考虑静偏应力水平的路基土动力性能试验方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑静偏应力水平的路基土动力性能试验方法，包括以下步骤：参照试验规程制作试件，按照加载序列依次进行试验，记录各序列下的回弹模量；按照加载序列中的应力状态开展循环加载，重复加载多次，制作路基土永久变形

【技术实现步骤摘要】
考虑静偏应力水平的路基土动力性能试验方法


[0001]本专利技术属于道路工程
，涉及一种考虑静偏应力水平的路基土动力性能试验方法。

技术介绍

[0002]路基是道路的基础，其性能的准确测定有助于开展路面结构设计。现有路基土动力性能试验主要通过动三轴试验系统开展，包括回弹模量和永久变形试验。对于回弹模量试验，即通过获得路基土在一系列不同的围压及偏应力组合下的回弹模量来获取路基土应力依赖特性；对于永久变形，即通过大量反复加载来获取路基土在一系列不同的围压及偏应力组合下的永久变形曲线特征。在获得路基的动力性能后，结合试验结果即可对路基土的刚度和变形特性开展研究，进一步指导实际路面工程。但现有技术(《公路土工试验规程》JTG D3430
‑
2020、AASHTO T307
‑
99、ZL201710764361.7、ZL201610840586.1、ZL201910534325.0)在确定各级加载序列的应力状态时，接触应力大多考虑为围压或接触应力的固定倍数，其代表的也仅仅是路基浅层的应力状态；在进行动力性能分析时，也并未将循环应力(动偏应力)及接触应力(静偏应力)区分考虑，即并未区分偏应力动静来源。但实际上，路基内每一点实际受到由于车辆动载及自重应力的影响，本质上是一种动静并存的受力状态，而动静效应会对路基土动力性能产生显著影响。
[0003]现有技术存在以下问题：
[0004](1)现有回弹模量及永久变形试验方法在实验时，接触应力大多为围压和循环应力的固定倍数，所施加的应力状态仅能代表路基浅层而无法覆盖路基内部。
[0005](2)现有回弹模量及永久变形预估模型并未区分偏应力的动静来源，由此导致预估模型本身存在偏差，无法准确计算路基整体结构。
[0006]因而，本专利技术结合路基内部实际受力状态提出了考虑静偏应力水平的路基土动力性能试验方法，并提出了考虑静偏应力水平的回弹模量及永久变形预估模型。

技术实现思路

[0007]为了解决上述问题，本专利技术提供一种考虑静偏应力水平的路基土动力性能试验方法，全面考虑了路基内部应力状态，将路基土动力性能从浅层拓展到路基全部范围，更符合路基实际受力状态，更适合高填路基，解决了现有技术中存在的问题。
[0008]本专利技术所采用的技术方案是，一种考虑静偏应力水平的路基土动力性能试验方法，包括以下步骤：
[0009]S1，参照试验规程制作试件，按照加载序列依次进行试验，记录各序列下的回弹模量；按照加载序列中的应力状态开展循环加载，重复加载多次，制作路基土永久变形
‑
加载次数曲线；所述加载序列包括围压、循环应力、接触应力、接触应力与循环应力比、加载次数；以循环应力模拟行车动载，以接触应力模拟自重应力；
[0010]S2，根据试验结果拟合得到回弹模量和永久变形的预估模型。
[0011]进一步的，所述S1中，加载序列应力状态的确定：
[0012]S11，通过移动荷载作用下路面结构动力响应计算方法，在多种已有路面结构各层结构参数中随机生成多组不同厚度、不同弹性模量、不同水平和垂直方向弹性模量比、不同层间接触条件的路面结构，分别计算在不同车速下多个路基不同深度处的竖向动载、水平动载；
[0013]S12，根据路基内部应力状态和三轴试验应力状态的关系式，建立从路基动力响应到室内三轴试验加载应力状态的关系，如式(4)所示，获得不同路面结构下路基不同深度位置的围压、循环应力及接触应力组合；
[0014][0015]式中，k0为静止土压力系数，在弹性体系内，k0＝μ/(1
‑
μ)，μ表示泊松比；ρ为路基土密度；z为路基中某一点与路基面垂直的距离；g为重力加速度；σ3表示围压，σ
d
表示循环应力，σ
D1
为竖向动载；σ
c
表示接触应力；σ0为上覆路面结构重度；
[0016]σ
D3
为水平动载，按式(5)计算：
[0017][0018]式中，σ
Dx
和σ
Dy
分别为x方向和y方向的动载大小，即道路纵向和横向的动载大小；
[0019]S13，在接触应力
‑
循环应力
‑
围压的三维应力空间内将所有路基应力状态进行绘制，并找到应力状态的包络顶面及包络底面，在包络顶面及包络底面上基于多水平的围压、接触应力和循环应力，选取典型应力状态点，按照循环应力从小到大的原则，对最典型应力状态进行重新排列，即得。
[0020]进一步的，所述S11中，通过式(3)考虑路基回弹模量沿深度的非均匀分布；
[0021]E
vN
(z)＝E
v0
+(E
v∞
‑
E
v0
)(1
‑
e
‑
αz
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0022]式中，E
vN
(z)为路基沿深度的垂直弹性模量，MPa；E
v0
为路基表面回弹模量；E
v∞
为路基无穷处垂直回弹模量，MPa；α为无量纲常数；e为自然常数。
[0023]进一步的，所述S11中，多种已有路面结构各层结构参数包括：弹性模量、水平和垂直方向弹性模量比、垂直方向泊松比、水平方向泊松比、结构层厚度、结构层的土密度、层间接触系数。
[0024]进一步的，所述上覆路面结构重度σ0按实际路面厚度及密度计算：
[0025][0026]其中，ρ
i
为第i层路面结构密度；h
i
为第i层路面结构厚度。
[0027]进一步的，所述S2中，回弹模量的预估模型见式(1)：
[0028][0029]式中，M
R
为回弹模量；k0，k1，k2，k3为拟合参数；θ为体应力，θ＝3σ3+σ
c
+σ
d
；τ
octD
为动偏应力，τ
octS
为静偏应力，σ3为围压；σ
c
为接触应力；σ
d
为循环应力，
p
a
为大气压。
[0030]进一步的，所述S2中，永久变形的预估模型见式(2)：
[0031][0032]式中，ω为永久变形；α0，α1，α2，α3，α4为拟合参数；θ为体应力，θ＝3σ3+σ
c
+σ
d
；τ
octD
为动偏应力，τ
octS
为静偏应力，σ3为围压；σ
c
为接触应力；σ
d
为循环应力；N为循环荷载加载次数，p
a
为大气压。
[0033]进一步的，所述S1中，循环应力为半正弦脉冲荷载。
[0034]本专利技术的有益效果是：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑静偏应力水平的路基土动力性能试验方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，参照试验规程制作试件，按照加载序列依次进行试验，记录各序列下的回弹模量；按照加载序列中的应力状态开展循环加载，重复加载多次，制作路基土永久变形
‑
加载次数曲线；所述加载序列包括围压、循环应力、接触应力、接触应力与循环应力比、加载次数；以循环应力模拟行车动载，以接触应力模拟自重应力；S2，根据试验结果拟合得到回弹模量和永久变形的预估模型。2.根据权利要求1所述一种考虑静偏应力水平的路基土动力性能试验方法，其特征在于，所述S1中，加载序列应力状态的确定：S11，通过移动荷载作用下路面结构动力响应计算方法，在多种已有路面结构各层结构参数中随机生成多组不同厚度、不同弹性模量、不同水平和垂直方向弹性模量比、不同层间接触条件的路面结构，分别计算在不同车速下多个路基不同深度处的竖向动载、水平动载；S12，根据路基内部应力状态和三轴试验应力状态的关系式，建立从路基动力响应到室内三轴试验加载应力状态的关系，如式(4)所示，获得不同路面结构下路基不同深度位置的围压、循环应力及接触应力组合；式中，k0为静止土压力系数，在弹性体系内，k0＝μ/(1
‑
μ)，μ表示泊松比；ρ为路基土密度；z为路基中某一点与路基面垂直的距离；g为重力加速度；σ3表示围压，σ
d
表示循环应力，σ
D1
为竖向动载；σ
c
表示接触应力；σ0为上覆路面结构重度；σ
D3
为水平动载，按式(5)计算：式中，σ
Dx
和σ
Dy
分别为x方向和y方向的动载大小，即道路纵向和横向的动载大小；S13，在接触应力
‑
循环应力
‑
围压的三维应力空间内将所有路基应力状态进行绘制，并找到应力状态的包络顶面及包络底面，在包络顶面及包络底面上基于多水平的围压、接触应力和循环应力，选取典型应力状态点，按照循环应力从小到大的原则，对最典型应力状态进行重新排列，即得。3.根据权利要求2所述一种考虑静偏应力水平的路基土动力性能试验方法，其特征在于，所述S11中，通过式(3)考虑路基回弹模量沿深度的非均匀分布；E
vN
(z)＝E
v0
+(E
v∞
‑
E...

【专利技术属性】
技术研发人员：张军辉，范海山，尚桦雨，张安顺，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：