專利名稱：一種混合輕量土最優(yōu)化配合比的確定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及混合輕量土最優(yōu)配合比的確定方法，適用于道路加寬、道路填土、橋臺(tái)背填土、地下工程和管線等工程中采用混合輕量土作為回填料的優(yōu)化配合比的確定。屬于土建技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
混合輕量土是由原料土、固化劑、水、輕質(zhì)材料等按一定比例組成，其強(qiáng)度及密度均可調(diào)節(jié)。對(duì)于不同的工程其需求的混合輕量土的強(qiáng)度及密度也不同，如要求強(qiáng)度過高會(huì)使固化劑添加量過多，易造成密度過大，經(jīng)濟(jì)性差，不能滿足輕質(zhì)的要求。若要求密度過小，會(huì)使輕質(zhì)材料的添加量過多，易造成強(qiáng)度過低，同樣也不能滿足工程安全的要求。目前采用的混輕量土的強(qiáng)度及密度確定方法，是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，沒有統(tǒng)一的依據(jù)，結(jié)果也很不可靠且成本高。因此，如何針對(duì)不同工程快速準(zhǔn)確地確定輕量土的所需要的強(qiáng)度及密度，從而得到混合輕量土優(yōu)化配合比，使輕量土的配合比能滿足工程要求是當(dāng)前工程界急待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有方法實(shí)施成本高、隨意性強(qiáng)、結(jié)果不可靠或不能體現(xiàn)特殊性的缺點(diǎn)，提供原理明確，可操作性強(qiáng)，成本低廉，使用效果好、便于針對(duì)不同工程中的混合輕量土最優(yōu)配比的確定方法。
為達(dá)到發(fā)明目的本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種混合輕量土優(yōu)化配合比的確定方法，所述的方法為首先根據(jù)混合輕量土面層荷載得到混合輕量土需要達(dá)到的強(qiáng)度；再由輕量土下臥層的承載力、輕量土厚度、路基路面、交能荷載作用于輕量土表面荷載擴(kuò)散的應(yīng)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(qiáng)度及密度，進(jìn)行正交試驗(yàn)即得混合輕量土優(yōu)化配合比。
進(jìn)一步，所述的混合輕量土優(yōu)化配合比的確定方法，包括以下順序步驟(1)首先根據(jù)工程設(shè)計(jì)情況確定作用于混合輕量土表面所有荷載(下述強(qiáng)度中的公式1)，按所述的所有荷載進(jìn)行應(yīng)力擴(kuò)散(下述強(qiáng)度中的公式2)分析，求得施加在混合輕量土面層荷載，根據(jù)得到的混合輕量土面層荷載，按照以分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法得到混合輕量土需要達(dá)到的強(qiáng)度；(2)由輕量土下臥層的工程地質(zhì)性質(zhì)確定輕量土下臥層所能達(dá)到的承載力，根據(jù)所述下臥層的承載力、輕量土厚度、路基及面層、交通荷載作用于輕量土表面荷載的擴(kuò)散應(yīng)力-，按照分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法求得混合輕量土需要滿足的密度，按照后面的步驟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(qiáng)度及密度，根據(jù)正交試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析就可得到最優(yōu)的配合比。
具體的作為回填料的混合輕量土的強(qiáng)度確定方法，所述方法如下(1)根據(jù)公式1σ1=Σi=inγi·hi]]>計(jì)算恒荷載作用于混合輕量土筑體上的豎向擴(kuò)散應(yīng)力；式1中σ1為路基及路面作用于輕量土面層的擴(kuò)散應(yīng)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(shè)計(jì)規(guī)范JTG D30-2004、公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范JTG D40-2002、《工路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》JTG B01-2003)hi為路基及路面各層材料的層厚，單位m；(2)根據(jù)公式2σ2＝[P·(1+ξ)]/[(B+2·z·tanθ)(L+2·z·tanθ)]計(jì)算作用于混合輕量土筑體上面的交通荷載的豎向擴(kuò)散應(yīng)力；式2中σ2為交通荷載作用于輕量土面層的擴(kuò)散應(yīng)力，單位kN/m2；P為車輪荷載，單位kN；ξ為沖擊系數(shù)(ξ＝0.1~0.5)；B為后車輪輪帶寬，單位m；L為后車輪接觸地長(zhǎng)度，單位m；以上幾個(gè)因素根據(jù)《工路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》JTG B01-2003確定，取標(biāo)準(zhǔn)值；θ為荷載的應(yīng)力擴(kuò)散角(取值范圍見表1)；z為路基及路面各層的層厚之和，單位m；(3)根據(jù)公式3Qu＝σ1·λ1+σ2·λ2，按照分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)的極限狀態(tài)計(jì)算得到混合輕量土需要達(dá)到的強(qiáng)度；式3中σ1為路基及路面作用于輕量土面層的擴(kuò)散應(yīng)力，單位kN/m2；σ2為交通荷載作用于輕量土面層的擴(kuò)散應(yīng)力，單位kN/m2；λ1為路基及路面作用于輕量土面層的分項(xiàng)抗力系數(shù)(取值范圍見表2)；λ2為交通荷載作用于輕量土面層的分項(xiàng)抗力系數(shù)(取值范圍見表2)；Qu即為所述混合輕量土所要達(dá)到的強(qiáng)度值，單位kN/m2。
表1荷載的應(yīng)力擴(kuò)散角θ的取值
注對(duì)于混凝土路面，應(yīng)力擴(kuò)散角θ＝45°。
表2分項(xiàng)抗力系數(shù)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(jù)公式1σ1=Σi=inγi·hi]]>計(jì)算恒荷載作用于混合輕量土筑體上的豎向擴(kuò)散應(yīng)力；公式1中，σ1為路基及路面作用于輕量土面層的擴(kuò)散應(yīng)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(shè)計(jì)規(guī)范JTG D30-2004、公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范JTG D40-2002、《工路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》JTG B01-2003)hi為路基及路面各層材料的層厚，單位m；(2)根據(jù)公式4σ2＝γ輕量土·h輕量土計(jì)算輕量土填土材料作用于下臥層上的豎向擴(kuò)散應(yīng)力；公式4中，σ2為輕量土作用于下臥層上的擴(kuò)散應(yīng)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(jù)公式5σ3＝[P·(1+ξ)]/[(B+2·z·tanθ)(L+2·z·tanθ)]計(jì)算作用于混合輕量土筑體上面的交通荷載的豎向擴(kuò)散應(yīng)力；公式5中，σ3為交通荷載作用于輕量土面層的擴(kuò)散應(yīng)力，單位kN/m2；P為車輪荷載，單位kN；ξ為沖擊系數(shù)(ξ＝0.1~0.5)；B為后車輪輪帶寬，單位m；L為后車輪接觸地長(zhǎng)度，單位m；(車輪荷載、沖擊系數(shù)、后車輪輪帶寬和后車輪接觸地長(zhǎng)度，可根據(jù)《工路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》JTG B01-2003確定，取標(biāo)準(zhǔn)值)θ為荷載的應(yīng)力擴(kuò)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(yīng)力擴(kuò)散角θ的取值
注對(duì)于混凝土路面，應(yīng)力擴(kuò)散角θ＝45°。
(4)由輕量土下臥層的工程地質(zhì)性質(zhì)及該土層所在深度，根據(jù)公式6f＝fa+ηb·γ·(b-3)+ηd·γ0·(d-0.5)計(jì)算輕量土下臥層所能達(dá)到的承載力；公式6中，f為輕量土下臥層地基承載力設(shè)計(jì)值，單位kN/m2；fa為輕量土下臥層地基承載力特征值，可查《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》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(dāng)寬度小于3m時(shí)按3m計(jì)，大于6m時(shí)按6m計(jì)；d為路面到輕量土填土底面的深度，單位m；ηb，ηd為相應(yīng)于基礎(chǔ)寬度和埋置深度的承載力修正系數(shù)，可查《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》選取；(5)根據(jù)公式7
按照分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)的極限狀態(tài)計(jì)算得到混合輕量土需要滿足的密度值；公式7中，σ1為路基及路面作用于輕量土面層的擴(kuò)散應(yīng)力，單位kN/m2；σ3為交通荷載作用于輕量土面層的擴(kuò)散應(yīng)力，單位kN/m2；
λ1為路基及路面等荷載作用于下臥層面層的分項(xiàng)抗力系數(shù)(見表2)；λ2為輕量土填土荷載作用于下臥層面層的分項(xiàng)抗力系數(shù)(見表2)；λ3為交通荷載作用于下臥層面層的分項(xiàng)抗力系數(shù)(見表2)；ρ輕量土為混合輕量土所要達(dá)到的密度值。
表2分項(xiàng)抗力系數(shù)的取值
本發(fā)明的有益效果主要體現(xiàn)在混合輕量土需應(yīng)達(dá)到的強(qiáng)度及密度要求的確定方法原理明確，從而根據(jù)正交試驗(yàn)得到的最優(yōu)的配合比可操作性強(qiáng)，成本低廉，使用效果好，具有較大的實(shí)施價(jià)值和社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于此實(shí)施例1
高等級(jí)公路為了減輕填土自重采用混合輕量土作為回填料，填土高度為5m。根據(jù)路面及路基設(shè)計(jì)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(hù)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(wěn)定碎石層厚70cm，r1＝23kN/m3)及鋼筋混凝土板保護(hù)層(板厚20cm，r1＝25kN/m3)產(chǎn)生的自重應(yīng)力為(根據(jù)步驟(1))σ1=Σi=inγi·hi=24×0.35+23×0.70+25×0.2=29.5kN/m2]]>根據(jù)步驟(2)可得到交通荷載作用于輕量土面層的擴(kuò)散應(yīng)力 =56.60kN/m2]]>根據(jù)步驟(3)取相應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)λ1＝3；λ2＝2，可得到混合輕量土的需求強(qiáng)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，承載力的特征值為152kN/m2。
輕量土表面由混凝土路面(厚35cm，r1＝24kN/m3)，基層(水泥穩(wěn)定碎石層厚70cm，r1＝23kN/m3)及鋼筋混凝土板保護(hù)層(板厚20cm，r1＝25kN/m3)產(chǎn)生的自重應(yīng)力為σ1=Σi=inγi·hi=24×0.35+23×0.70+25×0.2=29.5kN/m2]]>交通荷載作用于輕量土面層的擴(kuò)散應(yīng)力為 =1.99kN/m2]]>根據(jù)下臥層的工程地質(zhì)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(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)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(yàn)因素和水平設(shè)置表(以砂為1500g為基準(zhǔn))
根據(jù)正交試驗(yàn)表進(jìn)行強(qiáng)度及密度的試驗(yàn)，分別得到相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果，如下表所示
注綜合指標(biāo)
按上述最優(yōu)配合比進(jìn)行了強(qiáng)度及密度試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明實(shí)測(cè)的輕量土強(qiáng)度為186kPa，按配合比確定的強(qiáng)度計(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差為7.6％，能夠滿足工程需求的強(qiáng)度要求。實(shí)測(cè)輕量土的密度為1.07kg/m3，按配合比確定的密度實(shí)測(cè)值與試驗(yàn)值的誤差為1.8％，能夠滿足工程需求的密度要求。
權(quán)利要求
1.一種混合輕量土最優(yōu)化配合比的確定方法，其特征在于所述的方法為首先根據(jù)混合輕量土面層荷載得到混合輕量土需要達(dá)到的強(qiáng)度；再由輕量土下臥層的承載力、輕量土厚度、路基路面、交能荷載作用于輕量土表面荷載擴(kuò)散的應(yīng)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(qiáng)度及密度，進(jìn)行正交試驗(yàn)即得混合輕量土優(yōu)化配合比。
2.如權(quán)利要求1所述的混合輕量土最優(yōu)化配合比的確定方法，包括以下順序步驟(A)首先根據(jù)工程設(shè)計(jì)情況確定作用于混合輕量土表面所有荷載公式1，按所述的所有荷載進(jìn)行應(yīng)力擴(kuò)散公式2分析，求得應(yīng)施加在混合輕量土面層荷載，根據(jù)得到的混合輕量土面層荷載，按照以概率論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法或按照分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法得到混合輕量土需要達(dá)到的強(qiáng)度公式3；(1)根據(jù)公式1σ1=Σi=inγi·hi]]>計(jì)算恒荷載作用于混合輕量土筑體上的豎向擴(kuò)散應(yīng)力；式1中σ1為路基及路面作用于輕量土面層的擴(kuò)散應(yīng)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(shè)計(jì)規(guī)范JTG D30-2004、公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范JTG D40-2002、《工路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》JTG B01-2003)hi為路基及路面各層材料的層厚，單位m；(2)根據(jù)公式2σ2＝[P·(1+ξ)]/[(B+2·z·tanθ)(L+2·z·tanθ)]計(jì)算作用于混合輕量土筑體上面的交通荷載的豎向擴(kuò)散應(yīng)力；式2中σ2為交通荷載作用于輕量土面層的擴(kuò)散應(yīng)力，單位kN/m2；P為車輪荷載，單位kN；ξ為沖擊系數(shù)(ξ＝0.1~0.5)；B為后車輪輪帶寬，單位m；L為后車輪接觸地長(zhǎng)度，單位m；以上幾個(gè)因素根據(jù)《工路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》JTG B01-2003確定，取標(biāo)準(zhǔn)值；θ為荷載的應(yīng)力擴(kuò)散角(取值范圍見表1)；z為路基及路面各層的層厚之和，單位m；(3)根據(jù)公式3Qu＝σ1·λ1+σ2·λ2，按照分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)的極限狀態(tài)計(jì)算得到混合輕量土需要達(dá)到的強(qiáng)度；式3中σ1為路基及路面作用于輕量土面層的擴(kuò)散應(yīng)力，單位kN/m2；σ2為交通荷載作用于輕量土面層的擴(kuò)散應(yīng)力，單位kN/m2；λ1為路基及路面作用于輕量土面層的分項(xiàng)抗力系數(shù)(B)由輕量土下臥層的工程地質(zhì)性質(zhì)確定輕量土下臥層所能達(dá)到的承載力，根據(jù)所述下臥層的承載力、輕量土厚度、路基及面層、交通荷載作用于輕量土表面荷載的擴(kuò)散應(yīng)力-，按照分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)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(jù)公式1σ1=Σi=inγi·hi]]>計(jì)算恒荷載作用于混合輕量土筑體上的豎向擴(kuò)散應(yīng)力；公式1中，σ1為路基及路面作用于輕量土面層的擴(kuò)散應(yīng)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(shè)計(jì)規(guī)范JTG D30-2004、公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范JTG D40-2002、《工路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》JTG B01-2003)hi為路基及路面各層材料的層厚，單位m；(2)根據(jù)公式4σ2＝γ輕量土·h輕量土計(jì)算輕量土填土材料作用于下臥層上的豎向擴(kuò)散應(yīng)力；公式4中，σ2為輕量土作用于下臥層上的擴(kuò)散應(yīng)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(jù)公式5σ3＝[P·(1+ξ)]/[(B+2·z·tanθ)(L+2·z·tanθ)]計(jì)算作用于混合輕量土筑體上面的交通荷載的豎向擴(kuò)散應(yīng)力；公式5中，σ3為交通荷載作用于輕量土面層的擴(kuò)散應(yīng)力，單位kN/m2；P為車輪荷載，單位kN；ξ為沖擊系數(shù)(ξ＝0.1~0.5)；B為后車輪輪帶寬，單位m；L為后車輪接觸地長(zhǎng)度，單位m；(車輪荷載、沖擊系數(shù)、后車輪輪帶寬和后車輪接觸地長(zhǎng)度，可根據(jù)《工路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》JTGB01-2003確定，取標(biāo)準(zhǔn)值)θ為荷載的應(yīng)力擴(kuò)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(zhì)性質(zhì)及該土層所在深度，根據(jù)公式6f＝fa+ηb·γ·(b-3)+ηd·γ0·(d-0.5)計(jì)算輕量土下臥層所能達(dá)到的承載力；公式6中，f為輕量土下臥層地基承載力設(shè)計(jì)值，單位kN/m2；fa為輕量土下臥層地基承載力特征值，可查《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》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(dāng)寬度小于3m時(shí)按3m計(jì)，大于6m時(shí)按6m計(jì)；d為路面到輕量土填土底面的深度，單位m；ηb，ηd為相應(yīng)于基礎(chǔ)寬度和埋置深度的承載力修正系數(shù)，可查《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》選?。?5)根據(jù)公式7 按照分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)的極限狀態(tài)計(jì)算得到混合輕量土需要滿足的密度值；公式7中，σ1為路基及路面作用于輕量土面層的擴(kuò)散應(yīng)力，單位kN/m2；σ3為交通荷載作用于輕量土面層的擴(kuò)散應(yīng)力，單位kN/m2；λ1為路基及路面等荷載作用于下臥層面層的分項(xiàng)抗力系數(shù)(見表2)；λ2為輕量土填土荷載作用于下臥層面層的分項(xiàng)抗力系數(shù)(見表2)；λ3為交通荷載作用于下臥層面層的分項(xiàng)抗力系數(shù)(見表2)；ρ輕量土為混合輕量土所要達(dá)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(qiáng)度及密度，根據(jù)正交試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析就可得到最優(yōu)的配合比。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種混合輕量土最優(yōu)化配合比的確定方法，所述的方法為首先根據(jù)混合輕量土面層荷載得到混合輕量土需要達(dá)到的強(qiáng)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(kuò)散應(yīng)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(qiáng)度及密度，進(jìn)行正交試驗(yàn)即得混合輕量土優(yōu)化配合比。本發(fā)明可操作性強(qiáng)，成本低廉，使用效果好、便于針對(duì)不同工程中的混合輕量土的強(qiáng)度及密度確定方法，具有較大的實(shí)施價(jià)值和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)B28C3/00GK101049718SQ200710068409
公開日2007年10月10日 申請(qǐng)日期2007年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月30日
發(fā)明者杜時(shí)貴, 羅戰(zhàn)友, 蔣學(xué) 申請(qǐng)人:浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院