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一种混合粗集料密实度的模拟测试方法.pdf

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一种 混合 集料 密实 模拟 测试 方法
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摘要
申请专利号:

CN201410103845.3

申请日:

2014.03.19

公开号:

CN103914592A

公开日:

2014.07.09

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法?#19978;?#24773;: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G06F 17/50申请日:20140319|||公开
IPC分类号: G06F17/50 主分类号: G06F17/50
申请人: 东南大学
发明人: 孙璐; 任皎龙
地址: 211189 江苏省南京市玄武区四牌楼2号
优?#28909;ǎ?/td>
专利代理机构: 南京苏高专利商标事务所(普通合伙) 32204 代理人: 柏尚春
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法律状态
申请(专利)号:

CN201410103845.3

授权公告号:

||||||

法律状态公告日:

2016.10.26|||2014.08.06|||2014.07.09

法律状态类型:

授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

本发明公开了一种混合粗集料密实度的模拟测试方法,通过建立混合粗集料物理模型,进行混合粗集料密实度的模拟测试,包括基本参数的测试,料筒和混合粗集料的模拟生成,赋予物理模型微力学参数,混合料粗集料物理模型振动密实过程的模拟,混合粗集料物理模型密实度的计算。该方法可快速、准确地预测混合粗集料密实度,并可再现混合粗集料密实过程中细观结构特性的变化规律。

权利要求书

权利要求书
1.  一种混合粗集料密实度的模拟测试方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)混合粗集料物理模型的构建
①基本参数的测试:
①A、测定各规格粗集料的表观密度;
①B、测定各规格粗集料的表面不均匀系数:
在第i种规格粗集料中,随机挑选不少于5个粗集料样本,利用游标卡尺测取每个样本的粒径,每个样本的测量结果不少于5个,从中选取最大测量值和最小测量值,按式(I)计算第i种规格粗集料的表面不均匀系数;
ai=Σ1ndsDsn---(I)]]>
式中:ai:第i种规格粗集料的表面不均匀系数,无量纲,i为大于0的?#21248;?#25968;;
n:从第i种规格粗集料中挑选的粗集料样本的数目,无量纲,n为不小于5的?#21248;?#25968;;
Ds:第i种规格粗集料的第s个样本粒径的最大测量值,mm,s为1到n之间的?#21248;?#25968;;
ds:第i种规格粗集料的第s个样本粒径的最小测量值,mm,s为1到n之间的?#21248;?#25968;;
按上述方法依次测定各规格粗集料的表面不均匀系数;
②料筒的模拟:
利用PFC2D内置命令“wall”生成两片长度为H的竖直墙体和一片长度为W的水平墙体组成开口向上的半封闭矩?#25105;?#27169;拟料筒;
③混合粗集料的生成:
③A、根据第i种规格粗集料质量、表观密度和料筒尺寸计算第i种规格粗集料的二 维?#25104;?#38754;积Si,见式(II),利用PFC2D内置命令“ball”在模拟料筒中生成圆颗粒,并使之符合第i种规格粗集料的粒径要求,当生成颗粒的总面积达到Si时,停止颗粒生成,这些圆颗粒即为第i种规格粗集料的母体颗粒,利用PFC2D内置命令“array”存储每个母体颗粒的圆心坐标、半径、编号等基本信息;
Si=4miπρiW---(II)]]>
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W:水平墙体长度,cm;
ρi:第i种规格粗集料的表观密度,g/cm3,i为大于0的?#21248;?#25968;;
③B、利用PFC2D内置命令“b_id”自动地搜索第i种规格粗集料中编号为t的母体颗粒,并根据编号自动地读取该母体颗粒的圆心坐标、半径等基本信息,进而根据第i种规格粗集料的表面不均匀系数,利用PFC2D内置命令“ball”生成四个全等的圆形子颗粒,其半径按式(III)计算,圆心坐标分别按式(IV)~式(VII)计算;利用PFC2D内置命令“clump”将上述四个子颗粒组合为一个整体,构成不规则颗粒,并利用PFC2D内置命令“delete”删除上述编号为t的母体颗粒,从而将第i种规格粗集料中编号为t的母体颗粒转换为相应的不规则颗粒,当第i种规格粗集料的所有母体颗粒粒转换为相应的不规则颗粒后,搜索停止,从而完成第i种规格粗集料的生成,上述过程由PFC2D自动执行,无需人为控制;
rit=πRit23π-4arctan(1-ai2/ai)+4ai1-ai2+4ai2---(III)]]>
x1,it=Xit-airit     (IV)
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y1,it=Yit-airit     (VI)
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其它符号同式(I);
③C、重复步骤③A和步骤③B,依次在模拟料筒中生成各规格粗集料,从而组成混合粗集料物理模型;
(2)微力学参数的输入
利用PFC2D内置命令“prop?#22791;?#20104;混合粗集料物理模型以微力学参数,包括泊松比ν、剪切模量G和摩?#26009;?#25968;μ;
微力学参数可通过粗集料岩性查?#21335;?#20851;岩土工程手册获取;
(3)混合料粗集料物理模型振动密实过程的模拟
①混合料粗集料物理模型振动密实过程的模拟:
利用PFC2D内置命令“wall”生成长度为W的墙体以模拟加载板,并以其对模拟料筒中的混合粗集料进行快速扰动,以实现对混合粗集料物理模型的振动密实;加载板的速度由PFC2D自动地按正弦函数控制,见式(VIII),无需人为设定;
υ=0.06sin314T      (VIII)
式中:υ:加载板在加载时间为T时的速度,m/s;
T:加载时间,s;
②最佳密实状态的判定
在混合粗集料物理模型振动密实的过程中,实时监测混合粗集料物理模型的配位数,建立配位数~振动时间关系曲线,当配位数稳定后,即可判定混合粗集料物理模型达到最佳密实状态;所述的配位数是指颗粒与颗粒间接触点的平均数;配位数越大,接触点越多,密实程度越高,配位数和振动时间由PFC2D自动记录;
(4)混合粗集料物理模型密实度的计算:
以混合粗集料物理模型达到最佳密实状态时的振实密度表征混合粗集料密实度,通过PFC2D自动获取此时两片水平墙体的竖?#26412;?#31163;b,则振实密度?#36873;?#21487;按式(IX)计算;
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b:混合粗集料物理模型达到最佳密实状态时两片水平墙体的竖?#26412;?#31163;,cm;
其它符号同式(II)。

说明书

说明书一种混合粗集料密实度的模拟测试方法
技术领域
本发明属于交通土建工程领域,涉及一种混合粗集料密实度的模拟测试方法,所述的混合粗集料是由多种不同规格粗集料按一定级配混合而成。本发明基于PFC2D软件平台,能够便捷地监测混合粗集料密实过程中细观结构特性的变化规律,并快速、准确地预测混合粗集料密实度,可用于辅助路用材料的配合比优化,以提高材料设计效?#30465;⒔档?#35774;计成本。
背景技术
交通土建工程领域中,路用材料通常由粗集料、细集料和粘结料组成,其中,粗集料含量达50%以上,故粗集料级配对于路用材料力学性能具有重要的影响。粗集料级配通常采用如下过程进行优化:(1)根据工程需求和操作人?#26412;?#39564;,设计多组粗集料级配,并相应地制备混合粗集料;(2)测试各组混合粗集料密实度;(3)以密实度最大为原则确定最佳粗集料级配。该过程的核心内容为混合粗集料密实度的测定,其室内测试方法的基本原理及步骤如下:(1)将总质量已知的多种规格粗集料按某级配混合后,装入料筒组成混合粗集料;(2)通过振动台或插捣棒使料筒内混合粗集料密实;(3)按规范方法测定密实后混合粗集料的密实度(以振实密度或插捣密度表征)。目前,未见有混合粗集料密实度模拟测试方法的报道。
申请人分析上述混合粗集料密实度室内测试方法,存在如下缺陷:(1)粗集料级配设计过程中,需要测定大量混合粗集料的密实度,致使粗集料级配设计过程周期较长,并浪费大量人力、物力;(2)缺乏直观、明确的指标评定混合粗集料是否达到最佳密实状态;(3)难以监测混合粗集料在密实过程中的细观结构特性。
发明内容
发明目的:针对上述现有技术存在的问题,本发明的目的是提供一种混合粗集料密实度的模拟测试方法。该方法可快速、准确地预测混合粗集料密实度。
技术方案:为实现上述目的,本发明通过下述技术方案实现:一种混合粗集料密实度的模拟测试方法,包括以下步骤:
(1)混合粗集料物理模型的构建;
①基本参数的测试:
①A、测定各规格粗集料的表观密度;
①B、测定各规格粗集料的表面不均匀系数:
在第i种规格粗集料中,随机挑选不少于5个粗集料样本,利用游标卡尺测取每个样本的粒径,每个样本的测量结果不少于5个,从中选取最大测量值和最小测量值,按式(I)计算第i种规格粗集料的表面不均匀系数;
ai=Σ1ndsDsn---(I)]]>
式中:ai:第i种规格粗集料的表面不均匀系数,无量纲,i为大于0的?#21248;?#25968;;
n:从第i种规格粗集料中挑选的粗集料样本的数目,无量纲,n为不小于5的?#21248;?#25968;;
Ds:第i种规格粗集料的第s个样本粒径的最大测量值,mm,s为1到n之间的?#21248;?#25968;;
ds:第i种规格粗集料的第s个样本粒径的最小测量值,mm,s为1到n之间的?#21248;?#25968;;
按上述方法依次测定各规格粗集料的表面不均匀系数;
②料筒的模拟:
利用PFC2D内置命令“wall”生成两片长度为H的竖直墙体和一片长度为W的水平墙体组成开口向上的半封闭矩?#25105;?#27169;拟料筒;
③混合粗集料的生成:
③A、根据第i种规格粗集料质量、表观密度和料筒尺寸计算第i种规格粗集料的二维?#25104;?#38754;积Si,见式(II),利用PFC2D内置命令“ball”在模拟料筒中生成圆颗粒,并使之符合第i种规格粗集料的粒径要求,当生成颗粒的总面积达到Si时,停止颗粒生成,这些圆颗粒即为第i种规格粗集料的母体颗粒,利用PFC2D内置命令“array”存储每个母体颗粒的圆心坐标、半径、编号等基本信息;
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W:水平墙体长度,cm;
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③B、利用PFC2D内置命令“b_id”自动地搜索第i种规格粗集料中编号为t的母体颗粒,并根据编号读取该母体颗粒的圆心坐标、半径等基本信息,进而根据第i种规格粗集料的表面不均匀系数,利用PFC2D内置命令“ball”生成四个全等的圆形子颗粒,其半径按式(III)计算,圆心坐标分别按式(IV)~式(VII)计算;利用PFC2D内置命令“clump”将上述四个子颗粒组合为一个整体,构成不规则颗粒,并利用PFC2D内置命令“delete”删除上述编号为t的母体颗粒,从而将第i种规格粗集料中编号为t的母体颗粒转换为相应的不规则颗粒。当第i种规格粗集料的所有母体颗粒粒转换为相应的不规则颗粒后,搜索停止,从而完成第i种规格粗集料的生成。上述过程由PFC2D自动执行,无需人为控制。
rit=πRit23π-4arctan(1-ai2/ai)+4ai1-ai2+4ai2---(III)]]>
x1,it=Xit-airit      (IV)
x2,it=Xit+airit      (V)
y1,it=Yit-airit     (VI)
y2,it=Yit+airit      (VII)
式中:Rit:第i种规格粗集料中编号为t的母体颗粒的半径,cm,i、t为大于0的?#21248;?#25968;;
rit:根据第i种规格粗集料中编号为t的母体颗粒的基本信息生成的四个子颗粒的半径,cm,i、t为大于0的?#21248;?#25968;;
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Yit:第i种规格粗集料中编号为t的母体颗粒的圆心的y轴坐标值,cm,i、t为大于0的?#21248;?#25968;;
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x2,it:根据第i种规格粗集料中编号为t的母体颗粒的基本信息生成的四个子颗粒?#26800;?#20108;个子颗粒和第三个子颗粒的圆心的x轴坐标值,cm,i、t为大于0的?#21248;?#25968;;
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y2,it:根据第i种规格粗集料中编号为t的母体颗粒的基本信息生成的四个子颗粒?#26800;?#19977;个子颗粒和第四个子颗粒的圆心的y轴坐标值,cm,i、t为大于0的?#21248;?#25968;;
其它符号同式(I);
③C重复步骤③A和步骤③B,依次在模拟料筒中生成各规格粗集料,从而组成混合粗集料物理模型;
(2)微力学参数的输入
利用PFC2D内置命令“prop?#22791;?#20104;混合粗集料物理模型以微力学参数,包括泊松比ν、剪切模量G和摩?#26009;?#25968;μ;
微力学参数可通过粗集料岩性查?#21335;?#20851;岩土工程手册获取;
(3)混合料粗集料物理模型振动密实过程的模拟
①混合料粗集料物理模型振动密实过程的模拟:
利用PFC2D内置命令“wall”生成长度为W的墙体以模拟加载板,并以其对模拟料筒中的混合粗集料进行快速扰动,以实现对混合粗集料物理模型的振动密实。加载板的速度由PFC2D自动地按正弦函数控制(见式(VIII)),无需人为设定;
υ=0.06sin314T      (VIII)
式中:υ:加载板在加载时间为T时的速度,m/s;
T:加载时间,s;
②最佳密实状态的判定
在混合粗集料物理模型振动密实的过程中,实时监测混合粗集料物理模型的配位 数,建立配位数~振动时间关系曲线,当配位数稳定后,即可判定混合粗集料物理模型达到最佳密实状态;所述的配位数是指颗粒与颗粒间接触点的平均数;配位数越大,接触点越多,密实程度越高。配位数和振动时间由PFC2D自动记录。
(4)混合粗集料物理模型密实度的计算:
以混合粗集料物理模型达到最佳密实状态时的振实密度表征混合粗集料密实度,通过PFC2D自动获取此时两片水平墙体的竖?#26412;?#31163;b,则振实密度?#36873;?#21487;按式(IX)计算;
ρ=ΣρiSiWb---(IX)]]>
式中:?#36873;?#25391;实密度,g/cm3;
b:混合粗集料物理模型达到最佳密实状态时两片水平墙体的竖?#26412;?#31163;,cm;
其它符号同式(II)。
有益效果:与现有技术相比,本发明的优点如下:
(1)可快速、准确地预测混合粗集料密实度,缩短了材料优化周期,节省了人力、物力;
(2)具有明?#20998;?#26631;评定混合粗集料是否达到最佳密实状态;
(3)可全程监测混合粗集料密实过程中细观结构特性的变化规律;
(4)可实现由于经?#36873;?#26102;间等因素制约而难以开展的研究和材料设计。
附图说明
图1是模拟料筒的示意图;
图2是混合粗集料物理模型的示意图;
图3是混合粗集料物理模型振动密实过程中配位数~振动时间曲线的示意图,图中A点对应的振动时间为混合粗集料物理模型达到最佳密实状态的时刻;
图4是混合粗集料物理模型达到最佳密实状态时的示意图;
图5是混合粗集料密实度模拟结果与室内试验实测结果的对比图;
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例
按照本发明的技术方案,本实施例给出一种混合粗集料密实度的模拟测试方法,以 安康瀛湖出产的总质量为6kg的19~31.5mm粗集料和9.5~19mm粗集料组成的混合粗集料(19~31.5mm粗集料和9.5~19mm粗集料的质量?#20219;?00:50)为例,说明混合粗集料密实度模拟测试方法的实施步骤是:
(1)混合粗集料物理模型的构建
①基本参数的测试:
<1>不同规格粗集料的表观密度测试结果见表1;
表1  粗集料表观密度
集料粒径(mm)19~31.59.5~19表观密度(g/cm3)2.7122.709
<2>以9.5~19mm粗集料为例说明粗集料表面不均匀系数的测试过程为:随机选取5个9.5~19mm粗集料样本,利用游标卡尺测取每个样本的粒径。每个样本的测量结果不少于5个,从中选取最大测量值和最小测量值,见表2。
表2  9.5~19mm粗集料样本粒径的测试结果
项目样本1样本2样本3样本4样本5最大测量值(mm)17.729.5110.2210.1810.71最小测量值(mm)9.407.614.114.014.62
根据表2中的测量结果,9.5~19mm粗集料的表面不均匀系数为:
ai=Σ1ndsDsn=9.4017.72+7.619.51+4.1110.22+4.0110.18+4.6210.715=0.512.]]>
同理,测试19~31.5mm粗集料的表面不均匀系数为0.446。
②料筒的模拟:
利用PFC2D内置命令“wall”生成两片长度为20cm的竖直墙体和一片长度为20cm的水平墙体组成开口向上的半封闭矩?#25105;?#27169;拟料筒,见图1;
③混合粗集料的生成:
<1>计算9.5~19mm粗集料的二维?#25104;?#38754;积:
Si=4miπρiW=4×20003.14×2.712×20=46.97(cm2),]]>
利用PFC2D内置命令“ball”持续地生成?#26412;?#20171;于9.5~19mm之间的颗粒,当其总面积达到46.97cm2时,停止颗粒生成,从而完成9.5~19mm粗集料母体颗粒的生成。利用PFC2D内置命令“array”存储每个母体颗粒的圆心坐标、半径、编号等基本信息;
<2>下以9.5~19mm粗集料中编号为1的母体颗粒为例,说明不规则颗粒的生成过程为:当PFC2D内置命令“b_id”搜索到9.5~19mm粗集料中编号为1的母体颗粒时,自动读取其圆心坐标、半径等基本信息,根据9.5~19mm粗集料的表面不均匀系数,利用PFC2D内置命令“ball”生成四个全等的圆形子颗粒,四个子颗粒的半径为:
rit=πRit23π-4arctan(1-ai2/ai)+4ai1-ai2+4ai2=3.14×0.6723×3.14-4arctan(1-0.5122/0.512)+4×0.512×1-0.5122+4×0.5122=0.351(cm);]]>
第一个子颗粒和第四个子颗粒圆心的x轴坐标为:x1,it=Xit-airit=2.15-0.512×0.351=1.921(cm);第二个子颗粒和第三个子颗粒圆心的x轴坐标为:x2,it=Xit+airit=2.15+0.512×0.351=2.329(cm);第一个子颗粒和第二个子颗粒圆心的y轴坐标为:Y1,it=Yit-airit=3.27-0.512×0.351=3.090(cm);第三个子颗粒和第四个子颗粒圆心的y轴坐标为:Y2,it=Yit+airit=3.27+0.512×0.351=3.450(cm);利用PFC2D内置命令“clump”将上述四个子颗粒组合为一个整体,构成不规则颗粒,并利用PFC2D内置命令“delete”删除该母体颗粒,从而将9.5~19mm粗集料中编号为1的母体颗粒转换为相应的不规则颗粒;上述过程由PFC2D自动执行。
按上述方法,PFC2D利用内置命令“b_id”自动地搜索9.5~19mm粗集料的所有母体颗粒的编号,并自动地将搜索到的母体颗粒转换为相对应的不规则颗粒,从而完成9.5~19mm粗集料的生成。
<3>同理,可根据步骤<1>和步骤<2>在模拟料筒?#22411;?#25104;19~31.5mm粗集料的生成,从而组成混合粗集料物理模型,见图2;
(2)微力学参数的输入
查询所得的微力学参数见表3。
表3  微力学参数
泊松比0.25剪切模量(GPa)8.0摩?#26009;?#25968;0.35
利用PFC2D内置命令“prop”将表3中微力学参数赋予混合粗集料物理模型。
(3)混合料粗集料物理模型振动密实过程的模拟
①混合料粗集料振动密实过程的模拟:
利用PFC2D内置命令“wall”生成长度为20cm的水平墙体以模拟加载板,并以其对模拟料筒中的混合粗集料进行快速扰动,以实现对混合粗集料物理模型的振动密实。加载板的速度由PFC2D自动地按正弦函数υ=0.06sin314T控制,无需人为设定;
②最佳密实状态的判定
由PFC2D自动记录振动密实过程中混合粗集料物理模型的配位数和振动时间,并自动绘制配位数~振动时间关系曲线(见图3),当配位数稳定后(即达到图3中A点所对应的振动时间),即可判定混合粗集料物理模型达到最佳密实状态。图4为达到最佳密实状态的混合粗集料物理模型。
(4)混合粗集料物理模型密实度的计算:
以混合粗集料物理模型达到最佳密实状态时的振实密度表征混合粗集料密实度,通过PFC2D自动获取两片水平墙体的竖?#26412;?#31163;为10.99cm,则处于最佳密实状态的混合粗集料物理模型的振实密度为:ρ=ΣρiSiWb=2.712×93.94+2.709×47.0220×10.99=1.739(g/cm3).]]>
按照上述步骤,可依次获取19~31.5mm粗集料与9.5~19mm粗集料的质量?#20219;?00:40、100:45、100:55、100、60、100:65和100:70时混合粗集料物理模型的密实度(以振实密度表征),模拟结果与室内试验实测结果的对比见图5,可看出,模拟结果与室内试验结果具有较好的一致性。此外,上述全部过程仅需不足15?#31181;櫻?#32780;通过室内 试验完成同样工作约需1小?#24065;?#19978;,证明本发明可快速、准确地预测混合粗集料的密实度。

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