專利名稱：一種級配碎石直剪試驗的數(shù)值方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于交通土建工程領(lǐng)域，涉及一種級配碎石直剪試驗的數(shù)值方法。本發(fā)明 基于PFC2d軟件平臺，可準(zhǔn)確、便捷地再現(xiàn)級配碎石力學(xué)性狀變化的全過程，并揭示級配碎 石抗剪強(qiáng)度規(guī)律。
背景技術(shù)：
級配碎石屬典型道路基層材料，在車輛荷載反復(fù)作用下，主要表現(xiàn)為剪切破壞，因 此，研究直剪作用下級配碎石應(yīng)力 應(yīng)變規(guī)律和破壞機(jī)理，對于優(yōu)化材料設(shè)計、提高級配碎 石性能具有理論意義。室內(nèi)直剪試驗方法的基本原理及步驟如下(1)按最大干密度和最 佳含水量在剪切盒內(nèi)制備試樣；(2)安裝應(yīng)力 應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)；(3)對試樣進(jìn)行剪切試驗； (4)整理試驗結(jié)果得到級配碎石應(yīng)力 應(yīng)變曲線和抗剪強(qiáng)度。申請人:分析上述級配碎石室內(nèi)直剪試驗方法，存在如下缺陷(1)試樣制備過程 繁瑣、儀器設(shè)備操作不便，導(dǎo)致級配碎石研究周期冗長；(2)試驗結(jié)果離散度大，難以準(zhǔn)確 掌握級配碎石抗剪強(qiáng)度規(guī)律；C3)無法深入研究級配碎石的細(xì)觀力學(xué)特征。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種級配碎石直剪試驗的數(shù) 值方法，該方法可準(zhǔn)確、便捷地預(yù)測級配碎石直剪作用下的力學(xué)行為。為實現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案得以實現(xiàn)一種級配碎石直剪試驗的數(shù)值方法，按照以下步驟進(jìn)行1)物理模型的構(gòu)建(1)試樣的模擬①基本參數(shù)的測試測定碎石密度，確定礦料級配及其最大干密度和最佳含水量；②剪切盒的模擬剪切盒由上剪切盒、下剪切盒和擋板組成。⑴上剪切盒的模擬利用PFC2d內(nèi)置命令“wall”生成兩片長度為D的豎直墻體 和一片長度為L的水平墻體組成開口向下的半封閉矩形以模擬上剪切盒；(ii)下剪切盒的 模擬下剪切盒構(gòu)造與上剪切盒相同，但開口向上。上、下模擬剪切盒構(gòu)成一個封閉的矩形 區(qū)域以供顆粒生成；(iii)擋板的模擬利用PFC2d內(nèi)置命令“wall”在上、下模擬剪切盒相 接觸的位置左右對稱的生成兩片一定長度的水平墻體以模擬擋板；③級配碎石的生成根據(jù)碎石密度、壓實度、試樣尺寸、礦料級配和最大干密度計算第i種規(guī)格集料的 二維映射面積Si,見式(1)。利用PFCai內(nèi)置命令“ball”在模擬試模中生成顆粒，并使之符 合第i種規(guī)格集料的粒徑要求。當(dāng)生成顆粒的總面積達(dá)到Si時，停止顆粒生成；
式中P max 最大干密度，g/cm3 ；d:試樣長度，cm;h:試樣高度，cm;K 壓實度，％ ；Pi 第i種規(guī)格集料的分計篩余百分率，％，i為大于0的自然數(shù)；P i 第i種規(guī)格集料的密度，g/cm3, i為大于0的自然數(shù)；按上述方法依次生成各規(guī)格集料顆粒；④模擬試樣的生成同時以速度V豎直推動上、下模擬剪切盒的水平墻體以壓實級配碎石，直至運算 步數(shù)達(dá)到η為止。η按式(2)計算。η =----(2)
Vdt式中n 運算步數(shù)，step ；V 墻體移動速度，cm/s ；dt 時間步長，s/st??；D 上(下)剪切盒高度，cm;h:試樣高度，cm。2)力學(xué)模型①接觸模型的選取采用Hertz模型和滑動模型描述級配碎石的顆粒性結(jié)構(gòu)特征和非線性力學(xué)特性， 其中，Hertz模型通過泊松比ν、剪切模量G定義，滑動模型通過摩擦系數(shù)μ定義；②微力學(xué)參數(shù)的輸入利用PFC2d內(nèi)置命令“prop”賦予級配碎石物理模型以微力學(xué)參數(shù)，包括泊松比V、 剪切模量G、摩擦系數(shù)μ。微力學(xué)參數(shù)可通過級配碎石室內(nèi)直剪試驗結(jié)果反算獲取。3)直剪試驗加載過程的模擬與結(jié)果整理①圍壓的控制通過控制墻體速度以保持墻體應(yīng)力恒定的方法實現(xiàn)圍壓控制。墻體速度計算見式 ⑶；ν = δ ( σ m- σ η)(3)式中ση 目標(biāo)應(yīng)力，KPa ;σ m 當(dāng)前計算時步內(nèi)的墻體應(yīng)力，KPa ；δ 伺服系數(shù)，按式(4)計算s=T^t ⑷
η式中當(dāng)前計算時步內(nèi)上(下)模擬剪切盒水平墻體的顆粒平均接觸強(qiáng)度，
5KPa ；At:累積計算時間，S;N 當(dāng)前計算時步內(nèi)與上(下)模擬剪切盒水平墻體接觸的顆粒個數(shù)；L 上(下)模擬剪切盒水平墻體長度，m。②直剪試驗加載過程的模擬控制圍壓，以恒定的速度水平推動上(下)模擬剪切盒，并記錄每個計算時步內(nèi)上 (下)模擬剪切盒豎直墻體的位移和接觸力；③結(jié)果整理繪制剪應(yīng)力 剪切位移的關(guān)系曲線，其峰值即為級配碎石抗剪強(qiáng)度。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(1)可準(zhǔn)確、便捷地再現(xiàn)直剪試驗過程中級配碎石應(yīng)力 應(yīng)變曲線并預(yù)測抗剪切 強(qiáng)度規(guī)律，有利于深入研究級配碎石剪切性狀和破壞機(jī)理；(2)避免了室內(nèi)試樣制備、儀器設(shè)備操作等繁瑣過程，提高了試驗效率，節(jié)約了研 究成本。


圖1是級配碎石直剪試驗?zāi)M剪切盒的示意圖；圖2是級配碎石直剪試驗集料生成的示意圖；圖3是級配碎石直剪試驗?zāi)M壓實過程的示意圖，從左至右依次是Ost印、 5000st印、IOOOOst印、15000st印；圖4是級配碎石直剪試驗?zāi)M剪切過程的示意圖；圖5是級配碎石直剪試驗的剪應(yīng)力 剪切位移曲線(A級配)；圖6是級配碎石直剪試驗的剪應(yīng)力 剪切位移曲線(B級配)；圖7是級配碎石直剪試驗的剪應(yīng)力 剪切位移曲線(C級配)；圖8是級配碎石直剪試驗數(shù)值模擬結(jié)果與室內(nèi)實測結(jié)果的對比；以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
具體實施例方式按照本發(fā)明的技術(shù)方案，本實施例給出一種級配碎石直剪試驗的數(shù)值方法，以安 康瀛湖石灰?guī)r碎石為例，碎石密度測試結(jié)果見表1，微力學(xué)參數(shù)見表2，集料級配見表3。表1 碎石密度
權(quán)利要求
1. 一種級配碎石直剪試驗的數(shù)值方法，其特征在于，按照以下步驟進(jìn)行 1)物理模型的構(gòu)建 (1)試樣的模擬①基本參數(shù)的測試測定碎石密度，確定礦料級配及其最大干密度和最佳含水量；②剪切盒的模擬剪切盒由上剪切盒、下剪切盒和擋板組成，上、下模擬剪切盒構(gòu)成一個封閉的矩形區(qū)域 以供顆粒生成；(i)上剪切盒的模擬利用PFC2d內(nèi)置命令“wall”生成兩片長度為々的豎直墻體和一片長度為Z的水平墻體 組成開口向下的半封閉矩形以模擬上剪切盒；(ii )下剪切盒的模擬下剪切盒構(gòu)造與上剪切盒相同，但開口向上； (iii)擋板的模擬利用PFC2d內(nèi)置命令“wall”在上、下模擬剪切盒相接觸的位置左右 對稱的生成兩片一定長度的水平墻體以模擬擋板；③級配碎石的生成根據(jù)碎石密度、壓實度、試樣尺寸、礦料級配和最大干密度，以式(1)計算第i種規(guī)格集 料的二維映射面積&；利用PFC2d內(nèi)置命令“ball”在模擬試模中生成顆粒，并使之符合第i種規(guī)格集料的粒 徑要求；當(dāng)生成顆粒的總面積達(dá)到&時，停止顆粒生成；式中最大干密度，g/cm3 ； d 試樣長度，cm ； h 試樣高度，cm ； f 壓實度，％;Pi 第i種規(guī)格集料的分計篩余百分率，％，i為大于0的自然數(shù)； P i 第i種規(guī)格集料的密度，g/cm3, 為大于0的自然數(shù)； 按上述方法依次生成各規(guī)格集料顆粒； ④模擬試樣的生成同時以速度Z豎直推動上、下模擬剪切盒的水平墻體以壓實集料顆粒，直至運算步數(shù) 達(dá)到為止，按下式(2)計算；式中·Μ 運算步數(shù)，step ； K:墻體移動速度，cm/s ； dt 時間步長，s/step ； 々上、下剪切盒高度，cm; h 試樣高度，cm ；2)力學(xué)模型①接觸模型的選取采用Hertz模型和滑動模型描述級配碎石的顆粒性結(jié)構(gòu)特征和非線性力學(xué)特性，其 中，Hertz模型通過泊松比h剪切模量G定義，滑動模型通過摩擦系數(shù)//定義；②微力學(xué)參數(shù)的輸入利用PFC2d內(nèi)置命令“prop”賦予級配碎石物理模型以微力學(xué)參數(shù)，包括泊松比κ、剪 切模量仏摩擦系數(shù)
全文摘要
本發(fā)明公開了一種級配碎石直剪試驗的數(shù)值方法，通過建立物理模型和力學(xué)模型，進(jìn)行級配碎石直剪試驗的模擬，包括基本參數(shù)的測試，剪切盒的模擬，級配碎石模擬試樣的生成；其次，賦予物理模型微力學(xué)參數(shù)，構(gòu)建力學(xué)模型；然后，對級配碎石模擬試樣進(jìn)行加載模擬，得到級配碎石應(yīng)力應(yīng)變曲線，其峰值即為級配碎石抗剪強(qiáng)度。該方法可準(zhǔn)確、便捷地再現(xiàn)直剪試驗過程中級配碎石應(yīng)力～應(yīng)變曲線并預(yù)測抗剪切強(qiáng)度，有利于深入研究級配碎石剪切性狀和破壞機(jī)理。
文檔編號G06F17/50GK102142056SQ20111008839
公開日2011年8月3日 申請日期2011年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月8日
發(fā)明者任皎龍, 劉延金, 徐寅善, 李思超, 李頔, 蔣應(yīng)軍, 馬慶偉 申請人:長安大學(xué)