一种开裂破坏延迟的软土固化方法与流程

本发明涉及道路材料性能评价及预估，尤其是一种开裂破坏延迟的软土固化方法。

背景技术：

1、近年来，为实现节能减排、保护生态环境，诸多矿山与石料场被逐步关闭，因此，急需寻找和开拓新的筑路材料来源，以缓解目前修建公路宕渣等土石填料来源日益短缺的问题。依托近年针对疏浚淤泥及建筑弃土的固化技术的研究成果与应用经验，采用无机复合材料对建筑弃土的土颗粒表面改性先进技术，越来越多的固化土材料被用于低等级公路及城市道路的基层或底基层的建设中，这对固化土材料的要求将不再局限于强度等方面，在拉伸疲劳荷载作用下的开裂性能变得更加重要。

2、抗疲劳开裂性能直接影响到道路的使用寿命，所以如何高效设计开裂速度慢、开裂程度低的固化土材料变得尤为重要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种开裂破坏延迟的软土固化方法，其通过劈裂强度和抗压回弹模量回归出基于损伤密度理论的疲劳失效点，再根据多目标优化求解出的劈裂强度和抗压回弹模量对软土固化进行指导，不需要进行耗时耗力的疲劳试验的条件下可以快速得到材料的疲劳开裂性能，以实现固化土延迟开裂、提升服役寿命。

2、为此，本发明采用如下的技术方案：一种开裂破坏延迟的软土固化方法，其包括：

3、对多组不同固化剂处理的固化土进行劈裂强度试验、抗压回弹模量试验和间接拉伸疲劳试验，获得相关结果；

4、根据间接拉伸疲劳试验的结果，基于能量-力学法计算固化土材料疲劳开裂过程中的损伤密度；

5、在损伤密度拟合曲线上确定疲劳失效点，找出疲劳失效点对应的失效损伤密度和失效荷载作用次数；

6、对劈裂强度、抗压回弹模量、间接拉伸疲劳试验应力比、失效损伤密度和失效荷载次数五组数据使用随机森林算法进行模型回归；

7、获得回归模型后，根据结构计算中材料实际服役的应力与材料劈裂强度确定固定应力比，以劈裂强度、抗压回弹模量作为变量，对失效损伤密度和失效荷载作用次数进行多目标优化，目标是失效损伤密度尽量小和失效荷载作用次数尽量大，利用罚函数进行优化求解，获得劈裂强度和抗压回弹模量的最优解。

8、本发明对多组固化土进行劈裂强度试验、抗压回弹模量试验获得相关结果；在间接拉伸疲劳测试结果的基础上，通过能量-力学法计算损伤密度，并依据损伤密度得到疲劳失效点，进一步获得失效损伤密度和失效荷载作用次数；通过对上述变量进行回归得到内部关系，并以疲劳失效点的延后为目标进行优化求解，实现根据控制劈裂强度和抗压回弹模量特征获得开裂延迟性能的固化土。

9、本发明在对软土进行固化设计时，在不需要进行耗时耗力的疲劳试验的条件下可以得到材料的疲劳开裂性能，并且可以根据优化求解的结果寻找延迟开裂的固化土材料，这对固化土在道路结构中的应用具有重要意义。

10、进一步地，根据获得的劈裂强度和抗压回弹模量最优解，对软土固化提供指导，从而实现固化土的开裂延迟，表现为失效损伤密度的降低和失效荷载作用次数的增加，延长疲劳寿命。

11、进一步地，所述疲劳失效点由损伤密度曲线获得，在损伤密度曲线上以初始损伤处和损伤达到50％处为特征点，做出两条切线，切线相交处定义为疲劳失效点，其对应的损伤密度即为失效损伤密度，对应的荷载作用次数即为失效荷载作用次数。

12、进一步地，采用随机森林算法对多个目标变量进行预测，通过集成多颗决策树来降低过拟合风险。

13、进一步地，所述多目标优化求解选用罚函数法，在优化过程中，固定自变量应力比的值，降低优化问题的复杂性，并且使用pareto最优解的概念，获取多个非支配解，为软土固化提供多个选择。

14、进一步地，在控制应力的间接拉伸疲劳试验中，宏观裂纹出现在水平拉应力最大的试件中部并沿垂直方向扩展，水平拉应力与竖向荷载之间的关系见式(1)：

15、

16、式中，σh表示试样中部沿竖直方向分布的表观水平拉应力；f为竖向施加荷载；d为试件直径；h为试件厚度；

17、利用连续介质损伤力学中的平衡原理，假设表观构型中的表观力等于真实构型中的真实力，真实构型是指除开裂区外的表观区域，这个平衡原理表示如式(2)：

18、σhsa＝σtst (2)

19、式中，σt为真实水平拉应力；sa为表观面积，即表观水平拉应力作用的区域；st为真实面积，即未开裂的区域；

20、sa和st通过式(3)和式(4)计算：

21、sa＝dh (3)

22、st＝(d-c)h (4)

23、式中，c为试件沿竖直方向的裂纹长度；

24、将式(3)和式(4)代入式(2)，得到表观水平拉应力与真实水平拉应力的关系：

25、

26、由上式可知，当裂纹长度为0时，表观水平拉应力等于真实水平拉应力；当裂纹长度为d时，即试件沿竖直方向完全断开，表观水平拉应力为0；据此，将损伤密度定义为局部裂纹区域内裂纹面积与总面积的比值，计算公式如式(6)所示：

27、

28、式中，ξ为损伤密度。

29、结合式(5)和(6)，真实水平拉应力由式(7)计算：

30、

31、基于griffith断裂理论的应变能平衡原理，建立平衡方程(8)；表观构型中存储的总应变能＝真实构型中存储的总应变能-裂纹扩展释放的应变能+裂纹表面增加的表面能，如下式：

32、

33、式中，er是间接拉伸疲劳试验获得的弹性模量；e0是第一次循环时的弹性模量，即无损弹性模量；v是分析区域的总体积；vr是应变能释放区域的体积；γ是材料的表面能。

34、分析区域的总体积为：

35、v＝dwh (9)

36、式中，w为局部开裂区域的宽度，与间接拉伸试验中夹具压条宽度相同；

37、应变能释放区域的体积为：

38、

39、将式(6)代入式(8)，得到损伤密度的计算式(11)：

40、

41、代入式(9)和式(10)，得到：

42、

43、根据式(7)中真实水平拉应力和表观水平拉应力的关系，再将裂纹长度替换为损伤密度，令w/d＝α，式(12)改写为：

44、

45、将上式简化得到关于损伤密度的三元一次方程：

46、x1ξ3+x2ξ2+x3ξ+x4＝0 (14)

47、其中，系数x1、x2、x3及x4分别为：x1＝2γ，

48、最后，利用excel的规划求解方法，求解等式(14)中的三次方程，以获得任意加载次数下的疲劳损伤密度。

49、本发明具有的有益效果是：

50、本发明在固定应力比的前提下，以劈裂强度和抗压回弹模量为变量，用罚函数对失效损伤密度和失效荷载次数进行优化求解，目标是失效损伤密度尽量小、失效荷载作用次数尽量大，求得变量的最优解，通过设计劈裂强度和抗压回弹模量指标就可以获得抗疲劳开裂性能优异的固化土材料，不再需要耗时耗力的疲劳试验，为延迟固化土开裂提供了快速、有效的指导。

技术特征：

1.一种开裂破坏延迟的软土固化方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的软土固化方法，其特征在于，根据获得的劈裂强度和抗压回弹模量最优解，对软土固化提供指导，从而实现固化土的开裂延迟，表现为失效损伤密度的降低和失效荷载作用次数的增加，延长疲劳寿命。

3.根据权利要求1所述的软土固化方法，其特征在于，所述疲劳失效点由损伤密度曲线获得，在损伤密度曲线上以初始损伤处和损伤达到50％处为特征点，做出两条切线，切线相交处定义为疲劳失效点，其对应的损伤密度即为失效损伤密度，对应的荷载作用次数即为失效荷载作用次数。

4.根据权利要求1所述的软土固化方法，其特征在于，采用随机森林算法对多个目标变量进行预测，通过集成多颗决策树来降低过拟合风险。

5.根据权利要求1所述的软土固化方法，其特征在于，所述多目标优化求解选用罚函数法，在优化过程中，固定自变量应力比的值，降低优化问题的复杂性，并且使用pareto最优解的概念，获取多个非支配解，为软土固化提供多个选择。

6.根据权利要求1所述的软土固化方法，其特征在于，

7.根据权利要求6所述的软土固化方法，其特征在于，结合式(5)和(6)，真实水平拉应力由式(7)计算：

8.根据权利要求7所述的软土固化方法，其特征在于，分析区域的总体积为：

9.根据权利要求8所述的软土固化方法，其特征在于，将式(6)代入式(8)，得到损伤密度的计算式(11)：

10.根据权利要求9所述的软土固化方法，其特征在于，利用excel的规划求解方法，求解等式(14)中的三次方程，以获得任意加载次数下的疲劳损伤密度。

技术总结
本发明公开了一种开裂破坏延迟的软土固化方法。本发明采用的方法为：根据间接拉伸疲劳试验的结果，基于能量‑力学法计算出固化土材料疲劳开裂过程中的损伤密度，并且在损伤密度拟合曲线上确定疲劳失效点，找出疲劳失效点对应的失效损伤密度和失效荷载作用次数；最后对劈裂强度、抗压回弹模量、间接拉伸疲劳试验应力比、失效损伤密度和失效荷载次数使用随机森林进行模型回归，在固定应力比的前提下，以劈裂强度和抗压回弹模量为变量，用罚函数对失效损伤密度和失效荷载次数进行优化求解。本发明在对软土进行固化设计时，在不需要进行耗时耗力的疲劳试验的条件下得到材料的疲劳开裂性能，并且可以根据优化求解的结果寻找延迟开裂的固化土材料。

技术研发人员：王晟旭,刘爽,吴旋,李立林,曹厚堂,周浩,代腾,周晴,占海飞,吕朝锋,罗雪
受保护的技术使用者：浙江交工宏途交通建设有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23