专利名称：级配碎石回弹模量数值测定方法
技术领域：
本发明涉及碎石基层力学参数测试技术，尤其涉及一种级配碎石回弹模量数值测定方法。
背景技术：
在岩土工程中最先引用三轴试验来对问题进行研究分析，并通过试验结果证明了这一原理的正确性，现在三轴试验原理已经得到了广泛的推广，在许多领域中得到了应用。许多道路工作者把三轴试验原理引入公路工程中并对其进行了一定的改进，通过研究证明重复加载的动三轴试验能够取得更好的效果。在级配碎石的动三轴试验中，首先保持一个固定的围压，然后施加偏应力循环一定次数使得级配碎石达到一定的接触压力，然后利用动三轴试验仪器通过采用不同的围压以及偏载来测定级配碎石的回弹模量值。但是，动三轴试验需要依赖昂贵的仪器设备，试验成本很高。

发明内容
发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种级配碎石回弹模量数值测定方法，使用离散元方法模拟动三轴试验，以节省试验成本和时间。技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:级配碎石回弹模量数值测定方法，包括如下步骤:( I)生成级配碎石的二维离散元试件；(2)选择二维离散元试件的接触本构模型和微观参数的初始值；(3)使用二维离散元试件模拟级配碎石动三轴试验并提取试验结果；(4)对比级配碎石动三轴试验的模拟结果和级配碎石动三轴试验的一组试验结果，若模拟结果和试验结果在吻合范围内，则采取该组微观参数，进入步骤(5);若模拟结果和试验结果在吻合范围外，则调整微观参数，重复步骤(3) (4)，至模拟结果和试验结果在吻合范围内；(5)根据级配碎石动三轴试验结果计算回弹模量。考虑到粒径在0.075 1.18mm范围内的级配碎石颗粒在试件成型时主要起到粘结作用，因此在步骤(I)，可以仅生成粒径大于等于1.18mm的级配碎石颗粒，对于粒径小于
1.18mm的级配碎石颗粒不予生成而是通过添加粘结力来等效代替；并且将各档级级配碎石的重量比直接等效为各档级级配碎石的面积比，这在一定程度上和实际情况有所差别，但不影响数值模拟的精度。在步骤(I)中，一般根据给定试件的高度、宽度、初始孔隙率、以及级配碎石颗粒的最大粒径和最小粒径生成级配碎石的二维离散元试件。生成级配碎石的二维离散元试件具体方法为:首先计算需要生成的级配碎石颗粒的颗粒数量；然后按照给定的缩放比例控制系数缩小每个颗粒的粒径，在规定区域内按照缩小后的粒径生成基本颗粒，在基本颗粒生产后再放大该基本颗粒的半径；最后消除内部不平衡力生成二维离散元试件。
所述步骤(2)中的二维离散元试件的接触本构模型一般采用接触刚度模型中的线性刚度接触模型、滑动模型和点连接模型；线性刚度接触模型可以模拟级配碎石的刚度特性，滑动模型可以模拟级配碎石之间的相对运动以及级配碎石之间的嵌挤和摩擦作用，点连接模型可以模拟粒径小于1.18mm的集料在试件中起到的粘结作用。所述微观参数包括级配碎石颗粒的法向刚度和切向刚度，级配碎石颗粒之间的摩擦系数、法向连接强度和切向连接强度。所述步骤(3)中使用二维离散元试件模拟级配碎石动三轴试验时，采用的正线荷载波的周期为ls，其中加载时间为0.ls，卸载时间为0.9s。正线荷载波可以通过计算机程序模拟实现:当程序执行时间小于0.1s时，施加荷载；当程序执行时间大于等于0.1s但小于Is时，卸载。通过伺服控制机制可以将需要施加的轴向正弦载荷波转化为速度施加到墙体上以传递给二维离散元试件，并能够实时对比应力误差并调整墙体速度。有益效果:本发明提供的级配碎石回弹模量数值测定方法，通过离散元数值模拟手段测定级配碎石的回弹模量，极大地节省了试验成本和时间。
具体实施例方式下面结合实例对本发明作更进一步的说明。一种级配碎石回弹模量数值测定方法，包括如下步骤:(I)生成级配碎石的二维离散元试件:根据给定试件的高度、宽度、初始孔隙率、以及级配碎石颗粒的最大粒径和最小粒径生成级配碎石的二维离散元试件。生成级配碎石的二维离散元试件具体方法为:首先计算需要生成的级配碎石颗粒的颗粒数量；然后按照给定的缩放比例控制系数缩小每个颗粒的粒径，在规定区域内按照缩小后的粒径生成基本颗粒，在基本颗粒生产后再放大该基本颗粒的半径；最后消除内部不平衡力生成二维离散元试件。考虑到粒径在0.075 1.18mm范围内的级配碎石颗粒在试件成型时主要起到粘结作用，因此在步骤(I )，可以仅生成粒径大于等于1.18mm的级配碎石颗粒，对于粒径小于1.18mm的级配碎石颗粒不予生成而是通过添加粘结力来等效代替；并且将各档级级配碎石的重量比直接等效为各档级级配碎石的面积比，这在一定程度上和实际情况有所差别，但不影响数值模拟的精度。(2)选择二维离散元试件的接触本构模型和微观参数的初始值:所述二维离散元试件的接触本构模型包括线性刚度接触模型、滑动模型和点连接模型，所述二维离散元试件的微观参数包括级配碎石颗粒的法向刚度和切向刚度，级配碎石颗粒之间的摩擦系数、法向连接强度和切向连接强度。(3)使用二维离散元试件模拟级配碎石动三轴试验并提取试验结果；可以采用二维离散元试件模拟级配碎石动三轴试验中的轴向应力一应变曲线(也可以为其他类似试验结果)作为试验结果。具体过程为:通过调整二维离散元试件侧面的墙体的速度对二维离散元试件施加恒定的围压，而墙体的速度来自于伺服控制机制；通过计算机程序模拟，可以提供周期为Is (加载时间为0.ls，卸载时间为0.9s)的正弦荷载波，当程序执行时间小于0.1s时，施加荷载；当程序执行时间大于等于0.1s但小于Is时，卸载；通过伺服控制机制能够轴向正弦载荷波转化成速度施加到墙体上以传递给二维离散元试件，并能够实时对比应力误差并调整墙体速度。在加载过程中，记录轴向应力一应变曲线。(4)对比级配碎石动三轴试验的模拟结果和级配碎石动三轴试验的一组试验结果，若模拟结果和试验结果在吻合范围内，则采取该组微观参数，进入步骤(5);若模拟结果和试验结果在吻合范围外，则调整微观参数，重复步骤(3) (4)，至模拟结果和试验结果在吻合范围内:该步骤属于对微观参数的修正过程，一般要求模拟结果和试验结果大致吻合即可。(5)根据动三轴试验结构计算回弹模量:按照下述公式计算回弹模量:M r = ~—其中，O d为重复偏应力(竖向重复应力与侧向应力之差)，S1为试件的回弹应变(首个加载周期的最大应变减去卸载后的残余应变)。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.级配碎石回弹模量数值测定方法，其特征在于:包括如下步骤: (1)生成级配碎石的二维离散元试件； (2)选择二维离散元试件的接触本构模型和微观参数的初始值； (3)使用二维离散元试件模拟级配碎石动三轴试验并提取试验结果； (4)对比级配碎石动三轴试验的模拟结果和级配碎石动三轴试验的一组试验结果，若模拟结果和试验结果在吻合范围内，则采取该组微观参数，进入步骤(5);若模拟结果和试验结果在吻合范围外，则调整微观参数，重复步骤(3) (4)，至模拟结果和试验结果在吻合范围内； (5)根据级配碎石动三轴试验结果计算回弹模量。
2.根据权利要求1所述的级配碎石回弹模量数值测定方法，其特征在于:所述步骤(I)的二维离散元试件，仅包括粒径大于等于1.18mm的级配碎石颗粒，粒径小于1.18mm的级配碎石颗粒采用粘结力等效替代。
3.根据权利要求1所述的级配碎石回弹模量数值测定方法，其特征在于:所述步骤(2)中的二维离散元试件的接触本构模型包括线性刚度接触模型、滑动模型和点连接模型。
4.根据权利要求1所述的级配碎石回弹模量数值测定方法，其特征在于:所述步骤(2)中的微观参数包括级配碎石颗粒的法向刚度和切向刚度，级配碎石颗粒之间的摩擦系数、法向连接强度和切向连接强度。
5.根据权利要求1所述的级配碎石回弹模量数值测定方法，其特征在于:所述步骤(3)中使用二维离散元试件模拟级配碎石动三轴试验时，采用的正线荷载波的周期为ls，其中加载时间为0.ls，卸载时间为0.9s。
6.根据权利要求1所述的级配碎石回弹模量数值测定方法，其特征在于:所述步骤(I)中，根据给定试件的高度、宽度、初始孔隙率、以及级配碎石颗粒的最大粒径和最小粒径生成级配碎石的二维离散元试件。
7.根据权利要求1所述的级配碎石回弹模量数值测定方法，其特征在于:所述步骤(I)中，生成级配碎石的二维离散元试件具体方法为:首先计算需要生成的级配碎石颗粒的颗粒数量；然后按照给定的缩放比例控制系数缩小每个颗粒的粒径，在规定区域内按照缩小后的粒径生成基本颗粒，在基本颗粒生产后再放大该基本颗粒的半径；最后消除内部不平衡力生成二维离散元试件。
全文摘要
本发明公开了一种级配碎石回弹模量数值测定方法，包括如下步骤(1)生成级配碎石的二维离散元试件；(2)选择二维离散元试件的接触本构模型和微观参数的初始值；(3)使用二维离散元试件模拟级配碎石动三轴试验并提取试验结果；(4)对比级配碎石动三轴试验的模拟结果和级配碎石动三轴试验的一组试验结果，修正微观参数；(5)根据级配碎石动三轴试验结结果算回弹模量。本发明提供的级配碎石回弹模量数值测定方法，通过离散元数值模拟手段测定级配碎石的回弹模量，极大地节省了试验成本和时间。
文档编号G01N3/32GK103163033SQ20131010896
公开日2013年6月19日 申请日期2013年3月29日 优先权日2013年3月29日
发明者黄晓明, 张东 申请人:东南大学