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方案

本发明专利技术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

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术属于路基工程
，涉及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、评价方法及系统。

技术介绍

[0002]目前，路基差异沉降问题是常见的公路病害，尤其在我国湿热的南方地区更为突出。我国南方地区地基土主要为特殊土地基，具有含水量高、强度低、压缩性大等特征。在公路运营期内，地基土易产生固结与剪切破坏，从而出现工后差异沉降明显、横向开裂等现象，很大程度上缩短了公路使用寿命，对路面行车安全带来极大隐患。
[0003]现有评价填挖交界段路基差异沉降问题的方法较多，主要集中在以下三个方面： (1)通过对施工期内现场监测来预测运营期内填挖交界段路基沉降变形，进一步有效控制差异沉降。(2)通过理论组合模型来预测运营期内填挖交界段路基沉降变形，根据现场沉降监测数据综合评价填挖交界段路基差异沉降；(3)通过路面加铺法和注浆加固地基法等方法来防治填挖交界段路基差异沉降。以上方法虽然能有效地评价、控制填挖交界段路基差异沉降，但存在很多缺点与不足之处：
[0004]第一，长期观测易受外界干扰且耗资较大，监测时间处于公路运营期内，对监测工作人员带来安全隐患。
[0005]第二，理论组合模型预测值精度较低，且未考虑路基土体实际变形情况，测量其差异沉降值与实际值出入较大；从而导致难以采用准确的方式防治路基差异沉降。
[0006]因此，设计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，特别是在路基工程领域中显得尤为重要。

技术实现思路

[0007]为了解决上述问题，本专利技术提供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，全面考虑了路基土体所产生的变形，能更准确、高效地预估填挖交界段路基的沉降变形，解决了现有技术中存在的问题。
[0008]本专利技术的另一目的是，提供一种路基沉降评价方法。
[0009]本专利技术的另一目的是，提供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。
[0010]本专利技术所采用的技术方案是，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，具体按照以下步骤进行：
[0011]S1，分别在路堤填挖交界处的挖方段、填方段取样；
[0012]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
；
[0013]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
；
[0014]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；
[0015]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；
[0016]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。
[0017]进一步的，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。
[0018]进一步的，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。
[0019]进一步的，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)；
[0020][0021][0022]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；
[0023]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，得到表示动荷载作用下路基竖直截面的平均应变值；
[0024]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
：
[0025][0026]其中，h
f
表示第f个节点段上下两节点间的长度，f＝1，2，
…
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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)...

【专利技术属性】
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，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：