CN107391803A - 一种土石混填路基土的cbr数值试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于计算机测试领域，具体是一种土石混填路基土的CBR数值试验方法，通过离散元软件PFC^2D进行模拟，包括如下步骤：首先对颗粒进行分组，确定每组颗粒分组范围，预设初始空隙率；再定义区域domain，边界墙wall，设定遍历条件；再选定土石混填颗粒二维离散元本构模型及相关参数；再生成颗粒球，并施加外部条件，通过计算分析，得到土石混填体二维离散元试件；最后施加加载条件，在PFC^2D中模拟加州承载比试验，对试验数据进行记录，计算CBR值。该方法是一种高效准确的计算机数值模拟方法，对土石混合料成型试件进行加载测试CBR值的过程进行模拟，以深入研究土石混填路基土的力学性能。

Description

一种土石混填路基土的CBR数值试验方法

【技术领域】

本发明属于计算机测试领域，具体涉及一种土石混填路基土的CBR数值试验方法，旨在用一种离散元软件PFC^2D模拟室内土石混合料的CBR值测试。

【背景技术】

我国东部及中西部地区多山地丘陵，在这些地区修筑公路经常会遇到土石挖方，本着因地制宜、就地取材的原则，土石混填路基土需要在路基修筑过程中被大量填实利用。由于土石混填路基土的颗粒组成变化很大、材料本身内部极其不均匀且难以控制，其物理力学性质有待于工程技术人员展开深入研究。在进行土石混合料的一系列室内试验中会涉及成型试件对其进行CBR值测试。

CBR又称加州承载比，是由美国加利福利亚公路局提出了的用于评定路基土和路面材料强度的指标，近年来，我国在设计参数采用回弹模量作为指标的基础上，将CBR引入规范，作为路基填料选择的依据，因此材料CBR值的确定对于路基路面施工意义重大，目前针对土石混填路基土室内成型试件测CBR值试验条件复杂，需若干试件在不同压实度下饱水4天4夜，耗时长，且人为加料不均匀导致测试得到的CBR值偏差大。

【发明内容】

针对现有技术中，土石混填路基土室内成型试件测CBR值试验条件复杂，需若干试件在不同压实度下饱水4天4夜耗时长，且人为加料不均匀导致测试得到的CBR值偏差大等不足，本发明的目的在于提供一种土石混填路基土的CBR数值试验方法，该方法是一种高效准确的计算机数值模拟方法，对土石混合料成型试件进行加载测试CBR值的过程进行模拟，以深入研究土石混填路基土的力学性能。

为了达到上述目的，本发明拟采用如下技术方案予以实现，具体过程如下:

一种土石混填路基土的CBR数值试验方法，通过离散元软件PFC^2D进行模拟，包括如下步骤：

步骤1，在PFC^2D中按尺寸构建试模，对颗粒按粒径大小进行分组，预设土石的初始空隙率，确定各档土石所占的面积比，对级配参数进行调用；

步骤2，在PFC^2D中通过语句domain定义产生颗粒的区域，通过语句wall定义颗粒所在的边界条件，设定遍历条件；

步骤3，对所生成的每档颗粒数据进行遍历，对每档颗粒进行编号，限定每档颗粒的半径上、下限及半径平均值，设置颗粒平均密度和阻尼系数，对颗粒尺寸进行缩小，对每一档粒料都执行一次，保证每档粒径的数目控制在要求的范围内；

步骤4，确定本构关系及接触关系模型，并对颗粒尺寸进行放大，使颗粒与边界条件相适应，删除边界条件以外的颗粒；

步骤5，计算颗粒所占的总面积及空隙所占的总面积，得出试样的实际空隙率；

步骤6，设定重力参数、自动计算时步及循环次数，每隔一定步数对球体速度进行一次清零，释放内应力，得到所需的加载试样；

步骤7，设定压头，加荷板和侧限条件，确定加载速率，通过语句history监测轴向应力和竖向位移，循环一定次数，得到单位压力-贯入量曲线，读取相应贯入量的压力值，进行计算，得到试件的CBR值。

所述步骤1中，各档土石的粒径不小于1mm；对颗粒按粒径进行分组的依据如下：先取样进行筛分，得到实际的级配数据，颗粒按粒径进行分组时按照实际的级配数据进行分组。

所述步骤2中，遍历条件为：指定产生颗粒球的范围，对domain以外的颗粒进行删除。

所述步骤4中，选择线性接触刚度模型，定义球与球之间，球与墙之间的接触关系，设定法向接触刚度、切向接触刚度、阻尼系数和摩擦系数，对颗粒尺寸进行放大，设定自动时步，每循环一定次数对速度进行清零。

所述步骤4中，对于土石混合料中的细粒土，如果其主要为粘性土，还需要在本构关系模型中，加入黏性接触予以考虑，需考虑土石混合料的颗粒间的咬合力C和颗粒的内摩擦角φ，并对每档料颗粒之间的黏结情况进行设定，对不必要的黏结情况进行删除，不断修正，得到要求的试验结果。

所述步骤5中，将wall墙以外的颗粒进行清除，只保留墙内所需的颗粒，通过loopforeach语句对每档集料进行遍历，从而得到试件内部的实际空隙率。

所述的步骤6中，施加重力时，通过solve aratio 5e-4calm 500语句消除程序运行过程中产生的内部应力，维持试样内部的稳定，每隔一定步数对球体速度进行一次清零，得到所需的加载试样。

所述步骤7中，设定压头时，给压头施加恒定的贯入速度，来模拟实验室对试件加载贯入的过程。

本发明的有益效果：

本发明用离散元数值软件PFC^2D对室内成型试件测试CBR这一过程进行模拟，能够用计算机模拟室内成型土石混填试件用路面强度仪测试CBR值的过程，节省了试验成本及时间成本，有利于开展深入研究，这对于深入研究土石混合料的力学性能具有一定的意义。

【附图说明】

图1是本发明的方法模拟的土石混填路基土的CBR数值试验试件示意图；

图2轴向应力-竖向位移曲线。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

本发明的土石混填路基土的CBR数值试验方法包括以下步骤：

首先从现场取样进行筛分，得到实际的筛分数据，然后，在PFC^2D中按尺寸构建试模，将颗粒按粒径大小进行分组，分组应与现实土样筛分数据相一致，且模型中筛孔尺寸，上下限之比等取值无太大差异，每档土石的所占比例要按面体积进行换算，设定土石的初始空隙率，确定各档土石所占的面积比，对级配参数进行调用，最小颗粒粒径要满足一定的条件，否则运算量过大导致软件崩解；

在PFC^2D中通过语句domain定义产生颗粒的区域，通过语句wall定义颗粒所在的边界条件，设定遍历条件，指定产生球ball的范围，对domain以外的颗粒进行删除；

通过loop foreach对所生成的每档颗粒数据进行遍历，使生成每档粒径的数目满足试验模拟的要求，对每档颗粒进行编号，限定每档颗粒的半径上下限，设定各档粒径的平均密度和阻尼系数，对颗粒尺寸进行缩小，对每一档粒料都执行一次，保证每档粒径的数目控制在合适的范围内；

确定本构关系及接触关系模型，从基本模型中选择线性接触刚度模型，定义球与球之间，球与墙之间的接触关系，设定合适的法向接触刚度、切向接触刚度、阻尼系数和摩擦系数，并对颗粒尺寸进行放大，使颗粒与边界条件相适应，删除边界条件以外的颗粒，设定自动计算时步，每循环一定次数对速度进行清零，模拟的土石混填路基土的CBR数值试验产生的试件如图1所示，对于土石混合料中的细粒土，如果其主要为粘性土，还需要在本构关系模型中，加入黏性接触予以考虑，需考虑土石混合料的C、φ值(C代表颗粒间的咬合力，φ代表颗粒的内摩擦角)，并对每档料颗粒之间的黏结情况进行考虑，对不必要的黏结情况进行删除，不断修正，得到预想的试验结果；

再将wall墙以外的颗粒进行清除，只保留墙内所需的颗粒；根据生成颗粒的状况计算颗粒所占的总面积及空隙所占的总面积，得出试样的实际空隙率；

设定重力参数、自动计算时步及循环次数，通过solve aratio 5e-4calm 500语句消除程序运行过程中产生的内部应力，每隔一定步数对球体速度进行一次清零，释放内应力，得到所需的加载试样；

最后，设定压头，加荷板和侧限条件，给压头施加恒定的贯入速度，监测轴向应力力和竖向位移，循环一定次数，得到单位压力-贯入量曲线，读取2.5mm和5mm贯入量相对应的压力值，进行计算，得到试件的CBR值，本发明模拟起来方便快捷，应用离散元软件即可实行室内CBR试验操作，极大地节省了室内试验成本和操作时间。

本发明中，需要删除的不必要的黏结情况如下：

实际运算中考虑了每档颗粒之间的黏性接触状况，如0-40mm粒径的料分为①0-2mm、②2-5mm、③5-10mm、④10-20mm、⑤20-40mm五组，分别建立①与②、①与③、①与④、①与⑤、②与③、②与④、②与⑤、③与④、③与⑤、④与⑤之间的接触关系模型，根据土石的实际黏结力大小，建立的接触关系模型中，有些分组之间的黏结力几乎为0，则删除黏结力为0的分组组合，如②与③，④与⑤之间黏结力几乎为0，则删除②与③，④与⑤这两种黏结情况。

实施例

本实施例按照如下步骤进行：

(1)按照规范要求，对土石混填路基土进行筛分，得到粒径分组，在PFC^2D中按规范试模尺寸要求定义边界，对颗粒进行分组，设定初始空隙率将其定在合适的范围内，如0.04，设定每组粒径的下限值及每组粒径的上下限之比，根据实际换算定义每组颗粒所占的面积比。由于小于1mm的颗粒在模拟软件中因数量过大生成过程会导致***崩解，或生成颗粒数目过多跑出边界墙无法控制，故本实施例不考虑1mm以下的颗粒生成情况；

(2)命令产生颗粒的区域domain，对于domain区域外的颗粒进行删除，命令颗粒的边界墙wall，使生成的颗粒控制在wall的范围内，最大不会超过domain的限制，将domain以外的颗粒删除；定义颗粒的生成范围，边界条件内的其他范围即为空隙，设定随机数random；

(3)对产生的所有颗粒进行遍历，并对产生的每组颗粒ball编号，设定所产生的每组颗粒ball的半径上下限及半径平均值，以保持颗粒尺寸的均匀性，根据编号查找每组范围生成的颗粒ball的个数，以满足预期生成的要求，对半径进行缩小，缩小为原尺寸的十分之一；命令产生颗粒ball，依次按组生成，定义其基本属性如每组的平均密度，阻尼系数；

(4)命令本构关系模型，如砂性土石混填，本实施例不考虑其中的粘性，对于ball-ball选用线性刚度接触模型，命令其法向接触刚度、切向接触刚度、颗粒摩擦系数，阻尼系数，取值参考PFC书本；对于ball-facet同样选用线性刚度接触模型，命令其法向接触刚度和阻尼系数，命令完后，对球的属性进行调整，循环5次，放大颗粒半径，放大为原尺寸的10倍；设定自动计算时步，设定循环条件及殆速条件。如本实施例循环运行5000次，每500步将速度消耗一次，并将墙体范围外生成的颗粒进行清除；

(5)通过定义value语句，得到实际空隙率，墙体内总面积为1，根据生成颗粒的面积和数目计算空隙，在侧边显示栏查看实时空隙率，以达到试验预期，计算完后，再次循环计算；设定重力条件，试验过程中，要避免内应力过大造成边界内部颗粒应力不平衡，要对内应力进行消除，这一过程通过solve aratio 5e-4calm 500语句得以实现；

(6)删除无用的边界墙wall，设定压头，加荷板，侧限，施加加载速率条件，记录轴向应力与竖向位移，读取与2.5mm和5mm贯入量相对应的单位压力值p₁、p₂，按如下公式计算CBR值：

式中：p是贯入量2.5mm或5mm对应的单位压力，p_s为贯入量2.5mm、5mm标准碎石对应的单位压力，单位均为kPa。

如图2所示，其为本发明对所生成的试件进行加载后，通过history监测命令得到的单位压力-灌入量曲线图，其中X方向为轴向应力，Y方向为竖向位移；应力所对应的单位为kPa，位移所对应的单位为mm。

Claims (8)

1.一种土石混填路基土的CBR数值试验方法，其特征在于，通过离散元软件PFC^2D进行模拟，包括如下步骤：

步骤1，在PFC^2D中按尺寸构建试模，对颗粒按粒径大小进行分组，预设土石的初始空隙率，确定各档土石所占的面积比，对级配参数进行调用；

步骤2，在PFC^2D中定义产生颗粒的区域和颗粒所在的边界条件，同时设定遍历条件；

步骤3，对所生成的每档颗粒数据进行遍历，对每档颗粒进行编号，限定每档颗粒的半径上、下限及半径平均值，设置颗粒平均密度和阻尼系数，对颗粒尺寸进行缩小，对每一档粒料都执行一次，保证每档粒径的数目控制在要求的范围内；

步骤4，确定本构关系及接触关系模型，并对颗粒尺寸进行放大，使颗粒与边界条件相适应，删除边界条件以外的颗粒；

步骤5，计算颗粒所占的总面积及空隙所占的总面积，得出试样的实际空隙率；

步骤6，设定重力参数、自动计算时步及循环次数，每隔一定步数对球体速度进行一次清零，释放内应力，得到所需的加载试样；

步骤7，设定压头，加荷板和侧限条件，确定加载速率，监测轴向应力和竖向位移，循环一定次数，得到单位压力-贯入量曲线，读取相应贯入量的单位压力值，进行计算，得到试件的CBR值。

2.根据权利要求1所述的CBR数值试验方法，其特征在于，所述步骤1中，各档土石的粒径不小于1mm；对颗粒按粒径大小进行分组的依据如下：先取样进行筛分，得到实际的级配数据，对粒径进行分组时按照实际的级配数据进行分组。

3.根据权利要求1所述的CBR数值试验方法，其特征在于，所述步骤2中，遍历条件为：指定产生颗粒球的范围，对产生颗粒的区域以外的颗粒进行删除。

4.根据权利要求1所述的CBR数值试验方法，其特征在于，所述步骤4中，选择线性接触刚度模型，定义球与球之间，球与墙之间的接触关系，设定法向接触刚度、切向接触刚度、阻尼系数和摩擦系数，对颗粒尺寸进行放大，设定自动时步，每循环一定次数对速度进行清零。

5.根据权利要求1所述的CBR数值试验方法，其特征在于，所述步骤4中，对于土石混合料中的细粒土，如果其主要为粘性土，还需要在本构关系模型中，加入黏性接触予以考虑，并考虑土石混合料的颗粒间的咬合力C和颗粒的内摩擦角φ，并对每档料颗粒之间的黏结情况进行设定，对不必要的黏结情况进行删除，不断修正，得到要求的试验结果。

6.根据权利要求1所述的CBR数值试验方法，其特征在于，所述步骤5中，将颗粒所在的边界条件以外的颗粒进行清除，只保留颗粒所在的边界条件内所需的颗粒；再对每档集料进行遍历，从而得到试件内部的实际空隙率。

7.根据权利要求1所述的CBR数值试验方法，其特征在于，所述步骤6中，施加重力时，消除程序运行过程中产生的内部应力，维持试样内部的稳定。

8.根据权利要求1所述的CBR数值试验方法，其特征在于，所述步骤7中，设定压头，给压头施加恒定的贯入速度，来模拟实验室对试件加载的过程。