[发明专利]一种季冻区内路基填料动态回弹模量快速预测方法

说明书

本发明公开了一种季冻区内路基填料动态回弹模量快速预测方法，具体为：对路基填料试件进行冻融循环试验，然后通过动三轴试验得到路基填料试件在各工况下经历不同次数冻融循环后的动态回弹模量值；建立综合考虑反复冻融循环作用、状态变量和应力变量的路基填料动态回弹模量预估模型；根据试验数据拟合得到预估模型参数并建立预估模型参数与该路基填料基本物性参数之间的关系方程；通过预估模型预测不同路基填料在各工况下经历不同次数冻融循环后的动态回弹模量值。本发明同时考虑了反复冻融循环作用、状态变量、应力变量对季冻区内路基填料动态回弹模量的影响，提高了预估精度，并以含水率代替基质吸力反映填料湿度状态，极大地提高了预估效率。

技术领域

本发明属于道路工程技术领域，具体涉及一种季冻区内路基填料动态回弹模量快速预测方法。

背景技术

作为世界第三冻土大国，我国季节性冻土区分布面积达514万平方公里，约占国土总面积的53.5％，其中，冻结深度超过1m的深季节性冻土区面积达367万平方公里且分布广泛。根据《国家公路网规划(2013-2030年)》的规划目标，到2030年底还将有4.7万公里高速公路和10万公里普通国道亟待建设，所修建的道路路基将有很大部分位于季节性冻土区内。大量工程实践表明，季冻区内反复冻融循环作用与车辆荷载共同形成的复杂热-力效应会造成填料内部结构反复变化，进而导致路基工程性能衰退，降低道路使用寿命且危害行车安全。如今，交通量的迅猛增加与车辆运行速度的不断提高对路基在荷载作用下的抗变形能力要求很高，这使得路基填料刚度在道路设计等方面备受关注。

作为表征填料刚度的重要参数，动态回弹模量反映了行车荷载作用下路基填料的非线性应力-应变特性，也是沥青路面结构设计时所必须考虑的指标。因道路设计时路基尚未建成，使得难以获得准确的路基填料动态回弹模量值。为此，现行《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)给出了三种动态回弹模量的确定方法：第一种是查表法，但给出的各路基填料建议回弹模量值变化范围较大，无法通过表格精准确定所用填料的回弹模量值；第二种方法是根据加州承载比(CBR)与回弹模量经验公式计算得到填料回弹模量值，该方法对不同种类路基填料的适用性较差；第三种方法是通过动三轴试验，进而采用NCHRP 1-28A三参数模型进行路基填料回弹模量预估，虽然NCHRP 1-28A三参数模型具有模型参数少、适用范围广等特点，但该模型无法直观反映路基填料的状态变量和应力变量及物性参数对回弹模量的影响。

现有技术1，长安大学雷明轩在其硕士论文《季节性冰冻地区路基回弹模量试验研究》中提出了一种季冻区路基土回弹模量确定方法，此方法采用杠杆压力仪对填料静回弹模量进行测定，并建立了路基土静回弹模量的冻融折减系数与路基土实际含水率间的回归方程。但是现有技术1研究的路基土静回弹模量未能如同动态回弹模量一样体现出行车动荷载对路基填料的作用，同时，所提出的冻融折减系数仅在路基压实度为96％的条件下建立且并未在预估模型中直接体现，导致对不同压实度下路基填料静回弹模量的预测受限，此外，根据路基土的自然区划和拟定的平均稠度通过查阅路面设计规范中的推荐值所选定的未经历冻融循环作用的静回弹模量值无法精确地与不同种类的路基填料相匹配。

现有技术2，(发明专利，公布号CN109142118A)公开了一种基于状态变量和应力变量的路基土动态回弹模量预估方法，综合考虑状态变量和应力变量并通过填料基本物性指标即可获得模型参数的路基填料动态回弹模量预估模型，但并未考虑季冻区内反复冻融循环作用对路基填料动态回弹模量的影响，这使得路面设计时预测的路基填料动态回弹模量值偏高，即高估了路基对路面结构的支撑作用，导致路面结构层偏薄，降低道路服役水平。而若在最不利季节的情况下考虑此预估方法，往往会导致路面结构设计偏于保守，导致路面结构层偏厚，造成资金浪费。此外，虽然从非饱和土力学的角度来看，基质吸力较为准确地反映了填料的湿度状态，但基质吸力的测定过程复杂耗时且需专用设备，不易被一线施工及设计人员所接受并应用于工程实践，同时基质吸力与压实度之间的相关性也使得预估模型使用时受到限制，这些均制约了对季冻区内路基填料的动态回弹模量较为准确地快速预测。

发明内容