一种动载作用下的宕渣路基渗透系数预测方法

1.本发明属于路基渗透系数预测技技术领域，具体涉及一种动载作用下的宕渣路基渗透系数预测方法。


背景技术：

2.公路路基长期服役性能的提升及保障技术是公路建造及营运的关键需求，路基填料在降雨入渗等水介质的侵入后，对路基结构的服役稳定性将产生重大影响，路基填料的渗透特性直接关系到公路路基水害问题治理及营运安全。
3.我国软土地区高速公路多采用宕渣低路堤形式，宕渣在高频次交通荷载循环作用下易发生破碎使得路基渗透特性更加复杂多变。目前，针对路基渗透系数预测，现有技术多针对一般填土，缺乏适用于宕渣路基渗透系数的预测方法。此外，动载作用下，宕渣颗粒间的孔隙逐步被破碎的细颗粒填充，使得路基内部颗粒组构重分布，宕渣路基渗透特性由此改变，技术人员在求解渗透系数时往往忽略颗粒破碎对渗透系数的影响，导致无法客观反映宕渣路基的渗透系数。
4.因此，需要设计一种动载作用下的宕渣路基渗透系数预测方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种动载作用下的宕渣路基渗透系数预测方法，以解决背景技术中提出的目前针对路基渗透系数预测，缺乏适用于宕渣路基渗透系数的预测方法；且在动载作用下，宕渣颗粒间的孔隙逐步被破碎的细颗粒填充，使得路基内部颗粒组构重分布，宕渣路基渗透特性由此改变，技术人员在求解渗透系数时往往忽略颗粒破碎对渗透系数的影响，导致无法客观反映宕渣路基的渗透系数的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种动载作用下的宕渣路基渗透系数预测方法，包括以下步骤：步骤1、利用pfc软件建立宕渣循环三轴试验模型，通过大型直剪试验标定宕渣材料细观参数，将标定的细观参数用于宕渣循环三轴试验模型的模拟试验，并将模拟试验所得应力-应变曲线与循环三轴试验所得结果进行对比，验证细观参数的可靠性；步骤2、统计指定围压、动偏应力和频率加载工况下的宕渣颗粒级配、孔隙率随循环加载次数的变化情况；步骤3、在孔隙率随循环加载次数的变化情况统计的基础上，归纳出孔隙率与循环加载次数的关系，公式如下：
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式（1）式中，n0为初始孔隙率；δ为衡量孔隙率收敛速度参数；n为循环加载次数；步骤4、在可破碎宕渣试样粒径级配累计曲线统计的基础上，绘制出不同循环加载次数下的颗粒级配曲线，利用负指数连续级配方程表征颗粒级配曲线，公式如下：
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式（2）式中，p为小于某一粒径的土体质量百分比；d为颗粒粒径；d
max
为颗粒最大粒径；a、b分别为控制曲线形态与倾斜程度的拟合参数；步骤5、假定土体颗粒为圆形、正方形、菱形、椭圆，对迂曲度模型进行修正，得到等效迂曲度г的计算公式：г=s1/s
×
l1/c+s2/s
×
l2/c+s3/s
×
l3/c
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式（3）式中：s1为流域一等效孔隙面积；l1为流域一等效渗流路径；s2为流域二等效孔隙面积；l2为流域二等效渗流路径；s3为流域三等效孔隙面积；l3为流域三等效渗流路径；s为总孔隙面积；c为水平方向相邻土体颗粒中心距离；步骤6、引入迂曲度г对斯托克斯孔隙流渗透系数公式进行修正，由此对宕渣路基渗透系数进行预测，公式如下：
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式（4）式中：γw为水的重度；r为平均孔隙半径；μ为水的动力黏滞系数。
7.在一种具体的实施方式中，所述宕渣循环三轴试验模型建立方法如下：在pfc软件中试样尺寸采用墙单元构造模型试样筒，跟据宕渣级配生成代表各粒径组的母球颗粒，以母球颗粒最大范围作为泰森多边形镶嵌边界生成刚性块，再将刚性块转换成几何边界，删除母颗粒并在几何边界内生成直径2mm~4mm的子颗粒，子颗粒通过平行黏结模型连接为颗粒簇，代表随机可破碎不规则宕渣颗粒，得到宕渣循环三轴试验模型。
8.在一种具体的实施方式中，所述模型试样筒尺寸为循环三轴试验筒尺寸。
9.在一种具体的实施方式中，所述步骤2中，围压、动偏应力和频率加载工况均为公路荷载工况。
10.在一种具体的实施方式中，所述步骤5中的等效迂曲度计算公式中，流域一为渗流场方向上圆形颗粒圆心、圆形颗粒与渗流场方向的交点、正方形颗粒形心及正方形颗粒与渗流场方向的交点连接形成的流通区域；流域二为渗流场方向上圆形颗粒与渗流场方向的交点、正方形颗粒与渗流场方向的交点、菱形颗粒与渗流场方向的交点及椭圆形颗粒与渗流场方向的交点连接形成的流通区域；流域三为渗流场方向上菱形颗粒圆心、菱形颗粒与渗流场方向的交点、椭圆形颗粒形心及椭圆形颗粒与渗流场方向的交点连接形成的流通区域。
11.在一种具体的实施方式中，所述步骤5中等效迂曲度计算公式中流域一、流域二、流域三的等效孔隙面积与等效渗流路径计算公式如下：
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式（5）
ꢀꢀꢀ
式（6）s2=s-s
1-s3ꢀꢀ
式（7）
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式（8）
ꢀꢀꢀ
式（9）
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式（10）式中，r为等效半径；k1为正方形等效半径比例系数；k2为菱形等效半径比例系数；k3为椭圆形等效半径比例系数；θ为阻碍参数；l
abcde
为流域一的周长；l
afe
为流域一与流域二重合部分长度；l
ghi
为流域二与流域三重合部分长度；l
gjki
为流域三的周长。
12.在一种具体的实施方式中，所述正方形等效半径比例系数k1、菱形等效半径比例系数k2及椭圆等效半径比例系数k3计算公式如下：
ꢀꢀ
式（11）
ꢀꢀ
式（12）
ꢀꢀ
式（13）式中，d
30
为小于该粒径的质量占总质量的30%的粒径；d
50
为平均粒径；d
60
为限制粒径。
13.在一种具体的实施方式中，所述d
30
、d
50
、d
60
的求解公式为：
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式（14）。
14.在一种具体的实施方式中，所述等效迂曲度计算公式中总孔隙面积计算公式如下：
ꢀꢀ
式（15）式中，b为垂直方向相邻土体颗粒中心距离。
15.在一种具体的实施方式中，所述斯托克斯孔隙流渗透系数计算公式中平均孔隙半径r的计算公式如下：
ꢀꢀ
式（16）。
16.相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明建立宕渣循环三轴试验模型，克服了室内试验成本高昂且耗时长的缺点，能高效率得到宕渣在不同荷载工况水平下的颗粒级配、破碎率、孔隙率随循环加载次数的变化规律，进而建立颗粒破碎与渗透系数相关关系，为宕渣路基渗透系数预测提供了一种新的技术。
17.本发明构建了综合考虑颗粒破碎、孔隙结构影响的真实渗流路径的迂曲度模型，对斯托克斯孔隙流渗透系数公式进行修正，充分考虑了颗粒破碎状态对宕渣渗透系数的内在影响，大大提高了宕渣路基渗透系数预测的可靠度与准确性，增强了对现实宕渣路基遇水服役性能劣化状态评估的指导意义。
18.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
19.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1为本发明一种实施例的流程图；图2为本发明一种实施例的宕渣循环三轴模型示意图；图3为本发明一种实施例的孔隙率随循环加载次数变化关系图；图4为本发明一种实施例的不同循环加载次数下颗粒级配拟合曲线图；图5为本发明一种实施例的考虑颗粒破碎的宕渣渗透系数随循环加载次数变化图。
具体实施方式
20.以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
21.实施例1本发明提供了一种动载作用下的宕渣路基渗透系数预测方法，如图1所示，包括如下步骤：步骤1、利用pfc 6.0
3d
软件建立宕渣循环三轴试验模型，通过大型直剪试验标定宕渣材料细观参数，将标定参数用于循环三轴试验模拟，并将三轴模拟试验所得应力-应变曲
线与室内循环三轴试验所得结果进行对比，保证参数可靠性；在本实施例中，模型试样筒尺寸为直径150mm、高300mm，得到的宕渣循环三轴试验模型如图2所示；通过标定得到的宕渣材料细观参数如表1所示。
22.表1宕渣材料细观参数步骤2、统计指定围压、动偏应力和频率加载工况下的宕渣颗粒级配、孔隙率随循环加载次数的变化规律；本实施例中，指定的围压、动偏应力和频率加载工况分别为围压20kpa，动偏应力100kpa，频率5hz。
23.步骤3、在孔隙率随循环加载次数的变化规律统计的基础上，归纳出孔隙率与循环加载次数的关系，满足公式如下。
24.ꢀꢀ
式（1）式中：n0为初始孔隙率；δ为衡量孔隙率收敛速度参数；n为循环加载次数；在本实施例中，可以得到指定工况对应的孔隙率与循环加载次数的关系，如图3所示。得到的相关性公式为：步骤4、在可破碎宕渣试样粒径级配累计曲线统计的基础上，归纳出颗粒级配曲线符合负指数连续级配方程，如下公式所示；
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式（2）式中：p为小于某一粒径的土体质量百分比；d为颗粒粒径；d
max
为颗粒最大粒径；a、b分别为控制曲线形态与倾斜程度的拟合参数；在本实施例中，可以得到指定与指定工况对应的颗粒级配曲线与循环加载次数的关系，如图4所示。得到不同循环加载次数下的颗粒级配曲线的式（2）中的相关参数如表2所示。
25.表2颗粒级配方程计算参数
步骤5、假定土体颗粒为圆形、正方形、菱形、椭圆形，对迂曲度模型进行修正，得到等效迂曲度г的计算公式：г=s1/s
×
l1/c+s2/s
×
l2/c+s3/s
×
l3/c
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式（3）式中：s1为流域一等效孔隙面积；l1为流域一等效渗流路径；s2为流域二等效孔隙面积；l2为流域二等效渗流路径；s3为流域三等效孔隙面积；l3为流域三等效渗流路径；s为总孔隙面积；c为水平方向相邻土体颗粒中心距离；在本实施例中，流域一为渗流场方向上圆形颗粒圆心、圆形颗粒与渗流场方向的交点、正方形颗粒形心及正方形颗粒与渗流场方向的交点连接形成的流通区域。流域二为渗流场方向上圆形颗粒与渗流场方向的交点、正方形颗粒与渗流场方向的交点、菱形颗粒与渗流场方向的交点及椭圆形颗粒与渗流场方向的交点连接形成的流通区域。流域三为渗流场方向上菱形颗粒圆心、菱形颗粒与渗流场方向的交点、椭圆形颗粒形心及椭圆形颗粒与渗流场方向的交点连接形成的流通区域。流域一、流域二、流域三的等效孔隙面积与等效渗流路径计算公式如下：
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式（5）
ꢀꢀꢀ
式（6）s2=s-s
1-s3ꢀꢀ
式（7）
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式（8）
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式（9）
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式（10）r2=0.9820式中，r为等效半径；k1为正方形等效半径比例系数；k2为菱形等效半径比例系数；k3为椭圆形等效半径比例系数；θ为阻碍参数；l
abcde
为流域一的周长；l
afe
为流域一与流域二重合部分长度；l
ghi
为流域二与流域三重合部分长度；l
gjki
为流域三的周长。
26.在本实施例中，正方形等效半径比例系数k1、菱形等效半径比例系数k2及椭圆等效半径比例系数k3计算公式如下：
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式（11）
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式（12）
ꢀꢀꢀ
式（13）式中，d
30
为小于该粒径的质量占总质量的30%的粒径；d
50
为平均粒径；d
60
为限制粒径。
27.在本实施例中，d
30
、d
50
、d
60
的求解公式为：
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式（14）在本实施例中，等效迂曲度计算公式中总孔隙面积计算公式如下：
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式（15）式中，b为垂直方向相邻土体颗粒中心距离。
28.具体地，可得到各计算参数及等效迂曲度г如表3所示：表3计算参数及等效迂曲度
步骤六、引入迂曲度г对斯托克斯孔隙流渗透系数公式进行修正，由此对宕渣路基渗透系数进行预测。公式如下：
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式（4）式中：γw为水的重度；r为平均孔隙半径；μ为水的动力黏滞系数。
29.平均孔隙半径r的计算公式如下：
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式（16）。
30.在本实施例中，可以得到考虑颗粒破碎的宕渣渗透系数随循环加载次数变化如图5所示。
31.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种动载作用下的宕渣路基渗透系数预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、利用pfc软件建立宕渣循环三轴试验模型，通过大型直剪试验标定宕渣材料细观参数，将标定的细观参数用于宕渣循环三轴试验模型的模拟试验，并将模拟试验所得应力-应变曲线与循环三轴试验所得结果进行对比，验证细观参数的可靠性；步骤2、统计指定围压、动偏应力和频率加载工况下的宕渣颗粒级配、孔隙率随循环加载次数的变化情况；步骤3、在孔隙率随循环加载次数的变化情况统计的基础上，归纳出孔隙率与循环加载次数的关系，公式如下：
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式（1）式中，n0为初始孔隙率；δ为衡量孔隙率收敛速度参数；n为循环加载次数；步骤4、在可破碎宕渣试样粒径级配累计曲线统计的基础上，绘制出不同循环加载次数下的颗粒级配曲线，利用负指数连续级配方程表征颗粒级配曲线，公式如下：
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式（2）式中，p为小于某一粒径的土体质量百分比；d为颗粒粒径；d
max
为颗粒最大粒径；a、b分别为控制曲线形态与倾斜程度的拟合参数；步骤5、假定土体颗粒为圆形、正方形、菱形、椭圆，对迂曲度模型进行修正，得到等效迂曲度г的计算公式：г=s1/s
×
l1/c+s2/s
×
l2/c+s3/s
×
l3/c
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式（3）式中：s1为流域一等效孔隙面积；l1为流域一等效渗流路径；s2为流二等效孔隙面积；l2为流域二等效渗流路径；s3为流域三等效孔隙面积；l3为流域三等效渗流路径；s为总孔隙面积；c为水平方向相邻土体颗粒中心距离；步骤6、引入迂曲度г对斯托克斯孔隙流渗透系数公式进行修正，由此对宕渣路基渗透系数进行预测，公式如下：
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式（4）式中：γ
w
为水的重度；r为平均孔隙半径；μ为水的动力黏滞系数。2.根据权利要求1所述的动载作用下的宕渣路基渗透系数预测方法，其特征在于，所述宕渣循环三轴试验模型建立方法如下：在pfc软件中试样尺寸采用墙单元构造模型试样筒，跟据宕渣级配生成代表各粒径组的母球颗粒，以母球颗粒最大范围作为泰森多边形镶嵌边界生成刚性块，再将刚性块转换成几何边界，删除母颗粒并在几何边界内生成直径2mm~4mm的子颗粒，子颗粒通过平行黏结模型连接为颗粒簇，代表随机可破碎不规则宕渣颗粒，得到宕渣循环三轴试验模型。3.根据权利要求2所述的动载作用下的宕渣路基渗透系数预测方法，其特征在于，所述模型试样筒尺寸为循环三轴试验筒尺寸。4.根据权利要求1所述的动载作用下的宕渣路基渗透系数预测方法，其特征在于，所述步骤2中，围压、动偏应力和频率加载工况均为公路荷载工况。
5.根据权利要求1所述的动载作用下的宕渣路基渗透系数预测方法，其特征在于，所述步骤5中的等效迂曲度计算公式中，流域一为渗流场方向上圆形颗粒圆心、圆形颗粒与渗流场方向的交点、正方形颗粒形心及正方形颗粒与渗流场方向的交点连接形成的流通区域；流域二为渗流场方向上圆形颗粒与渗流场方向的交点、正方形颗粒与渗流场方向的交点、菱形颗粒与渗流场方向的交点及椭圆形颗粒与渗流场方向的交点连接形成的流通区域；流域三为渗流场方向上菱形颗粒圆心、菱形颗粒与渗流场方向的交点、椭圆形颗粒形心及椭圆形颗粒与渗流场方向的交点连接形成的流通区域。6.根据权利要求1所述的动载作用下的宕渣路基渗透系数预测方法，其特征在于，所述步骤5中等效迂曲度计算公式中流域一、流域二、流域三的等效孔隙面积与等效渗流路径计算公式如下：
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式（5）
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式（6）s2=s-s
1-s3ꢀꢀ
式（7）
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式（8）
ꢀꢀꢀ
式（9）
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式（10）式中，r为等效半径；k1为正方形等效半径比例系数；k2为菱形等效半径比例系数；k3为椭圆形等效半径比例系数；θ为阻碍参数；l
abcde
为流域一的周长；l
afe
为流域一与流域二重合部分长度；l
ghi
为流域二与流域三重合部分长度；l
gjki
为流域三的周长。7.根据权利要求6所述的动载作用下的宕渣路基渗透系数预测方法，其特征在于，所述正方形等效半径比例系数k1、菱形等效半径比例系数k2及椭圆等效半径比例系数k3计算公式如下：
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式（11）
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式（12）
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式（13）式中，d
30
为小于该粒径的质量占总质量的30%的粒径；d
50
为平均粒径；d
60
为限制粒径。8.根据权利要求7所述的动载作用下的宕渣路基渗透系数预测方法，其特征在于，所述d
30
、d
50
、d
60
的求解公式为：
ꢀꢀꢀ
式（14）。9.根据权利要求6所述的动载作用下的宕渣路基渗透系数预测方法，其特征在于，所述等效迂曲度计算公式中总孔隙面积计算公式如下：
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式（15）式中，b为垂直方向相邻土体颗粒中心距离。10.根据权利要求1所述的动载作用下的宕渣路基渗透系数预测方法，其特征在于，所述斯托克斯孔隙流渗透系数计算公式中平均孔隙半径r的计算公式如下：
ꢀꢀ
式（16）。

技术总结
一种动载作用下的宕渣路基渗透系数预测方法，包括以下步骤：1、利用PFC软件建立宕渣循环三轴试验模型，通过大型直剪试验标定宕渣材料细观参数，将细观参数用于宕渣循环三轴模拟试验；2、统计指定围压、动偏应力和频率加载工况下的宕渣颗粒级配、孔隙率随循环加载次数的变化情况；3、归纳出孔隙率与循环加载次数的关系；4、在可破碎宕渣试样粒径级配累计曲线统计的基础上，绘制出不同循环加载次数下的颗粒级配曲线，利用负指数连续级配方程表征颗粒级配曲线；5、假定土体颗粒形状，对迂曲度模型进行修正，得到等效迂曲度的计算公式；6、引入迂曲度对斯托克斯孔隙流渗透系数公式进行修正，由此对宕渣路基渗透系数进行预测。此对宕渣路基渗透系数进行预测。此对宕渣路基渗透系数进行预测。


技术研发人员：陆志强 陈昀灏 徐林荣 李永威 苏娜 李生相 李佳珅 何元幸子
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2023.08.15
技术公布日：2023/9/14