专利名称：一种混合轻量土最优化配合比的确定方法
技术领域：
本发明涉及混合轻量土最优配合比的确定方法，适用于道路加宽、道路填土、桥台背填土、地下工程和管线等工程中采用混合轻量土作为回填料的优化配合比的确定。属于土建技术领域。
背景技术：
混合轻量土是由原料土、固化剂、水、轻质材料等按一定比例组成，其强度及密度均可调节。对于不同的工程其需求的混合轻量土的强度及密度也不同，如要求强度过高会使固化剂添加量过多，易造成密度过大，经济性差，不能满足轻质的要求。若要求密度过小，会使轻质材料的添加量过多，易造成强度过低，同样也不能满足工程安全的要求。目前采用的混轻量土的强度及密度确定方法，是根据经验确定，没有统一的依据，结果也很不可靠且成本高。因此，如何针对不同工程快速准确地确定轻量土的所需要的强度及密度，从而得到混合轻量土优化配合比，使轻量土的配合比能满足工程要求是当前工程界急待解决的问题。
发明内容本发明的目的是解决现有方法实施成本高、随意性强、结果不可靠或不能体现特殊性的缺点，提供原理明确，可操作性强，成本低廉，使用效果好、便于针对不同工程中的混合轻量土最优配比的确定方法。
为达到发明目的本发明采用的技术方案是一种混合轻量土优化配合比的确定方法，所述的方法为首先根据混合轻量土面层荷载得到混合轻量土需要达到的强度；再由轻量土下卧层的承载力、轻量土厚度、路基路面、交能荷载作用于轻量土表面荷载扩散的应力求得混合轻量土需要满足的密度；按轻量土需要满足的强度及密度，进行正交试验即得混合轻量土优化配合比。
进一步，所述的混合轻量土优化配合比的确定方法，包括以下顺序步骤(1)首先根据工程设计情况确定作用于混合轻量土表面所有荷载(下述强度中的公式1)，按所述的所有荷载进行应力扩散(下述强度中的公式2)分析，求得施加在混合轻量土面层荷载，根据得到的混合轻量土面层荷载，按照以分项系数表达的极限状态设计方法得到混合轻量土需要达到的强度；(2)由轻量土下卧层的工程地质性质确定轻量土下卧层所能达到的承载力，根据所述下卧层的承载力、轻量土厚度、路基及面层、交通荷载作用于轻量土表面荷载的扩散应力-，按照分项系数表达的极限状态设计方法求得混合轻量土需要满足的密度，按照后面的步骤4-8公式得到所需要的密度；(3)由第(1)步及第(2)步得到的轻量土需要满足的强度及密度，根据正交试验的结果进行分析就可得到最优的配合比。
具体的作为回填料的混合轻量土的强度确定方法，所述方法如下(1)根据公式1σ1=Σi=inγi·hi]]>计算恒荷载作用于混合轻量土筑体上的竖向扩散应力；式1中σ1为路基及路面作用于轻量土面层的扩散应力，单位kN/m2；γi为路基及路面各层材料的重度，单位kN/m3；(材料的重度取值参见公路路基设计规范JTG D30-2004、公路水泥混凝土路面设计规范JTG D40-2002、《工路工程技术标准》JTG B01-2003)hi为路基及路面各层材料的层厚，单位m；(2)根据公式2σ2＝[P·(1+ξ)]/[(B+2·z·tanθ)(L+2·z·tanθ)]计算作用于混合轻量土筑体上面的交通荷载的竖向扩散应力；式2中σ2为交通荷载作用于轻量土面层的扩散应力，单位kN/m2；P为车轮荷载，单位kN；ξ为冲击系数(ξ＝0.1~0.5)；B为后车轮轮带宽，单位m；L为后车轮接触地长度，单位m；以上几个因素根据《工路工程技术标准》JTG B01-2003确定，取标准值；θ为荷载的应力扩散角(取值范围见表1)；z为路基及路面各层的层厚之和，单位m；(3)根据公式3Qu＝σ1·λ1+σ2·λ2，按照分项系数表达的极限状态计算得到混合轻量土需要达到的强度；式3中σ1为路基及路面作用于轻量土面层的扩散应力，单位kN/m2；σ2为交通荷载作用于轻量土面层的扩散应力，单位kN/m2；λ1为路基及路面作用于轻量土面层的分项抗力系数(取值范围见表2)；λ2为交通荷载作用于轻量土面层的分项抗力系数(取值范围见表2)；Qu即为所述混合轻量土所要达到的强度值，单位kN/m2。
表1荷载的应力扩散角θ的取值
注对于混凝土路面，应力扩散角θ＝45°。
表2分项抗力系数的取值
推荐的作为回填料的混合轻量土的密度确定方法，所述方法如下(1)根据公式1σ1=Σi=inγi·hi]]>计算恒荷载作用于混合轻量土筑体上的竖向扩散应力；公式1中，σ1为路基及路面作用于轻量土面层的扩散应力，单位kN/m2；γi为路基及路面各层材料的重度，单位kN/m3；(材料的重度取值参见公路路基设计规范JTG D30-2004、公路水泥混凝土路面设计规范JTG D40-2002、《工路工程技术标准》JTG B01-2003)hi为路基及路面各层材料的层厚，单位m；(2)根据公式4σ2＝γ轻量土·h轻量土计算轻量土填土材料作用于下卧层上的竖向扩散应力；公式4中，σ2为轻量土作用于下卧层上的扩散应力，单位kN/m2；γ轻量土为轻量土填土材料的重度，单位kN/m3；h轻量土为轻量土填土材料的层厚，单位m；(3)根据公式5σ3＝[P·(1+ξ)]/[(B+2·z·tanθ)(L+2·z·tanθ)]计算作用于混合轻量土筑体上面的交通荷载的竖向扩散应力；公式5中，σ3为交通荷载作用于轻量土面层的扩散应力，单位kN/m2；P为车轮荷载，单位kN；ξ为冲击系数(ξ＝0.1~0.5)；B为后车轮轮带宽，单位m；L为后车轮接触地长度，单位m；(车轮荷载、冲击系数、后车轮轮带宽和后车轮接触地长度，可根据《工路工程技术标准》JTG B01-2003确定，取标准值)θ为荷载的应力扩散角(见表1)；z为路基及路面各层的层厚之和，单位m；表1荷载的应力扩散角θ的取值
注对于混凝土路面，应力扩散角θ＝45°。
(4)由轻量土下卧层的工程地质性质及该土层所在深度，根据公式6f＝fa+ηb·γ·(b-3)+ηd·γ0·(d-0.5)计算轻量土下卧层所能达到的承载力；公式6中，f为轻量土下卧层地基承载力设计值，单位kN/m2；fa为轻量土下卧层地基承载力特征值，可查《建筑地基基础设计规范》选取，单位kN/m2；γ为轻量土下卧层的天然容重，地下水位以下用浮容重，单位kN/m2；b为轻量土填土宽度，单位m；当宽度小于3m时按3m计，大于6m时按6m计；d为路面到轻量土填土底面的深度，单位m；ηb，ηd为相应于基础宽度和埋置深度的承载力修正系数，可查《建筑地基基础设计规范》选取；(5)根据公式7
按照分项系数表达的极限状态计算得到混合轻量土需要满足的密度值；公式7中，σ1为路基及路面作用于轻量土面层的扩散应力，单位kN/m2；σ3为交通荷载作用于轻量土面层的扩散应力，单位kN/m2；
λ1为路基及路面等荷载作用于下卧层面层的分项抗力系数(见表2)；λ2为轻量土填土荷载作用于下卧层面层的分项抗力系数(见表2)；λ3为交通荷载作用于下卧层面层的分项抗力系数(见表2)；ρ轻量土为混合轻量土所要达到的密度值。
表2分项抗力系数的取值
本发明的有益效果主要体现在混合轻量土需应达到的强度及密度要求的确定方法原理明确，从而根据正交试验得到的最优的配合比可操作性强，成本低廉，使用效果好，具有较大的实施价值和社会经济效益。
图1为轻量土表面荷载情况2为轻量土下卧层的荷载情况3为路面活荷载引起的引力图具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此实施例1
高等级公路为了减轻填土自重采用混合轻量土作为回填料，填土高度为5m。根据路面及路基设计情况可知，水泥混凝土路面厚35cm，二灰碎石层70cm，钢筋混凝土保护层厚为20cm，则路基及路面的层厚为z＝1.25m。
轻量土表面由混凝土路面(厚35cm，r1＝24kN/m3)，基层(水泥稳定碎石层厚70cm，r1＝23kN/m3)及钢筋混凝土板保护层(板厚20cm，r1＝25kN/m3)产生的自重应力为(根据步骤(1))σ1=Σi=inγi·hi=24×0.35+23×0.70+25×0.2=29.5kN/m2]]>根据步骤(2)可得到交通荷载作用于轻量土面层的扩散应力 =56.60kN/m2]]>根据步骤(3)取相应的分项系数λ1＝3；λ2＝2，可得到混合轻量土的需求强度为Qu＝σ1·λ1+σ2·λ2＝29.5×3+56.60×2＝171.7kN/m2轻量土下卧层为粘土，重度为17kN/m3，承载力的特征值为152kN/m2。
轻量土表面由混凝土路面(厚35cm，r1＝24kN/m3)，基层(水泥稳定碎石层厚70cm，r1＝23kN/m3)及钢筋混凝土板保护层(板厚20cm，r1＝25kN/m3)产生的自重应力为σ1=Σi=inγi·hi=24×0.35+23×0.70+25×0.2=29.5kN/m2]]>交通荷载作用于轻量土面层的扩散应力为 =1.99kN/m2]]>根据下卧层的工程地质情况取r0＝17kN/m3，ηb＝0；ηd＝1.1得到承载力为f＝fa+ηb·γ·(b-3)+ηd·γ0·(d-0.5)＝152+0.3×17×3+1.3×17×5.5＝273.55kN/m2取相应的分项系数λ1＝3；λ2＝2，可得到混合轻量土的需求密度为
可知满足工程需要的轻量土密度为1.05g/cm3。
正交试验因素和水平设置表(以砂为1500g为基准)
根据正交试验表进行强度及密度的试验，分别得到相应的试验结果，如下表所示
注综合指标
按上述最优配合比进行了强度及密度试验测试，结果表明实测的轻量土强度为186kPa，按配合比确定的强度计算值与试验值的误差为7.6％，能够满足工程需求的强度要求。实测轻量土的密度为1.07kg/m3，按配合比确定的密度实测值与试验值的误差为1.8％，能够满足工程需求的密度要求。
权利要求
1.一种混合轻量土最优化配合比的确定方法，其特征在于所述的方法为首先根据混合轻量土面层荷载得到混合轻量土需要达到的强度；再由轻量土下卧层的承载力、轻量土厚度、路基路面、交能荷载作用于轻量土表面荷载扩散的应力求得混合轻量土需要满足的密度；按轻量土需要满足的强度及密度，进行正交试验即得混合轻量土优化配合比。
2.如权利要求1所述的混合轻量土最优化配合比的确定方法，包括以下顺序步骤(A)首先根据工程设计情况确定作用于混合轻量土表面所有荷载公式1，按所述的所有荷载进行应力扩散公式2分析，求得应施加在混合轻量土面层荷载，根据得到的混合轻量土面层荷载，按照以概率论为基础的极限状态设计方法或按照分项系数表达的极限状态设计方法得到混合轻量土需要达到的强度公式3；(1)根据公式1σ1=Σi=inγi·hi]]>计算恒荷载作用于混合轻量土筑体上的竖向扩散应力；式1中σ1为路基及路面作用于轻量土面层的扩散应力，单位kN/m2；γi为路基及路面各层材料的重度，单位kN/m3；(材料的重度取值参见公路路基设计规范JTG D30-2004、公路水泥混凝土路面设计规范JTG D40-2002、《工路工程技术标准》JTG B01-2003)hi为路基及路面各层材料的层厚，单位m；(2)根据公式2σ2＝[P·(1+ξ)]/[(B+2·z·tanθ)(L+2·z·tanθ)]计算作用于混合轻量土筑体上面的交通荷载的竖向扩散应力；式2中σ2为交通荷载作用于轻量土面层的扩散应力，单位kN/m2；P为车轮荷载，单位kN；ξ为冲击系数(ξ＝0.1~0.5)；B为后车轮轮带宽，单位m；L为后车轮接触地长度，单位m；以上几个因素根据《工路工程技术标准》JTG B01-2003确定，取标准值；θ为荷载的应力扩散角(取值范围见表1)；z为路基及路面各层的层厚之和，单位m；(3)根据公式3Qu＝σ1·λ1+σ2·λ2，按照分项系数表达的极限状态计算得到混合轻量土需要达到的强度；式3中σ1为路基及路面作用于轻量土面层的扩散应力，单位kN/m2；σ2为交通荷载作用于轻量土面层的扩散应力，单位kN/m2；λ1为路基及路面作用于轻量土面层的分项抗力系数(B)由轻量土下卧层的工程地质性质确定轻量土下卧层所能达到的承载力，根据所述下卧层的承载力、轻量土厚度、路基及面层、交通荷载作用于轻量土表面荷载的扩散应力-，按照分项系数表达的极限状态设计方法求得混合轻量土需要满足的密度，按照公式1、公式4～7得到所需要的密度；(1)根据公式1σ1=Σi=inγi·hi]]>计算恒荷载作用于混合轻量土筑体上的竖向扩散应力；公式1中，σ1为路基及路面作用于轻量土面层的扩散应力，单位kN/m2；γi为路基及路面各层材料的重度，单位kN/m3；(材料的重度取值参见公路路基设计规范JTG D30-2004、公路水泥混凝土路面设计规范JTG D40-2002、《工路工程技术标准》JTG B01-2003)hi为路基及路面各层材料的层厚，单位m；(2)根据公式4σ2＝γ轻量土·h轻量土计算轻量土填土材料作用于下卧层上的竖向扩散应力；公式4中，σ2为轻量土作用于下卧层上的扩散应力，单位kN/m2；γ轻量土为轻量土填土材料的重度，单位kN/m3；h轻量土为轻量土填土材料的层厚，单位m；(3)根据公式5σ3＝[P·(1+ξ)]/[(B+2·z·tanθ)(L+2·z·tanθ)]计算作用于混合轻量土筑体上面的交通荷载的竖向扩散应力；公式5中，σ3为交通荷载作用于轻量土面层的扩散应力，单位kN/m2；P为车轮荷载，单位kN；ξ为冲击系数(ξ＝0.1~0.5)；B为后车轮轮带宽，单位m；L为后车轮接触地长度，单位m；(车轮荷载、冲击系数、后车轮轮带宽和后车轮接触地长度，可根据《工路工程技术标准》JTGB01-2003确定，取标准值)θ为荷载的应力扩散角(见表1)；z为路基及路面各层的层厚之和，单位m；(4)由轻量土下卧层的工程地质性质及该土层所在深度，根据公式6f＝fa+ηb·γ·(b-3)+ηd·γ0·(d-0.5)计算轻量土下卧层所能达到的承载力；公式6中，f为轻量土下卧层地基承载力设计值，单位kN/m2；fa为轻量土下卧层地基承载力特征值，可查《建筑地基基础设计规范》选取，单位kN/m2；γ为轻量土下卧层的天然容重，地下水位以下用浮容重，单位kN/m2；b为轻量土填土宽度，单位m；当宽度小于3m时按3m计，大于6m时按6m计；d为路面到轻量土填土底面的深度，单位m；ηb，ηd为相应于基础宽度和埋置深度的承载力修正系数，可查《建筑地基基础设计规范》选取；(5)根据公式7 按照分项系数表达的极限状态计算得到混合轻量土需要满足的密度值；公式7中，σ1为路基及路面作用于轻量土面层的扩散应力，单位kN/m2；σ3为交通荷载作用于轻量土面层的扩散应力，单位kN/m2；λ1为路基及路面等荷载作用于下卧层面层的分项抗力系数(见表2)；λ2为轻量土填土荷载作用于下卧层面层的分项抗力系数(见表2)；λ3为交通荷载作用于下卧层面层的分项抗力系数(见表2)；ρ轻量土为混合轻量土所要达到的密度值。(C)由第(1)步及第(2)步得到的轻量土需要满足的强度及密度，根据正交试验的结果进行分析就可得到最优的配合比。
全文摘要
本发明提供了一种混合轻量土最优化配合比的确定方法，所述的方法为首先根据混合轻量土面层荷载得到混合轻量土需要达到的强度；再由轻量土下卧层的承载力、轻量土厚度及轻量土表面荷载扩散应力求得混合轻量土需要满足的密度；按轻量土需要满足的强度及密度，进行正交试验即得混合轻量土优化配合比。本发明可操作性强，成本低廉，使用效果好、便于针对不同工程中的混合轻量土的强度及密度确定方法，具有较大的实施价值和社会经济效益。
文档编号B28C3/00GK101049718SQ200710068409
公开日2007年10月10日 申请日期2007年4月30日 优先权日2007年4月30日
发明者杜时贵, 罗战友, 蒋学 申请人:浙江建设职业技术学院