形，导致土体开裂，无法满足堤防等工程的防渗要求。此外，在反复干湿循环条件下，固化土还容易出现开裂坍塌现象，进而引发工程安全问题。
3.对于河道淤泥，在复杂的水流、径流交汇以及沉积作用下，河道不同部位的淤泥级配存在较大的空间差异性，如上游及河床部位的淤泥粘粒含量较低，下游以及河岸部位的淤泥粘粒含量较高，河床表层1m以内的淤泥粘粒含量较高，河床2～3m以下的淤泥粘粒含量较低。因此，如果能够合理利用河道不同位置的淤泥进行粒径调配，使调整后的级配能够满足固化土的抗裂设计要求，则对于提高河道淤泥固化土的整体抗裂性能，降低河道淤泥固化土力学性能的差异性，提高河道淤泥的资源化利用率具有重要的工程价值。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明的目是提供一种河道淤泥固化土防裂最佳级配设计方法及系统，为不同部位河道淤泥的粒径调配设计提供一种有效的计算方法，提高河道淤泥固化土的整体抗裂性能。
5.技术方案：为了实现上述发明目的，本发明提出的河道淤泥固化土防裂最佳级配设计方法，包括以下步骤：
6.s1、对疏浚河道进行分区，测定不同区域的淤泥级配和含水率，按照测定的级配对土体进行分类，估算不同类型土体的质量；
7.s2、根据不同类型土体的测定的级配和含水率，建立混合土体的级配计算公式如下：
[0008][0009]
式中，i表示土体类型；dj表示土体粒径；n表示土体类型总数；wi表示类型i土体含
水率；mi表示混合土体中类型i土体的掺入质量；表示类型i土体中小于粒径dj的土颗粒通过百分比；为混合土体中小于粒径dj的土颗粒通过百分比；δwi表示类型i土体在混合施工过程中的含水率损失；
[0010]
s3、基于河道淤泥固化土的干燥收缩试验，确定土体级配对固化土收缩开裂特性的影响规律，确定抑制固化土开裂的设计级配曲线；
[0011]
s4、根据混合后土体级配曲线与设计级配曲线最接近原理，建立第一目标函数，根据混合土的质量小于混合前不同类型土体的质量之和以及混合后剩余土体质量最小原理，建立第二目标函数，寻找两个目标函数的最优解，确定不同类型土体的掺量。
[0012]
本发明还提供一种河道淤泥固化土防裂最佳级配设计系统，包括：
[0013]
分区测定模块，对疏浚河道进行分区，测定不同区域的淤泥级配和含水率，按照测定的级配对土体进行分类，估算不同类型土体的质量；
[0014]
混合土体级配公式构建模块，根据不同类型土体的测定的级配和含水率，建立混合土体的级配计算公式如下：
[0015][0016]
式中，i表示土体类型；dj表示土体粒径；n表示土体类型总数；wi表示类型i土体含水率；mi表示混合土体中类型i土体的掺入质量；表示类型i土体中小于粒径dj的土颗粒通过百分比；为混合土体中小于粒径dj的土颗粒通过百分比；δwi表示类型i土体在混合施工过程中的含水率损失；
[0017]
设计级配确定模块，基于河道淤泥固化土的干燥收缩试验，确定土体级配对固化土收缩开裂特性的影响规律，确定抑制固化土开裂的设计级配曲线；
[0018]
最佳级配确定模块，根据混合后土体级配曲线与设计级配曲线最接近原理，建立第一目标函数，根据混合土的质量小于混合前不同类型土体的质量之和以及混合后剩余土体质量最小原理，建立第二目标函数，寻找两个目标函数的最优解，确定不同类型土体的掺量。
[0019]
本发明还提供一种计算机设备，包括：一个或多个处理器；存储器；以及一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述程序被处理器执行时实现如上所述的河道淤泥固化土防裂最佳级配设计方法的步骤。
[0020]
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的河道淤泥固化土防裂最佳级配设计方法的步骤。
[0021]
有益效果：
[0022]
(1)针对河道不同部位分布的淤泥级配不均匀、高粘粒含量淤泥固化土抗裂性能差的问题，本发明采用分区测定、室内试验和优化算法，提出了一种河道淤泥固化土防裂最佳级配调整优化设计方法，首先对疏浚河道进行分区，确定不同区域的淤泥级配和含水率，
并按照级配分为不同种类型的土体；然后根据不同类型土体的级配曲线和含水率，建立混合土体的级配计算公式；之后，通过不同级配河道淤泥固化土的干燥收缩试验，确定抗裂性能最优的设计级配曲线；最后，基于混合后的淤泥级配与设计级配最接近、混合淤泥利用率最大的原理，分别建立目标函数；在此基础上，利用改进粒子群算法进行目标寻优，确定不同类型淤泥的最优掺量。该方法针对河道中含有多种级配淤泥的情况，可以快速设计出不同级配淤泥的优化掺混方案，为河道淤泥固化土的粒径优化调配提供计算依据。
[0023]
(2)本发明有效克服了含多种级配河道淤泥固化土抗裂性能差以及固化后力学性能变异性大的问题，通过将河道中不同级配淤泥进行掺混进行粒径调配优化，实现河道淤泥固化土整体抗裂性能的提升，同时降低固化土力学性能的差异性，进而提高河道淤泥固化土的资源化利用率。
[0024]
(3)本发明通过将河道中不同级配淤泥进行掺混进行粒径调配优化，相较掺纤维、掺砂等其它固化土抗裂措施，该方法固化处置成本大幅度降低，经济性十分显著。
附图说明
[0025]
图1为本发明的河道淤泥固化土防裂最佳级配调整优化设计方法流程图；
[0026]
图2为本发明的河道调查分区示意图；
[0027]
图3为本发明的不同类型河道淤泥级配曲线图；
[0028]
图4为本发明的河道淤泥固化土防开裂设计级配曲线图；
[0029]
图5为本发明的不同类型河道淤泥优化混合后的级配曲线图。
具体实施方式
[0030]
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
[0031]
本发明提出一种河道淤泥固化土防裂最佳级配设计方法，先对河道淤泥进行分区，确定淤泥级配和含水率，并根据级配进行土性分类，估算不同类型土的质量；然后建立混合土的级配计算公式；之后配置不同级配的河道淤泥，开展固化土的干燥收缩试验，得到固化土防开裂设计级配曲线；最后基于级配相似和淤泥利用率最大化原理，分别建立目标函数，通过优化算法寻找满足目标函数的最优混合方案。参照图1，方法包括以下步骤：
[0032]
s1、对疏浚河道进行分区，取不同区域的淤泥进行级配和含水率测试，按照级配对土体进行分类，估算不同类型土体的质量；
[0033]
按照级配曲线进行分类时，将土体分2～3种类型，分别为粘性土、粉质土和砂性土。
[0034]
在一个实施例中，某疏浚河道长度2.0km，平均宽度20m，沿长度方向分4个区域，沿宽度方向分3个区域，如图2所示，共12个区域进行淤泥取样，测定淤泥级配，按照级配曲线分为粘性土和砂性土，两种类型土的级配曲线如图3所示，含水率均为124％，混合施工过程中的含水率损失为15％，通过估算粘性土为22500吨，砂性土为15640吨。
[0035]
s2、根据不同类型土体的级配曲线和含水率，建立混合土体的级配计算公式如下：
[0036][0037]
式中，i表示土体类型；dj表示土体粒径；n表示土体类型总数；wi表示类型i土体含水率；mi表示混合土体中类型i土体的掺入质量；表示类型i土体中小于粒径dj的土颗粒通过百分比；为混合土体中小于粒径dj的土颗粒通过百分比；δwi表示类型i土体在混合施工过程中的含水率损失。
[0038]
s3、基于河道淤泥固化土的干燥收缩试验，确定土体级配对固化土收缩开裂特性的影响规律，确定抑制固化土开裂的设计级配曲线；
[0039]
在一个实施例中，河道淤泥固化土的干燥收缩试验包括：取分类后不同类型的河道淤泥烘干、破碎、筛分成d≤0.005mm、0.005mm《d≤0.075mm、0.075mm《d≤2mm、2mm《d≤20mm、20mm《d≤60mm的五个粒径组，通过掺配得到不同级配的土料；采用水泥和石灰进行固化，固化土养护7天后完全饱和，将其放入烘箱开展干燥试验，控制烘箱温度为40℃，每隔1天测试试样的含水率和体积收缩变形，并记录试样表面开裂现象；根据变形稳定阶段，体积收缩变形量最小，表面开裂最不明显，确定固化土防开裂设计级配曲线，如图4所示。
[0040]
s4、根据混合后土体级配曲线与设计级配曲线最接近原理，建立第一目标函数，根据混合土的质量小于混合前不同类型土体的质量之和以及混合后剩余土体质量最小原理，建立第二目标函数，采用改进粒子群算法寻找最优解，确定不同类型土体的掺量。
[0041]
选取试验确定的设计级配曲线作为已知量，根据混合后土体级配曲线与设计级配曲线均方根误差最小，建立第一目标函数(即目标函数1)如下：
[0042][0043]
式中，为设计级配曲线中小于粒径dj的土颗粒通过百分比；k为粒径组数；αj为不同粒径组对于抑制固化土开裂所占的权重。本发明实施例中，当粒径小于0.075mm时，取αj＝0.4，当粒径大于0.075mm时，取αj＝0.6。
[0044]
根据混合土体的质量小于混合前不同类型土的质量之和，且调配后淤泥剩余量最小原理，建立第二目标函数(即目标函数2)如下：
[0045][0046][0047]
式中，为不同类型土体的实际质量。
[0048]
基于建立的两个目标函数，采用改进粒子群算法对粘性土和砂性土的混合质量进
行目标寻优，得到粘性土的掺混质量为22500吨，砂性土为15000吨，其中砂性土剩余640吨，混合后的级配曲线如图5所示。
[0049]
本法明采用改进粒子算法进行目标寻优时，具体步骤如下：
[0050]
1)输入粘性土和砂性土级配曲线数据、固化土防开裂设计级配曲线数据；
[0051]
2)设置粘性土的掺混质量m1搜索范围为[20000，22500]，砂性土的掺混质量m2搜索范围为[10000，15000]，设置粒子数量为2000个，最大迭代次数为100次，采用随机函数进行粒子群初始化；
[0052]
3)根据两个目标函数计算适应度并赋值；
[0053]
4)更新每个粒子的个体最优值pbest；
[0054]
5)计算密度信息；
[0055]
6)根据密度信息在rank＝1的集合中计算整体最优值gbest；
[0056]
7)判断是否满足收敛条件，若满足，则输出两种土的掺混质量最优值m1和m2；
[0057]
8)若不满足，根据改进粒子群算法的核心公式更新下一迭代步的粒子位置和速度，重复上述计算过程，粒子群算法中的惯性权重和学习因子采用线性递减函数进行动态改进策略。
[0058]
本发明有效克服了含多种级配河道淤泥固化土抗裂性能差以及固化后力学性能变异性大的问题，通过将河道中不同级配淤泥进行掺混进行粒径调配优化，实现河道淤泥固化土整体抗裂性能的提升，同时降低固化土力学性能的差异性，进而提高河道淤泥固化土的资源化利用率，保证河道淤泥固化土填筑工程的质量。相较掺纤维、掺砂等其它固化土抗裂措施，该方法固化处置成本大幅度降低，经济性十分显著。
[0059]
基于与方法实施例相同的技术构思，本发明还提供一种河道淤泥固化土防裂最佳级配设计系统，包括：
[0060]
分区测定模块，对疏浚河道进行分区，测定不同区域的淤泥级配和含水率，按照测定的级配对土体进行分类，估算不同类型土体的质量；
[0061]
混合土体级配公式构建模块，根据不同类型土体的测定的级配和含水率，建立混合土体的级配计算公式如下：
[0062][0063]
式中，i表示土体类型；dj表示土体粒径；n表示土体类型总数；wi表示类型i土体含水率；mi表示混合土体中类型i土体的掺入质量；表示类型i土体中小于粒径dj的土颗粒通过百分比；为混合土体中小于粒径dj的土颗粒通过百分比；δwi表示类型i土体在混合施工过程中的含水率损失；
[0064]
设计级配确定模块，基于河道淤泥固化土的干燥收缩试验，确定土体级配对固化土收缩开裂特性的影响规律，确定抑制固化土开裂的设计级配曲线；
[0065]
最佳级配确定模块，根据混合后土体级配曲线与设计级配曲线最接近原理，建立第一目标函数，根据混合土的质量小于混合前不同类型土体的质量之和以及混合后剩余土
体质量最小原理，建立第二目标函数，寻找两个目标函数的最优解，确定不同类型土体的掺量。
[0066]
应当理解，本发明实施例中的河道淤泥固化土防裂最佳级配设计系统可以实现上述方法实施例中的全部技术方案，其各个功能模块的功能可以根据上述方法实施例中的方法具体实现，其具体实现过程可参照上述实施例中的相关描述，此处不再赘述。
[0067]
本发明还提供一种计算机设备，包括：一个或多个处理器；存储器；以及一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述程序被处理器执行时实现如上所述的河道淤泥固化土防裂最佳级配设计方法的步骤。
[0068]
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的河道淤泥固化土防裂最佳级配设计方法的步骤。
[0069]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、计算机设备或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0070]
本发明是参照根据本发明实施例的方法的流程图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图中的每一流程以及流程图中的流程的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程中指定的功能的系统。
[0071]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令系统的制造品，该指令系统实现在流程图一个流程或多个流程中指定的功能。
[0072]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程中指定的功能的步骤。