[发明专利]基于三维状态下级配碎石CBR数值试验方法

说明书

本发明公开了一种基于三维状态下级配碎石CBR数值试验方法，首先对模拟试件的细观参数赋值，再进行CBR实验加载过程的模拟，可得压头贯入量与贯入力的关系曲线，然后通过CBR换算公式可将模型结果中的贯入量为2.5mm所对应的贯入力转换成CBR值。该方法真实地再现了级配碎石在三维状态下的CBR试验，克服了二维模型无法描述碎石嵌挤和空间分布的不足，能够快速、准确获取级配碎石CBR值，并可实时追踪级配碎石颗粒在CBR试验过程中的细观力学性能变化规律。

技术领域

本发明属于道路工程技术领域，特别是涉及一种基于三维状态下级配碎石CBR数值试验方法。

背景技术

级配碎石属典型道路基层材料，通常采用CBR(加州承载比)指标评价其强度并进行材料组成设计。级配碎石CBR室内试验方法的基本原理及步骤如下：(1)按最大干密度和最佳含水率制备试件；(2)将一定质量的荷载板置于试件顶部并按规定要求泡水；(3)对泡水后的试件进行贯入试验；(4)整理计算贯入试验结果得到CBR值。目前已有级配碎石CBR数值二维试验方法的申请，但尚未见级配碎石三维数值试验方法的报道。

与二维试验相比较，级配碎石三维数值试验方法的实现需要解决如下技术问题：(1)颗粒级配和关键粒径的选择，受限于计算机运算水平，随着颗粒数目的增加，数值模型的计算时间成指数式增长。因此需要对模型颗粒的尺寸和级配进行适当简化，假定选择关键粒径以上的颗粒作为研究对象。(2)荷载板和压头三维边界的实现，PFC软件平台预设墙体不存在空心圆环荷载板和圆盘状压头；(3)三维状态下颗粒接触行为的判断，不同于二维堆积行为，颗粒三维空间结构更为复杂，颗粒间嵌挤作用对强度的影响更加明显，需要合理的设置接触模型和计算参数。

另外，上述级配碎石CBR室内试验方法与已有的CBR数值试验方法存在如下缺陷：(1)传统的试验方法通过反复大量试验才能获取集料与CBR之间的关系；(2)传统室内试验方法只能获取级配碎石CBR值，不能得到试验过程中级配碎石内部颗粒微观力学特性；(3)已有的CBR数值试验方法基于二维模型开展研究，在模拟计算中将球形颗粒转换成带一定的厚度的圆盘状单元，不能考虑碎石间的嵌锁作用和空隙的分布特征。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种基于三维状态下级配碎石CBR数值试验方法，可快速、准确预测级配碎石CBR值，并能获取级配碎石颗粒在实时贯入深度下的接触力和位移变化规律。

本发明所采用的技术方案是，一种基于三维状态下级配碎石CBR数值试验方法，按照以下步骤进行：

步骤a：通过PFC3D软件中“WALL”命令分别建立试模底面、侧壁，然后根据级配碎石所进行的试件压实度、矿料级配来生成模拟的级配碎石颗粒，并赋予碎石密度和初始接触刚度；

步骤b：通过最小二乘法反复拟合级配碎石CBR室内试验加载曲线，确定模拟试验的细观参数，并利用PFC3D内置的“prop”命令给碎石颗粒赋予接触模型参数；

步骤c：通过“CYCLE”命令运行颗粒系统，进行初始化平衡操作以消除生成级配碎石较大的应力及不平衡力；

步骤d：利用墙体命令对CBR试验的压头和空心圆环的荷载板进行模拟；

步骤e：利用伺服加载方式实现对级配碎石试件的加载试验，CBR试验加载模拟过程中，虚拟荷载板保持恒定的压强，底面保持不动，压杆底面和压杆侧壁以恒定的速度压入试件中，记录压杆的位移与接触力，将其记录在日志文件中，整理得到压头贯入力与贯入量的关系曲线，并对其结果进行整理。