一种水泥改良砂碾压动荷载作用下的室内损伤评价方法

摘要

本发明提供了一种水泥改良砂碾压动荷载作用下的室内损伤评价方法，对需要改良的砂样，根据项目要求确定水泥掺量，按照击实试验得到该水泥改良砂的最大干密度、最优含水率和所需达到压实度进行制样后进行静强度测试；然后根据碾压荷载大小进行动荷载试验,观察试样轴向累计塑性应变随振动次数的发展趋势，将未破坏的试样静力剪切；最后通过动荷载作用下试样的变形发展趋势、动荷载作用前后试样静剪切强度的损失率来衡量水泥改良砂的损伤程度；本发明在试样上施加压路机碾压动荷载，能代表施工现场水泥改良砂路基填料在分层碾压过程中受到的应力状态，通过试样的变形、强度双指标来衡量水泥改良砂的损伤程度，评价原理科学，且试验仪器为常规仪器，不需额外加工改装，试验成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及道路路基填料损伤评价方法，尤其涉及一种水泥改良砂碾压动荷载作用下的室内损伤评价方法。

背景技术

目前，还没有专门针对水泥改良砂的损伤评价方法，现有技术也多是针对混凝土的损伤而提出，混凝土损伤评价方法对水泥改良砂的损伤评价有一定的借鉴意义。目前，很多混凝土损伤评价方法被得到运用，如声发射、分布光纤测试技术、3D激光扫描技术、石墨烯技术等，虽然都有成功案例，但运用到水泥改良砂损伤评价中时，都有一定的局限。

声发射技术虽然能够实时的反应材料微观结构的变化，是一种无损检测方法，但是难以建立力学参数同声发射参数之间的关系，且声发射参数的获得与仪器性能、人为的操作、材料的性能有关(见张力伟.混凝土损伤检测声发射技术应用研究，大连海事大学博士论文，2012 年)。分布光纤测试技术通过埋设在混凝土中的应变感测光缆与混凝土耦合变形进而通过自身的变形反推混凝土的变形，然而，在水泥改良砂现场碾压时，砂颗粒处于大变形状态，应变感测光缆很难与砂颗粒变形耦合一致，且水泥改良砂中也没有混凝土中的钢筋，感测光缆无法固定。3D激光扫描技术仅能检测试样表面的微观缺陷，试样内部的缺陷则无法识别。石墨烯基骨料式混凝土损伤检测技术则需要先预制好5cm×5cm×5cm的石墨烯受力损伤检测装置，且该装置必须要埋入待检测的水泥改良砂样中(见刘琼、王卓琳.《一种石墨烯基骨料式混凝土受力损伤检测装置和方法》专利)，属于有损检测，由于预制检测装置尺寸较大，对于局部损伤难以精确检测，对于道路工程中压路机振动碾压时，可能还会在石墨烯损伤检测装置周围由于应力集中而产生本不应该出现的损伤。

在滨海、沙漠地区进行道路修建时普遍面临优质填料匮乏的问题，若从外地调运优质填料进行物理改良，工期、成本难以控制，而将当地砂土进行就地化学改良进而达到路基填料的要求则是一条解决上述矛盾的途径。由于水泥材料价廉、改良效果好，水泥作为改良剂越来越多地被运用到填料改良中。

对于水泥这种化学改良剂，改良后砂土强度的增长需要一定的周期，对于改良深度超过 30cm的路床，由于碾压设备的压实深度有限，必须进行分层碾压，在一定养护龄期后压路机碾压下一层时是否会对已碾压层造成损伤破坏则是需要解决的关键问题，形成一套损伤评价方法对于合理确定养护龄期、水泥掺量，进而控制施工成本、造价则显得尤为重要。

目前，还缺乏针对水泥改良砂分层碾压时的损伤评价方法的研究。目前的损伤评价方法都是通过建立检测参数与损伤程度间的相关关系，通过得到的检测参数进而间接获得损伤程度，在很多情况下这种检测参数与损伤程度间的相关关系随着检测仪器、人为因素、检测材料性质的不同而不同，因此测试结果的可靠性也难以保证。为了对水泥改良砂在压路机碾压动荷载作用下的损伤进行合理准确地评价，所用评价指标必须要与水泥改良砂的损伤程度相关性好，且易于检测与实施，室内试验时施加荷载也要能够合理反映现场压路机振动碾压时路基填料的受力状态。

因此有必要设计一种水泥改良砂碾压动荷载作用下的室内损伤评价方法，以克服上述问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种水泥改良砂碾压动荷载作用下的室内损伤评价方法，评价指标与水泥改良砂的损伤程度相关性好，且易于检测与实施，室内试验时施加荷载也能够合理反映现场压路机振动碾压时路基填料的受力状态，更直接和可靠。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种水泥改良砂碾压动荷载作用下的室内损伤评价方法，所述损伤评价方法包括以下步骤：

步骤1、击实试验得到的一定水泥掺量条件下水泥改良砂的包括最大干密度、最优含水率参数；

步骤2、根据水泥掺量和步骤1得到的参数及所需达到压实度采用双瓣模进行制样，制样完成后将试样放入湿度恒定的塑料箱中养护至指定的养护龄期；

步骤3、通过静三轴仪对试样进行无侧限条件或有围压条件下的剪切试验，其中剪切速率采用0.4～0.8mm/分钟，由无侧限条件下试样轴向力峰值或是有围压条件下三轴试验所得到的强度参数反算得出未受动荷载作用试样的静剪切无侧限强度q_u⁰；

步骤4、通过动态空心圆柱扭剪仪对试样施加半正弦波动荷载以模拟压路机荷载，观察试样轴向累计塑性应变随振动次数的发展趋势，动荷载施加结束后，将未破坏的试样静力剪切，所述静力剪切速率与步骤3中的静强度测试的剪切速率相等，得出试样经过动荷载作用后的静剪切无侧限强度q_u¹；

步骤5、根据步骤3和步骤4中的结果进行损伤评价，

A、在振动过程中，试样轴向累计塑性应变随着振动次数整体上趋于稳定，动荷载作用下轴向应变局部最大差别范围在0.2％以内；

B、振动结束后的剪切强度与未经过动荷载作用的试样静强度损失率Dr小于5％，其中，动荷载作用结束后的剪切强度损失率Dr＝(q_u⁰-q_u¹)/q_u⁰，其中，q_u¹为试样经过动荷载作用后的静剪切无侧限强度，由试验直接测得，q_u⁰为未受动荷载作用试样的静剪切无侧限强度，可以通过无侧限试验直接测得或是由施加围压后三轴试验得到的强度参数反算间接得到。对于某些特殊情况，如土样整体性好、动荷载并不能快速引起微裂缝的发展，经受动荷载作用后试样将以压实作用为主，q_u¹＞q_u⁰，此时仍然有Dr＜0，此种情况认为满足损伤评价中的B项条件；

若上述A、B两项条件一项以上不能够满足，则判断在该动荷载作用下试样发生了损伤。

进一步地，所述步骤2中试样制作时，试样为标准三轴试样，试样底面直径3.91cm、高度8.0cm。

进一步地，所述步骤2中试样制作时，采用双瓣模制样前，先在双瓣模上涂抹一层1mm 厚的机油。

进一步地，所述步骤2中试样制作时，试样分三层击实，在层与层之间进行拉毛处理，待试样击实后，采用上下错动的方式进行脱模，试样脱模后放入湿度恒定的塑料箱中养护至指定的养护龄期。

进一步地，所述步骤3中剪切速率取0.8mm/分钟，其中试样在最优含水率状态试验，以模拟现场碾压时的含水量。

进一步地，所述步骤4中通过动态空心圆柱扭剪仪对试样施加半正弦波动荷载以模拟压路机荷载的步骤如下：

步骤41、将试样安装在临界动应力测试仪的底座上，缓慢降低传力杆，调整试样位置，使传力杆中心对准试样中心；

步骤42、在试样上施加轴向静荷载；

步骤43、待步骤42中静荷载稳定后在试样上施加半正弦波动动荷载以模拟压路机动载, 观察试样轴向累计塑性应变随振动次数的发展趋势，动荷载施加结束后，将未破坏的试样静力剪切，所述静力剪切速率与步骤3中的静强度测试的剪切速率相等，得出试样经过动荷载作用后的静剪切无侧限强度q_u¹；

进一步地，所述步骤41中，试样安装完后，在试样上施加10kPa预压荷载，使试样与仪器充分接触。

进一步地，所述步骤42中，在试样上施加100kPa轴向荷载，围压为零来使土样达到18-20 吨压路机静压时地表以下0.3米(对应30cm的压实厚度)的应力状态，固结力施加结束后维持荷载5分钟。

更进一步地，所述步骤43中，在试样上施加半正弦波动荷载以模拟压路机荷载，18-20 吨压路机强振时对应的动荷载幅值为250kPa，频率为5Hz，振动3000次结束。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供一种水泥改良砂碾压动荷载作用下的室内损伤评价方法，对水泥改良砂作为路基填料时在压路机碾压动荷载作用下是否发生损伤进行评价，由于试样变形、强度的变化能够直接地反映试样内部的损伤程度，并不需要建立与损伤程度的关系，因此相比其他损伤评价方法也更直接和可靠；通过室内动三轴试验手段，在试样上施加压路机碾压动荷载，能够合理代表施工现场水泥改良砂路基填料在分层碾压过程中受到的应力状态，通过试样的变形、强度双指标来衡量水泥改良砂的损伤程度，评价原理相比其他检测手段更加直接与科学。

2、本发明提供一种水泥改良砂碾压动荷载作用下的室内损伤评价方法，该评价方法使用的是常规动三轴仪器，并不需要重新设计组装，且不用施加围压和水压饱和，易于操作，一个试样试验仅需要40分钟左右，能够快速地对压路机振动荷载作用下水泥改良砂是否损伤进行评价，具有十分明显的优势。

3、本发明提供一种水泥改良砂碾压动荷载作用下的室内损伤评价方法，试样的损伤对其变形、强度特性有很大影响，损伤与试样变形、强度间有很好的相关关系，且工程上关心的也是水泥改良砂的变形、强度特性，因此，该评价指标更加科学。

4、本发明提供一种水泥改良砂碾压动荷载作用下的室内损伤评价方法，能够通过室内试验形成一套施工参数，解决水泥改良砂作为路基填料时的损伤问题，扩大水泥改良砂的使用范围，对于道路建设质量、工期的控制至关重要，社会、经济效益明显。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明实施例提供一种水泥改良砂碾压动荷载作用下的室内损伤评价方法，所述损伤评价方法包括以下步骤：

步骤1、击实试验得到的一定水泥掺量条件下水泥改良砂的包括最大干密度、最优含水率参数；

步骤2、根据水泥掺量和步骤1得到的参数及所需达到压实度采用双瓣模进行制样，制样完成后将试样放入湿度恒定的塑料箱中养护至指定的养护龄期；

步骤3、通过静三轴仪对试样进行无侧限条件或是有围压条件下的剪切试验，其中剪切速率采用0.4～0.8mm/分钟，由无侧限条件试样轴向力峰值或是有围压条件得到的强度参数得出未受动荷载作用试样的静剪切无侧限强度q_u⁰；

步骤4、通过动态空心圆柱扭剪仪对试样施加半正弦波动荷载以模拟压路机荷载，观察试样轴向累计塑性应变随振动次数的发展趋势，动荷载施加结束后，将未破坏的试样静力剪切，所述静力剪切速率与步骤3中的静强度测试的剪切速率相等，得出试样经过动荷载作用后的静剪切无侧限强度q_u¹；

步骤5、根据步骤3和步骤4中的结果进行损伤评价，

A、在振动过程中，试样轴向累计塑性应变随着振动次数整体上趋于稳定，动荷载作用下轴向应变局部最大差别范围在0.2％以内；

B、振动结束后的剪切强度与未经过动荷载作用的试样静强度损失率Dr小于5％，其中，动荷载作用结束后的剪切强度损失率Dr＝(q_u⁰-q_u¹)/q_u⁰，其中，q_u¹为试样经过动荷载作用后的静剪切无侧限强度，由试验直接测得，q_u⁰为未受动荷载作用试样的静剪切无侧限强度，可以通过无侧限试验直接测得或是由施加围压后三轴试验得到的强度参数反算间接得到。对于某些特殊情况，如土样整体性好、动荷载并不能快速引起微裂缝的发展，经受动荷载作用后试样将以压实作用为主，q_u¹＞q_u⁰，此时仍然有Dr＜0，此种情况认为满足损伤评价中的B项条件；

若上述A、B两项条件一项以上不能够满足，则判断在该动荷载作用下试样发生了损伤。

本发明实施例提供的一种水泥改良砂碾压动荷载作用下的室内损伤评价方法，通过室内动三轴试验手段，在试样上施加压路机碾压动荷载，能够合理代表施工现场水泥改良砂路基填料在分层碾压过程中受到的应力状态，通过试样的变形、强度双指标来衡量水泥改良砂的损伤程度，评价原理相比其他检测手段更加直接与科学，且试验仪器为常规土工仪器，不需要额外加工改装，试验成本低，一种荷载条件下的损伤评价需要约40分钟即可完成，本发明实施例提出的室内损伤评价方法，具有十分明显的优势。

实施例二

本发明实施例提供一种水泥改良砂碾压动荷载作用下的室内损伤评价方法，在所述实施例一的基础上进行优化，所述步骤4中通过动态空心圆柱扭剪仪对试样施加半正弦波动荷载以模拟压路机荷载的步骤如下：

步骤41、将试样安装在临界动应力测试仪的底座上，缓慢降低传力杆，调整试样位置，使传力杆中心对准试样中心；

步骤42、在试样上施加轴向静荷载；

步骤43、待步骤42中静荷载稳定后在试样上施加半正弦波动动荷载以模拟压路机动载, 观察试样轴向累计塑性应变随振动次数的发展趋势，动荷载施加结束后，将未破坏的试样静力剪切，所述静力剪切速率与步骤3中的静强度测试的剪切速率相等，得出试样经过动荷载作用后的静剪切无侧限强度q_u¹；

该评价方法使用的是常规动三轴仪器，并不需要重新设计组装，且不用施加围压和水压饱和，易于操作，一个试样试验仅需要40分钟左右，能够快速地对压路机振动荷载作用下水泥改良砂是否损伤进行评价，具有十分明显的优势。

实施例三

本发明实施例提供一种水泥改良砂碾压动荷载作用下的室内损伤评价方法，在所述实施例二的基础上进行优化，

步骤41、试样安装：将试样安装在底座上，缓慢降低传力杆，调整试样位置，使传力杆中心对准试样中心，为了使试样、仪器充分接触，在试样上施加10kPa预压荷载；

步骤42、静荷载施加：在试样上施加100kPa轴向荷载，围压为零来使土样达到18～20 吨压路机静压时地表以下0.3米(对应30cm的压实厚度)的应力状态，固结力施加结束后维持荷载5分钟再施加动荷载；

步骤43、动荷载施加：在试样上施加半正弦波动荷载以模拟压路机荷载，18～20吨压路机强振时对应的动荷载幅值为250kPa，频率为5Hz，振动3000次结束，观察试样轴向累计塑性应变随振动次数的发展趋势；对于动荷载作用结束后未破坏的试样，直接静力剪切，为了排除剪切速率对剪切强度的影响，剪切速率与静强度测试的剪切速率0.8mm/分钟保持一致。

实施例四

本发明实施例提供一种水泥改良砂碾压动荷载作用下的室内损伤评价方法，在所述实施的基础上进行优化，所述损伤评价方法包括以下步骤：

步骤1、确定水泥改良砂的参数

对需要改良的砂样，根据项目要求确定水泥掺量，由击实试验得到一定水泥掺量条件下水泥改良砂的最大干密度、最优含水率参数；

步骤2、试样制作及养护

根据步骤1得到的参数及所需达到的压实度进行制样，试样为标准三轴试样，底面直径 3.91cm，高度8.0cm，采用双瓣模制样，制样前先在双瓣模上涂抹一层1mm厚的机油，以减小脱模时试样与模具间的摩擦，试样分三层击实，在层与层之间拉毛处理，待试样击实后，采用上下错动的方式进行脱模，试样脱模后放入湿度恒定的塑料箱中养护至指定的养护龄期；所述双瓣模为内空圆柱状，高度8cm，壁厚3mm，用于标准三轴试样的制作，分两瓣，制样时模具通过圆环箍紧两瓣，试样制作完成后拆下圆环即可拆卸；

步骤3、静强度测试

通过静三轴仪对试样进行无侧限条件或是有围压条件下的剪切试验，试样在最优含水率状态试验，以模拟现场碾压时的含水量。剪切速率采用《公路土工试验规程JTGE40-2007》中不固结不排水试验中的每分钟0.5％～1％的剪切应变速率，即0.4～0.8mm/分钟，由无侧限条件下试样轴向力峰值或是有围压条件下得到的强度参数反算得出未受动荷载作用试样的静剪切无侧限强度q_u⁰；

步骤4、动荷载试验

由于压路机碾压荷载较大，目前常用的GDS动三轴仪并不能施加该动荷载，故采用荷载范围更大的美国GCTS公司生产的HCA-100动态空心圆柱扭剪仪，通过动态空心圆柱扭剪仪对试样施加半正弦波动荷载以模拟压路机荷载，观察试样轴向累计塑性应变随振动次数的发展趋势，动荷载施加结束后，将未破坏的试样静力剪切，所述静力剪切速率与步骤3中的静强度测试的剪切速率相等，得出试样经过动荷载作用后的静剪切无侧限强度q_u¹；

步骤5、损伤评价方法

通过动荷载作用下试样轴向累计塑性应变随着振动次数的发展趋势及动荷载作用前后试样静剪切强度损失率相结合的双指标对水泥改良砂进行损伤评价，根据步骤3和步骤4中的结果进行损伤评价：

A、在振动过程中，试样轴向累计塑性应变随着振动次数整体上趋于稳定，动荷载作用下轴向应变局部最大差别范围在0.2％以内；

B、振动结束后的剪切强度与未经过动荷载作用的试样静强度损失率Dr小于5％，其中，动荷载作用结束后的剪切强度损失率Dr＝(q_u⁰-q_u¹)/q_u⁰，其中，q_u¹为试样经过动荷载作用后的静剪切无侧限强度，由试验直接测得，q_u⁰为未受动荷载作用试样的静剪切无侧限强度，可以通过无侧限试验直接测得或是由施加围压后三轴试验得到的强度参数反算间接得到。对于某些特殊情况，如土样整体性好、动荷载并不能快速引起微裂缝的发展，经受动荷载作用后试样将以压实作用为主，q_u¹＞q_u⁰，此时仍然有Dr＜0，此种情况认为满足损伤评价中的B项条件；

若上述A、B两项条件一项以上不能够满足，则判断在该动荷载作用下试样发生了损伤。

作为本发明的一个具体实施例，击实试验得到水泥掺量6％改良砂最优含水率13.1％，最大干密度为1.74g/cm³，按照最优含水率和最大干密度制样，压实度为100％，养护1天后取出进行试验，得到经三轴试验强度参数反算的无侧限强度q_u⁰＝431.77kPa，在试样上施加100kPa>u¹＝588.50kPa，计算得到无侧限强度损失率Dr＝(q_u⁰-q_u¹)/q_u⁰＝(431.77-588.50)/431.77＝﹣36.30％＜5％，故可以判断在该动荷载作用下水泥改良砂并没有发生损伤。

本发明提供一种水泥改良砂碾压动荷载作用下的室内损伤评价方法，试样的损伤对其变形、强度特性有很大影响，损伤与试样变形、强度间有很好的相关关系，且工程上关心的也是水泥改良砂的变形、强度特性，因此，该评价指标更加科学；能够通过室内试验形成一套施工参数，解决水泥改良砂作为路基填料时的损伤问题，扩大水泥改良砂的使用范围，对于道路建设质量、工期的控制至关重要，社会、经济效益明显。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。