一種混合輕量土最優化配合比的確定方法

2023-06-03 17:07:06 3

專利名稱：一種混合輕量土最優化配合比的確定方法
技術領域：
本發明涉及混合輕量土最優配合比的確定方法，適用於道路加寬、道路填土、橋臺背填土、地下工程和管線等工程中採用混合輕量土作為回填料的優化配合比的確定。屬於土建技術領域。
背景技術：
混合輕量土是由原料土、固化劑、水、輕質材料等按一定比例組成，其強度及密度均可調節。對於不同的工程其需求的混合輕量土的強度及密度也不同，如要求強度過高會使固化劑添加量過多，易造成密度過大，經濟性差，不能滿足輕質的要求。若要求密度過小，會使輕質材料的添加量過多，易造成強度過低，同樣也不能滿足工程安全的要求。目前採用的混輕量土的強度及密度確定方法，是根據經驗確定，沒有統一的依據，結果也很不可靠且成本高。因此，如何針對不同工程快速準確地確定輕量土的所需要的強度及密度，從而得到混合輕量土優化配合比，使輕量土的配合比能滿足工程要求是當前工程界急待解決的問題。

發明內容本發明的目的是解決現有方法實施成本高、隨意性強、結果不可靠或不能體現特殊性的缺點，提供原理明確，可操作性強，成本低廉，使用效果好、便於針對不同工程中的混合輕量土最優配比的確定方法。
為達到發明目的本發明採用的技術方案是一種混合輕量土優化配合比的確定方法，所述的方法為首先根據混合輕量土面層荷載得到混合輕量土需要達到的強度；再由輕量土下臥層的承載力、輕量土厚度、路基路面、交能荷載作用於輕量土表面荷載擴散的應力求得混合輕量土需要滿足的密度；按輕量土需要滿足的強度及密度，進行正交試驗即得混合輕量土優化配合比。
進一步，所述的混合輕量土優化配合比的確定方法，包括以下順序步驟(1)首先根據工程設計情況確定作用於混合輕量土表面所有荷載(下述強度中的公式1)，按所述的所有荷載進行應力擴散(下述強度中的公式2)分析，求得施加在混合輕量土面層荷載，根據得到的混合輕量土面層荷載，按照以分項係數表達的極限狀態設計方法得到混合輕量土需要達到的強度；(2)由輕量土下臥層的工程地質性質確定輕量土下臥層所能達到的承載力，根據所述下臥層的承載力、輕量土厚度、路基及面層、交通荷載作用於輕量土表面荷載的擴散應力-，按照分項係數表達的極限狀態設計方法求得混合輕量土需要滿足的密度，按照後面的步驟4-8公式得到所需要的密度；(3)由第(1)步及第(2)步得到的輕量土需要滿足的強度及密度，根據正交試驗的結果進行分析就可得到最優的配合比。
具體的作為回填料的混合輕量土的強度確定方法，所述方法如下(1)根據公式11=i=inihi]]>計算恆荷載作用於混合輕量土築體上的豎向擴散應力；式1中σ1為路基及路面作用於輕量土面層的擴散應力，單位kN/m2；γi為路基及路面各層材料的重度，單位kN/m3；(材料的重度取值參見公路路基設計規範JTG D30-2004、公路水泥混凝土路面設計規範JTG D40-2002、《工路工程技術標準》JTG B01-2003)hi為路基及路面各層材料的層厚，單位m；(2)根據公式2σ2＝[P·(1+ξ)]/[(B+2·z·tanθ)(L+2·z·tanθ)]計算作用於混合輕量土築體上面的交通荷載的豎向擴散應力；式2中σ2為交通荷載作用於輕量土面層的擴散應力，單位kN/m2；P為車輪荷載，單位kN；ξ為衝擊係數(ξ＝0.1~0.5)；B為後車輪輪帶寬，單位m；L為後車輪接觸地長度，單位m；以上幾個因素根據《工路工程技術標準》JTG B01-2003確定，取標準值；θ為荷載的應力擴散角(取值範圍見表1)；z為路基及路面各層的層厚之和，單位m；(3)根據公式3Qu＝σ1·λ1+σ2·λ2，按照分項係數表達的極限狀態計算得到混合輕量土需要達到的強度；式3中σ1為路基及路面作用於輕量土面層的擴散應力，單位kN/m2；σ2為交通荷載作用於輕量土面層的擴散應力，單位kN/m2；λ1為路基及路面作用於輕量土面層的分項抗力係數(取值範圍見表2)；λ2為交通荷載作用於輕量土面層的分項抗力係數(取值範圍見表2)；Qu即為所述混合輕量土所要達到的強度值，單位kN/m2。
表1荷載的應力擴散角θ的取值
注對於混凝土路面，應力擴散角θ＝45°。
表2分項抗力係數的取值
推薦的作為回填料的混合輕量土的密度確定方法，所述方法如下(1)根據公式11=i=inihi]]>計算恆荷載作用於混合輕量土築體上的豎向擴散應力；公式1中，σ1為路基及路面作用於輕量土面層的擴散應力，單位kN/m2；γi為路基及路面各層材料的重度，單位kN/m3；(材料的重度取值參見公路路基設計規範JTG D30-2004、公路水泥混凝土路面設計規範JTG D40-2002、《工路工程技術標準》JTG B01-2003)hi為路基及路面各層材料的層厚，單位m；(2)根據公式4σ2＝γ輕量土·h輕量土計算輕量土填土材料作用於下臥層上的豎向擴散應力；公式4中，σ2為輕量土作用於下臥層上的擴散應力，單位kN/m2；γ輕量土為輕量土填土材料的重度，單位kN/m3；h輕量土為輕量土填土材料的層厚，單位m；(3)根據公式5σ3＝[P·(1+ξ)]/[(B+2·z·tanθ)(L+2·z·tanθ)]計算作用於混合輕量土築體上面的交通荷載的豎向擴散應力；公式5中，σ3為交通荷載作用於輕量土面層的擴散應力，單位kN/m2；P為車輪荷載，單位kN；ξ為衝擊係數(ξ＝0.1~0.5)；B為後車輪輪帶寬，單位m；L為後車輪接觸地長度，單位m；(車輪荷載、衝擊係數、後車輪輪帶寬和後車輪接觸地長度，可根據《工路工程技術標準》JTG B01-2003確定，取標準值)θ為荷載的應力擴散角(見表1)；z為路基及路面各層的層厚之和，單位m；表1荷載的應力擴散角θ的取值
注對於混凝土路面，應力擴散角θ＝45°。
(4)由輕量土下臥層的工程地質性質及該土層所在深度，根據公式6f＝fa+ηb·γ·(b-3)+ηd·γ0·(d-0.5)計算輕量土下臥層所能達到的承載力；公式6中，f為輕量土下臥層地基承載力設計值，單位kN/m2；fa為輕量土下臥層地基承載力特徵值，可查《建築地基基礎設計規範》選取，單位kN/m2；γ為輕量土下臥層的天然容重，地下水位以下用浮容重，單位kN/m2；b為輕量土填土寬度，單位m；當寬度小於3m時按3m計，大於6m時按6m計；d為路面到輕量土填土底面的深度，單位m；ηb，ηd為相應於基礎寬度和埋置深度的承載力修正係數，可查《建築地基基礎設計規範》選取；(5)根據公式7
按照分項係數表達的極限狀態計算得到混合輕量土需要滿足的密度值；公式7中，σ1為路基及路面作用於輕量土面層的擴散應力，單位kN/m2；σ3為交通荷載作用於輕量土面層的擴散應力，單位kN/m2；
λ1為路基及路面等荷載作用於下臥層面層的分項抗力係數(見表2)；λ2為輕量土填土荷載作用於下臥層面層的分項抗力係數(見表2)；λ3為交通荷載作用於下臥層面層的分項抗力係數(見表2)；ρ輕量土為混合輕量土所要達到的密度值。
表2分項抗力係數的取值
本發明的有益效果主要體現在混合輕量土需應達到的強度及密度要求的確定方法原理明確，從而根據正交試驗得到的最優的配合比可操作性強，成本低廉，使用效果好，具有較大的實施價值和社會經濟效益。


圖1為輕量土表面荷載情況2為輕量土下臥層的荷載情況3為路面活荷載引起的引力圖具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明進行進一步描述，但本發明的保護範圍並不僅限於此實施例1
高等級公路為了減輕填土自重採用混合輕量土作為回填料，填土高度為5m。根據路面及路基設計情況可知，水泥混凝土路面厚35cm，二灰碎石層70cm，鋼筋混凝土保護層厚為20cm，則路基及路面的層厚為z＝1.25m。
輕量土表面由混凝土路面(厚35cm，r1＝24kN/m3)，基層(水泥穩定碎石層厚70cm，r1＝23kN/m3)及鋼筋混凝土板保護層(板厚20cm，r1＝25kN/m3)產生的自重應力為(根據步驟(1))1=i=inihi=240.35+230.70+250.2=29.5kN/m2]]>根據步驟(2)可得到交通荷載作用於輕量土面層的擴散應力 =56.60kN/m2]]>根據步驟(3)取相應的分項係數λ1＝3；λ2＝2，可得到混合輕量土的需求強度為Qu＝σ1·λ1+σ2·λ2＝29.5×3+56.60×2＝171.7kN/m2輕量土下臥層為粘土，重度為17kN/m3，承載力的特徵值為152kN/m2。
輕量土表面由混凝土路面(厚35cm，r1＝24kN/m3)，基層(水泥穩定碎石層厚70cm，r1＝23kN/m3)及鋼筋混凝土板保護層(板厚20cm，r1＝25kN/m3)產生的自重應力為1=i=inihi=240.35+230.70+250.2=29.5kN/m2]]>交通荷載作用於輕量土面層的擴散應力為 =1.99kN/m2]]>根據下臥層的工程地質情況取r0＝17kN/m3，ηb＝0；ηd＝1.1得到承載力為f＝fa+ηb·γ·(b-3)+ηd·γ0·(d-0.5)＝152+0.3×17×3+1.3×17×5.5＝273.55kN/m2取相應的分項係數λ1＝3；λ2＝2，可得到混合輕量土的需求密度為
可知滿足工程需要的輕量土密度為1.05g/cm3。
正交試驗因素和水平設置表(以砂為1500g為基準)
根據正交試驗表進行強度及密度的試驗，分別得到相應的試驗結果，如下表所示
注綜合指標
按上述最優配合比進行了強度及密度試驗測試，結果表明實測的輕量土強度為186kPa，按配合比確定的強度計算值與試驗值的誤差為7.6％，能夠滿足工程需求的強度要求。實測輕量土的密度為1.07kg/m3，按配合比確定的密度實測值與試驗值的誤差為1.8％，能夠滿足工程需求的密度要求。
權利要求
1.一種混合輕量土最優化配合比的確定方法，其特徵在於所述的方法為首先根據混合輕量土面層荷載得到混合輕量土需要達到的強度；再由輕量土下臥層的承載力、輕量土厚度、路基路面、交能荷載作用於輕量土表面荷載擴散的應力求得混合輕量土需要滿足的密度；按輕量土需要滿足的強度及密度，進行正交試驗即得混合輕量土優化配合比。
2.如權利要求1所述的混合輕量土最優化配合比的確定方法，包括以下順序步驟(A)首先根據工程設計情況確定作用於混合輕量土表面所有荷載公式1，按所述的所有荷載進行應力擴散公式2分析，求得應施加在混合輕量土面層荷載，根據得到的混合輕量土面層荷載，按照以概率論為基礎的極限狀態設計方法或按照分項係數表達的極限狀態設計方法得到混合輕量土需要達到的強度公式3；(1)根據公式11=i=inihi]]>計算恆荷載作用於混合輕量土築體上的豎向擴散應力；式1中σ1為路基及路面作用於輕量土面層的擴散應力，單位kN/m2；γi為路基及路面各層材料的重度，單位kN/m3；(材料的重度取值參見公路路基設計規範JTG D30-2004、公路水泥混凝土路面設計規範JTG D40-2002、《工路工程技術標準》JTG B01-2003)hi為路基及路面各層材料的層厚，單位m；(2)根據公式2σ2＝[P·(1+ξ)]/[(B+2·z·tanθ)(L+2·z·tanθ)]計算作用於混合輕量土築體上面的交通荷載的豎向擴散應力；式2中σ2為交通荷載作用於輕量土面層的擴散應力，單位kN/m2；P為車輪荷載，單位kN；ξ為衝擊係數(ξ＝0.1~0.5)；B為後車輪輪帶寬，單位m；L為後車輪接觸地長度，單位m；以上幾個因素根據《工路工程技術標準》JTG B01-2003確定，取標準值；θ為荷載的應力擴散角(取值範圍見表1)；z為路基及路面各層的層厚之和，單位m；(3)根據公式3Qu＝σ1·λ1+σ2·λ2，按照分項係數表達的極限狀態計算得到混合輕量土需要達到的強度；式3中σ1為路基及路面作用於輕量土面層的擴散應力，單位kN/m2；σ2為交通荷載作用於輕量土面層的擴散應力，單位kN/m2；λ1為路基及路面作用於輕量土面層的分項抗力係數(B)由輕量土下臥層的工程地質性質確定輕量土下臥層所能達到的承載力，根據所述下臥層的承載力、輕量土厚度、路基及面層、交通荷載作用於輕量土表面荷載的擴散應力-，按照分項係數表達的極限狀態設計方法求得混合輕量土需要滿足的密度，按照公式1、公式4～7得到所需要的密度；(1)根據公式11=i=inihi]]>計算恆荷載作用於混合輕量土築體上的豎向擴散應力；公式1中，σ1為路基及路面作用於輕量土面層的擴散應力，單位kN/m2；γi為路基及路面各層材料的重度，單位kN/m3；(材料的重度取值參見公路路基設計規範JTG D30-2004、公路水泥混凝土路面設計規範JTG D40-2002、《工路工程技術標準》JTG B01-2003)hi為路基及路面各層材料的層厚，單位m；(2)根據公式4σ2＝γ輕量土·h輕量土計算輕量土填土材料作用於下臥層上的豎向擴散應力；公式4中，σ2為輕量土作用於下臥層上的擴散應力，單位kN/m2；γ輕量土為輕量土填土材料的重度，單位kN/m3；h輕量土為輕量土填土材料的層厚，單位m；(3)根據公式5σ3＝[P·(1+ξ)]/[(B+2·z·tanθ)(L+2·z·tanθ)]計算作用於混合輕量土築體上面的交通荷載的豎向擴散應力；公式5中，σ3為交通荷載作用於輕量土面層的擴散應力，單位kN/m2；P為車輪荷載，單位kN；ξ為衝擊係數(ξ＝0.1~0.5)；B為後車輪輪帶寬，單位m；L為後車輪接觸地長度，單位m；(車輪荷載、衝擊係數、後車輪輪帶寬和後車輪接觸地長度，可根據《工路工程技術標準》JTGB01-2003確定，取標準值)θ為荷載的應力擴散角(見表1)；z為路基及路面各層的層厚之和，單位m；(4)由輕量土下臥層的工程地質性質及該土層所在深度，根據公式6f＝fa+ηb·γ·(b-3)+ηd·γ0·(d-0.5)計算輕量土下臥層所能達到的承載力；公式6中，f為輕量土下臥層地基承載力設計值，單位kN/m2；fa為輕量土下臥層地基承載力特徵值，可查《建築地基基礎設計規範》選取，單位kN/m2；γ為輕量土下臥層的天然容重，地下水位以下用浮容重，單位kN/m2；b為輕量土填土寬度，單位m；當寬度小於3m時按3m計，大於6m時按6m計；d為路面到輕量土填土底面的深度，單位m；ηb，ηd為相應於基礎寬度和埋置深度的承載力修正係數，可查《建築地基基礎設計規範》選取；(5)根據公式7 按照分項係數表達的極限狀態計算得到混合輕量土需要滿足的密度值；公式7中，σ1為路基及路面作用於輕量土面層的擴散應力，單位kN/m2；σ3為交通荷載作用於輕量土面層的擴散應力，單位kN/m2；λ1為路基及路面等荷載作用於下臥層面層的分項抗力係數(見表2)；λ2為輕量土填土荷載作用於下臥層面層的分項抗力係數(見表2)；λ3為交通荷載作用於下臥層面層的分項抗力係數(見表2)；ρ輕量土為混合輕量土所要達到的密度值。(C)由第(1)步及第(2)步得到的輕量土需要滿足的強度及密度，根據正交試驗的結果進行分析就可得到最優的配合比。
全文摘要
本發明提供了一種混合輕量土最優化配合比的確定方法，所述的方法為首先根據混合輕量土面層荷載得到混合輕量土需要達到的強度；再由輕量土下臥層的承載力、輕量土厚度及輕量土表面荷載擴散應力求得混合輕量土需要滿足的密度；按輕量土需要滿足的強度及密度，進行正交試驗即得混合輕量土優化配合比。本發明可操作性強，成本低廉，使用效果好、便於針對不同工程中的混合輕量土的強度及密度確定方法，具有較大的實施價值和社會經濟效益。
文檔編號B28C3/00GK101049718SQ200710068409
公開日2007年10月10日 申請日期2007年4月30日 優先權日2007年4月30日
發明者杜時貴, 羅戰友, 蔣學 申請人:浙江建設職業技術學院