專利名稱：級配碎石回彈模量數值測定方法
技術領域：
本發明涉及碎石基層力學參數測試技術，尤其涉及一種級配碎石回彈模量數值測定方法。
背景技術：
在巖土工程中最先引用三軸試驗來對問題進行研究分析，并通過試驗結果證明了這一原理的正確性，現在三軸試驗原理已經得到了廣泛的推廣，在許多領域中得到了應用。許多道路工作者把三軸試驗原理引入公路工程中并對其進行了一定的改進，通過研究證明重復加載的動三軸試驗能夠取得更好的效果。在級配碎石的動三軸試驗中，首先保持一個固定的圍壓，然后施加偏應力循環一定次數使得級配碎石達到一定的接觸壓力，然后利用動三軸試驗儀器通過采用不同的圍壓以及偏載來測定級配碎石的回彈模量值。但是，動三軸試驗需要依賴昂貴的儀器設備，試驗成本很高。

發明內容
發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種級配碎石回彈模量數值測定方法，使用離散元方法模擬動三軸試驗，以節省試驗成本和時間。技術方案:為實現上述目的，本發明采用的技術方案為:級配碎石回彈模量數值測定方法，包括如下步驟:( I)生成級配碎石的二維離散元試件；(2)選擇二維離散元試件的接觸本構模型和微觀參數的初始值；(3)使用二維離散元試件模擬級配碎石動三軸試驗并提取試驗結果；(4)對比級配碎石動三軸試驗的模擬結果和級配碎石動三軸試驗的一組試驗結果，若模擬結果和試驗結果在吻合范圍內，則采取該組微觀參數，進入步驟(5);若模擬結果和試驗結果在吻合范圍外，則調整微觀參數，重復步驟(3) (4)，至模擬結果和試驗結果在吻合范圍內；(5)根據級配碎石動三軸試驗結果計算回彈模量。考慮到粒徑在0.075 1.18mm范圍內的級配碎石顆粒在試件成型時主要起到粘結作用，因此在步驟(I)，可以僅生成粒徑大于等于1.18mm的級配碎石顆粒，對于粒徑小于
1.18mm的級配碎石顆粒不予生成而是通過添加粘結力來等效代替；并且將各檔級級配碎石的重量比直接等效為各檔級級配碎石的面積比，這在一定程度上和實際情況有所差別，但不影響數值模擬的精度。在步驟(I)中，一般根據給定試件的高度、寬度、初始孔隙率、以及級配碎石顆粒的最大粒徑和最小粒徑生成級配碎石的二維離散元試件。生成級配碎石的二維離散元試件具體方法為:首先計算需要生成的級配碎石顆粒的顆粒數量；然后按照給定的縮放比例控制系數縮小每個顆粒的粒徑，在規定區域內按照縮小后的粒徑生成基本顆粒，在基本顆粒生產后再放大該基本顆粒的半徑；最后消除內部不平衡力生成二維離散元試件。
所述步驟(2)中的二維離散元試件的接觸本構模型一般采用接觸剛度模型中的線性剛度接觸模型、滑動模型和點連接模型；線性剛度接觸模型可以模擬級配碎石的剛度特性，滑動模型可以模擬級配碎石之間的相對運動以及級配碎石之間的嵌擠和摩擦作用，點連接模型可以模擬粒徑小于1.18mm的集料在試件中起到的粘結作用。所述微觀參數包括級配碎石顆粒的法向剛度和切向剛度，級配碎石顆粒之間的摩擦系數、法向連接強度和切向連接強度。所述步驟(3)中使用二維離散元試件模擬級配碎石動三軸試驗時，采用的正線荷載波的周期為ls，其中加載時間為0.ls，卸載時間為0.9s。正線荷載波可以通過計算機程序模擬實現:當程序執行時間小于0.1s時，施加荷載；當程序執行時間大于等于0.1s但小于Is時，卸載。通過伺服控制機制可以將需要施加的軸向正弦載荷波轉化為速度施加到墻體上以傳遞給二維離散元試件，并能夠實時對比應力誤差并調整墻體速度。有益效果:本發明提供的級配碎石回彈模量數值測定方法，通過離散元數值模擬手段測定級配碎石的回彈模量，極大地節省了試驗成本和時間。
具體實施例方式下面結合實例對本發明作更進一步的說明。一種級配碎石回彈模量數值測定方法，包括如下步驟:(I)生成級配碎石的二維離散元試件:根據給定試件的高度、寬度、初始孔隙率、以及級配碎石顆粒的最大粒徑和最小粒徑生成級配碎石的二維離散元試件。生成級配碎石的二維離散元試件具體方法為:首先計算需要生成的級配碎石顆粒的顆粒數量；然后按照給定的縮放比例控制系數縮小每個顆粒的粒徑，在規定區域內按照縮小后的粒徑生成基本顆粒，在基本顆粒生產后再放大該基本顆粒的半徑；最后消除內部不平衡力生成二維離散元試件。考慮到粒徑在0.075 1.18mm范圍內的級配碎石顆粒在試件成型時主要起到粘結作用，因此在步驟(I )，可以僅生成粒徑大于等于1.18mm的級配碎石顆粒，對于粒徑小于1.18mm的級配碎石顆粒不予生成而是通過添加粘結力來等效代替；并且將各檔級級配碎石的重量比直接等效為各檔級級配碎石的面積比，這在一定程度上和實際情況有所差別，但不影響數值模擬的精度。(2)選擇二維離散元試件的接觸本構模型和微觀參數的初始值:所述二維離散元試件的接觸本構模型包括線性剛度接觸模型、滑動模型和點連接模型，所述二維離散元試件的微觀參數包括級配碎石顆粒的法向剛度和切向剛度，級配碎石顆粒之間的摩擦系數、法向連接強度和切向連接強度。(3)使用二維離散元試件模擬級配碎石動三軸試驗并提取試驗結果；可以采用二維離散元試件模擬級配碎石動三軸試驗中的軸向應力一應變曲線(也可以為其他類似試驗結果)作為試驗結果。具體過程為:通過調整二維離散元試件側面的墻體的速度對二維離散元試件施加恒定的圍壓，而墻體的速度來自于伺服控制機制；通過計算機程序模擬，可以提供周期為Is (加載時間為0.ls，卸載時間為0.9s)的正弦荷載波，當程序執行時間小于0.1s時，施加荷載；當程序執行時間大于等于0.1s但小于Is時，卸載；通過伺服控制機制能夠軸向正弦載荷波轉化成速度施加到墻體上以傳遞給二維離散元試件，并能夠實時對比應力誤差并調整墻體速度。在加載過程中，記錄軸向應力一應變曲線。(4)對比級配碎石動三軸試驗的模擬結果和級配碎石動三軸試驗的一組試驗結果，若模擬結果和試驗結果在吻合范圍內，則采取該組微觀參數，進入步驟(5);若模擬結果和試驗結果在吻合范圍外，則調整微觀參數，重復步驟(3) (4)，至模擬結果和試驗結果在吻合范圍內:該步驟屬于對微觀參數的修正過程，一般要求模擬結果和試驗結果大致吻合即可。(5)根據動三軸試驗結構計算回彈模量:按照下述公式計算回彈模量:M r = ~—其中，O d為重復偏應力(豎向重復應力與側向應力之差)，S1為試件的回彈應變(首個加載周期的最大應變減去卸載后的殘余應變)。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出:對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
權利要求
1.級配碎石回彈模量數值測定方法，其特征在于:包括如下步驟: (1)生成級配碎石的二維離散元試件； (2)選擇二維離散元試件的接觸本構模型和微觀參數的初始值； (3)使用二維離散元試件模擬級配碎石動三軸試驗并提取試驗結果； (4)對比級配碎石動三軸試驗的模擬結果和級配碎石動三軸試驗的一組試驗結果，若模擬結果和試驗結果在吻合范圍內，則采取該組微觀參數，進入步驟(5);若模擬結果和試驗結果在吻合范圍外，則調整微觀參數，重復步驟(3) (4)，至模擬結果和試驗結果在吻合范圍內； (5)根據級配碎石動三軸試驗結果計算回彈模量。
2.根據權利要求1所述的級配碎石回彈模量數值測定方法，其特征在于:所述步驟(I)的二維離散元試件，僅包括粒徑大于等于1.18mm的級配碎石顆粒，粒徑小于1.18mm的級配碎石顆粒采用粘結力等效替代。
3.根據權利要求1所述的級配碎石回彈模量數值測定方法，其特征在于:所述步驟(2)中的二維離散元試件的接觸本構模型包括線性剛度接觸模型、滑動模型和點連接模型。
4.根據權利要求1所述的級配碎石回彈模量數值測定方法，其特征在于:所述步驟(2)中的微觀參數包括級配碎石顆粒的法向剛度和切向剛度，級配碎石顆粒之間的摩擦系數、法向連接強度和切向連接強度。
5.根據權利要求1所述的級配碎石回彈模量數值測定方法，其特征在于:所述步驟(3)中使用二維離散元試件模擬級配碎石動三軸試驗時，采用的正線荷載波的周期為ls，其中加載時間為0.ls，卸載時間為0.9s。
6.根據權利要求1所述的級配碎石回彈模量數值測定方法，其特征在于:所述步驟(I)中，根據給定試件的高度、寬度、初始孔隙率、以及級配碎石顆粒的最大粒徑和最小粒徑生成級配碎石的二維離散元試件。
7.根據權利要求1所述的級配碎石回彈模量數值測定方法，其特征在于:所述步驟(I)中，生成級配碎石的二維離散元試件具體方法為:首先計算需要生成的級配碎石顆粒的顆粒數量；然后按照給定的縮放比例控制系數縮小每個顆粒的粒徑，在規定區域內按照縮小后的粒徑生成基本顆粒，在基本顆粒生產后再放大該基本顆粒的半徑；最后消除內部不平衡力生成二維離散元試件。
全文摘要
本發明公開了一種級配碎石回彈模量數值測定方法，包括如下步驟(1)生成級配碎石的二維離散元試件；(2)選擇二維離散元試件的接觸本構模型和微觀參數的初始值；(3)使用二維離散元試件模擬級配碎石動三軸試驗并提取試驗結果；(4)對比級配碎石動三軸試驗的模擬結果和級配碎石動三軸試驗的一組試驗結果，修正微觀參數；(5)根據級配碎石動三軸試驗結結果算回彈模量。本發明提供的級配碎石回彈模量數值測定方法，通過離散元數值模擬手段測定級配碎石的回彈模量，極大地節省了試驗成本和時間。
文檔編號G01N3/32GK103163033SQ20131010896
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月29日 優先權日2013年3月29日
發明者黃曉明, 張東 申請人:東南大學