一種水工瀝青混凝土數值仿真模型構建方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種水工瀝青混凝土數值仿真模型構建方法。該方法包括以下步驟：步驟1、制作所需配合比的水工瀝青混凝土試樣，并實際測量各個水工瀝青混凝土試樣的應力應變曲線；步驟2、獲取所述水工瀝青混凝土試樣的內部細觀結構，并根據內部細觀結構建立所述水工瀝青混凝土試樣相應的初始數值仿真模型；步驟3、以步驟1所得到應力應變曲線為目標，利用優(yōu)化反演方法調整初始數值仿真模型的細觀參數，使得利用數值仿真模型計算得到的應力應變曲線與實際測量得到的應力應變曲線相吻合，從而得到該配合比下的水工瀝青混凝土數值仿真模型。本發(fā)明還公開了一種水工瀝青混凝土最優(yōu)配合比確定方法及水工瀝青混凝土施工質量評價方法。
【專利說明】一種水工瀝青混凝土數值仿真模型構建方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及利用計算機進行混凝土材料力學特性仿真的方法，尤其涉及一種水工浙青混凝土數值仿真模型構建方法，以及一種水工浙青混凝土最優(yōu)配合比確定方法、水工浙青混凝土施工質量評價方法。
【背景技術】
[0002]水工浙青混凝土是經人工選配具有一定級配組成的礦料與一定比例的浙青材料，在嚴格控制條件下拌制而成的混合料，需要滿足水工建筑物的防滲性能，同時需要具有足夠的模量與強度，滿足水工結構的變形控制與安全要求。水工浙青混凝土依據良好的防滲功能、力學性質及具有競爭力的工程造價，越來越受到國內外水利工程專家的重視。
[0003]浙青混凝土的最優(yōu)配合比是工程設計中首先需要解決的問題?，F階段，通過室內壓縮試驗或三軸試驗等物理試驗手段，推求浙青混凝土模量、強度等基本性能指標，進行比選確定最優(yōu)配合比，需要依據大量的重復性試驗工作，大大增加了試驗經費和試驗時間。另一方面，現有相關規(guī)范中選取配合比時，沒有考慮浙青混凝土的抗水力劈裂特性的影響。
[0004]浙青混凝土的試驗條件對其力學性質的影響很大。茅坪溪土石壩的研究表明(胡春林，黃廖山，李友華.土石壩浙青混凝土心墻的變形特性研究[J].武漢理工大學學報，2001，23 (9): 47 — 49):成型方法對水工浙青混凝土試件的模量數K值影響很大，在相同試驗條件下，靜壓成型試件最大K值達1152.8，而現場擾動芯樣的最大K值僅為210.2 ;加荷速率對K值的影響也很明顯，當剪切速率為0.Wmin時，K=330 ;剪切速率為2.0mm/min時，K=908, K值隨剪切速率的增大而顯著增大。試驗溫度對浙青混凝土的應力-應變關系參數影響也較大(緱元有，李永樂，肖自龍等.浙青混凝土應力應變關系試驗研究[J].人民黃河，2005，27(5): 59 — 61)，試驗溫度0°C時的K值比10°C時對應的K值增大2?8倍之多。由此可見，根據室內物理試驗測得的浙青混凝土力學參數，由于試驗方法、試驗條件及量測技術等因素對浙青混凝土力學性質十分敏感,室內物理試驗結果的離散性強；而且依據現場鉆取芯樣的力學性質，與試驗室制樣的試驗成果差異過大，不能準確評估工程原位浙青混凝土的力學性質，難以全面控制現場施工質量。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術問題在于克服現有技術不足，提供一種能夠更準確反映水工浙青混凝土實際物理力學特性的水工浙青混凝土數值仿真模型構建方法，以及一種水工浙青混凝土最優(yōu)配合比確定方法、水工浙青混凝土施工質量評價方法。
[0006]本發(fā)明的水工浙青混凝土數值仿真模型構建方法，包括以下步驟:
步驟1、制作所需配合比的水工浙青混凝土試樣，并實際測量各個水工浙青混凝土試樣的應力應變曲線；
步驟2、獲取所述水工浙青混凝土試樣的內部細觀結構，并根據內部細觀結構建立所述水工浙青混凝土試樣相應的初始數值仿真模型； 步驟3、以步驟I所得到應力應變曲線為目標，利用優(yōu)化反演方法調整初始數值仿真模型的細觀參數，使得利用數值仿真模型計算得到的應力應變曲線與實際測量得到的應力應變曲線相吻合，從而得到該配合比下的水工浙青混凝土數值仿真模型。
[0007]本發(fā)明的水工浙青混凝土最優(yōu)配合比確定方法，包括以下步驟:
步驟1、制作一組不同配合比的水工浙青混凝土試樣，并實際測量各個水工浙青混凝土試樣的應力應變曲線；
步驟2、分別獲取各個水工浙青混凝土試樣的內部細觀結構，并根據內部細觀結構分別建立各個水工浙青混凝土試樣相應的初始數值仿真模型；
步驟3、對于每個水工浙青混凝土試樣相應的初始數值仿真模型，以步驟I所得到的該試樣的應力應變曲線為目標，利用優(yōu)化反演方法調整初始數值仿真模型的細觀參數，使得利用數值仿真模型計算得到的應力應變曲線與實際測量得到的應力應變曲線相吻合，從而得到各配合比下的水工浙青混凝土數值仿真模型；
步驟4、利用各配合比下的水工浙青混凝土數值仿真模型計算各配合比下的水工浙青混凝土的物理力學特性參數，結合實際所需要的物理力學特性參數指標，確定水工浙青混凝土的最優(yōu)配合比。
[0008]本發(fā)明的水工浙青混凝土施工質量評價方法，首先實際測量工程現場的水工浙青混凝土的配合比；然后按照以上任一技術方案所述數值仿真模型構建方法，構建該配合比下的水工浙青混凝土數值仿真模型；利用得到的水工浙青混凝土數值仿真模型計算水工浙青混凝土的物理力學特性參數，并與水工浙青混凝土物理力學特性參數的工程設計指標進行比較，從而確定工程現場的水工浙青混凝土施工質量。
[0009]優(yōu)選地，使用單軸壓縮試驗或常規(guī)三軸試驗實際測量水工浙青混凝土試樣的應力應變曲線。
[0010]優(yōu)選地，利用CT掃描方法獲取水工浙青混凝土試樣的內部細觀結構。
[0011]優(yōu)選地，在建立水工浙青混凝土試樣相應的初始數值仿真模型時，將水工浙青混凝土視為由骨料、浙青瑪蹄脂、孔隙構成的三相材料；骨料顆粒之間的力學模型采用線性接觸剛度模型和滑動模型，浙青馬蹄脂之間以及浙青馬蹄脂與骨料顆粒之間的力學模型采用Burger’ s模型、接觸粘結模型和滑動模型。
[0012]優(yōu)選地，所述水工浙青混凝土的物理力學特性參數包括:變形模量、破壞強度、抗水力劈裂能力。
[0013]相比現有技術，本發(fā)明具有以下有益效果:
本發(fā)明結合少量的室內物理試驗資料，利用數值仿真技術手段，綜合考慮水工浙青混凝土的變形模量、破壞強度和抗水力劈裂能力等特性，確定水工浙青混凝土的最優(yōu)配合比，縮減試驗工作量和試驗成本；根據現場實測取樣的組分分析，通過數值試驗確定水工浙青混凝土的力學性質，避免了溫度、取樣擾動等因素的干擾影響，有效減小物理試驗導致試驗結果的離散性，更客觀評價水工浙青混凝土的現場施工質量，確保工程安全。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為骨料最大粒徑為19mm，級配指數為0.35的水工浙青混凝土骨料的級配曲線. 圖2為水工浙青混凝土單軸壓縮試驗下的應力應變曲線及仿真數值試驗的擬合曲線； 圖3為不同級配指數下水工浙青混凝土的應力應變曲線；
圖4為水工浙青混凝土級配指數與壓縮模量的關系曲線；
圖5為水工浙青混凝土級配指數與抗壓強度的關系曲線；
圖6為級配指數與水工浙青混凝土劈裂壓力的關系曲線。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明:
本發(fā)明的發(fā)明思路是基于水工浙青混凝土內在的作用機理，借助細觀力學和離散元方法，通過高精度CT掃描和重構技術，建立數值仿真模型并依據室內物理試驗資料反演細觀參數，從而得到更準確反映實際情況的水工浙青混凝土數值仿真模型；進而可利用所建立的水工浙青混凝土數值仿真模型計算物理力學特性參數，結合工程實際需要確定最優(yōu)的水工浙青混凝土配合比，或者根據工程現場的檢測資料，通過所建立的水工浙青混凝土數值仿真模型，更客觀評價水工浙青混凝土的現場施工質量。
[0016]下面以確定水工浙青混凝土的最優(yōu)配合比為例，來對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明:
本發(fā)明的水工浙青混凝土最優(yōu)配合比確定方法，包括以下步驟:
步驟1、制作不同配合比的試樣并實測應力應變曲線:
根據水工浙青混凝土防滲土石壩設計規(guī)范和工程施工運行條件，初擬一組或若干組水工浙青混凝土配合比，以及設計孔隙率，根據試驗規(guī)程制作室內試驗試件，進行給定試驗條件(溫度、加載速率等)下的單軸壓縮試驗或常規(guī)三軸試驗，獲得各試件對應的應力應變曲線.步驟2、建立各試樣的初始數值仿真模型:
通過高精度CT掃描技術，獲得步驟I所得到的各水工浙青混凝土試件的內部細觀結構，結合擬定的浙青混凝土配合比，模擬室內物理試驗的試件制作方法，在細觀力學的基礎上運用離散元方法，構建各配合比的水工浙青混凝土數值試驗試件(數值仿真模型)。建立浙青混凝土的數值仿真模型為現有成熟技術，此處不再贅述。
[0017]由于浙青混凝土是典型的多相復合體材料，骨料和浙青的性質差別較大，故本發(fā)明在構建初始數值仿真模型時將水工浙青混凝土視為三相材料一骨料、浙青瑪蹄脂(包括浙青和填料)和孔隙的集合體。各相材料采用的力學模型如下:①骨料顆粒之間:線性接觸剛度模型和滑動模型(Cundall P A.PFC2D User’s Manual (Version 3.1) [R],Minneapolis:1tasca Consulting Group Inc, 2002);②浙青馬蹄脂之間、浙青馬蹄脂與骨料顆粒之間:Burger’ s模型、接觸粘結模型和滑動模型(Cundall P A.PFC2D User’sManual(Version 3.1)[R].Minneapolis:1tasca Consulting Group Inc, 2002)；
步驟3、反演數值仿真模型中的細觀參數:
對于每個水工浙青混凝土試樣相應的初始數值仿真模型，以步驟I所得到的該試樣的應力應變曲線為目標，利用優(yōu)化反演方法(例如免疫遺傳算法)調整初始數值仿真模型的細觀參數，使得利用數值仿真模型計算得到的應力應變曲線與實際測量得到的應力應變曲線相吻合，從而得到各配合比下的水工浙青混凝土數值仿真模型；步驟4、利用各配合比下的水工浙青混凝土數值仿真模型計算各配合比下的水工浙青混凝土的物理力學特性參數(例如變形模量、破壞強度和抗水力劈裂能力等特性)，結合實際所需要的物理力學特性參數指標，確定水工浙青混凝土的最優(yōu)配合比。
[0018]在進行水工浙青混凝土施工質量評價時，首先實際測量工程現場的水工浙青混凝土的配合比，例如，通過在施工現場鉆取芯樣或其它無損檢測方法，結合抽提試驗獲得實際工程水工浙青混凝土的孔隙率以及各組成成分百分含量，從而確定工程現場水工浙青混凝土的配合比；然后采用本發(fā)明的水工浙青混凝土數值仿真模型構建方法，構建該配合比下的水工浙青混凝土數值仿真模型；利用得到的水工浙青混凝土數值仿真模型計算水工浙青混凝土的物理力學特性參數(例如變形模量、破壞強度和抗水力劈裂能力等特性)，并與水工浙青混凝土物理力學特性參數的工程設計指標進行比較，從而可客觀評價出工程現場的水工浙青混凝土施工質量。
[0019]為進一步說明本發(fā)明技術方案，下面以某工程浙青混凝土心墻堆石壩水工浙青混凝土的最優(yōu)級配指數的確定為例，進行說明:
(I)參考《土石壩浙青混凝土面板和心墻設計規(guī)范》(DLT-5411)礦料級配按公式
【權利要求】
1.一種水工浙青混凝土數值仿真模型構建方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1、制作所需配合比的水工浙青混凝土試樣，并實際測量各個水工浙青混凝土試樣的應力應變曲線； 步驟2、獲取所述水工浙青混凝土試樣的內部細觀結構，并根據內部細觀結構建立所述水工浙青混凝土試樣相應的初始數值仿真模型； 步驟3、以步驟I所得到應力應變曲線為目標，利用優(yōu)化反演方法調整初始數值仿真模型的細觀參數，使得利用數值仿真模型計算得到的應力應變曲線與實際測量得到的應力應變曲線相吻合，從而得到該配合比下的水工浙青混凝土數值仿真模型。
2.如權利要求1所述水工浙青混凝土數值仿真模型構建方法，其特征在于，使用單軸壓縮試驗或常規(guī)三軸試驗實際測量水工浙青混凝土試樣的應力應變曲線。
3.如權利要求1所述水工浙青混凝土數值仿真模型構建方法，其特征在于，利用CT掃描方法獲取水工浙青混凝土試樣的內部細觀結構。
4.如權利要求1所述水工浙青混凝土數值仿真模型構建方法，其特征在于，在建立水工浙青混凝土試樣相應的初始數值仿真模型時，將水工浙青混凝土視為由骨料、浙青瑪蹄月旨、孔隙構成的三相材料；骨料顆粒之間的力學模型采用線性接觸剛度模型和滑動模型，浙青馬蹄脂之間以及浙青馬蹄脂與骨料顆粒之間的力學模型采用Burger’ s模型、接觸粘結模型和滑動模型。
5.如權利要求1所述水工浙青混凝土數值仿真模型構建方法，其特征在于，所述優(yōu)化反演方法為免疫遺傳算法。
6.一種水工浙青混凝土最優(yōu)配合比確定方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1、制作一組不同配合比的水工浙青混凝土試樣，并實際測量各個水工浙青混凝土試樣的應力應變曲線； 步驟2、分別獲取各個水工浙青混凝土試樣的內部細觀結構，并根據內部細觀結構分別建立各個水工浙青混凝土試樣相應的初始數值仿真模型； 步驟3、對于每個水工浙青混凝土試樣相應的初始數值仿真模型，以步驟I所得到的該試樣的應力應變曲線為目標，利用優(yōu)化反演方法調整初始數值仿真模型的細觀參數，使得利用數值仿真模型計算得到的應力應變曲線與實際測量得到的應力應變曲線相吻合，從而得到各配合比下的水工浙青混凝土數值仿真模型； 步驟4、利用各配合比下的水工浙青混凝土數值仿真模型計算各配合比下的水工浙青混凝土的物理力學特性參數，結合實際所需要的物理力學特性參數指標，確定水工浙青混凝土的最優(yōu)配合比。
7.如權利要求6所述水工浙青混凝土最優(yōu)配合比確定方法，其特征在于，所述水工浙青混凝土的物理力學特性參數包括:變形模量、破壞強度、抗水力劈裂能力。
8.—種水工浙青混凝土施工質量評價方法，其特征在于，首先實際測量工程現場的水工浙青混凝土的配合比；然后按照權利要求1-5任一項所述數值仿真模型構建方法，構建該配合比下的水工浙青混凝土數值仿真模型；利用得到的水工浙青混凝土數值仿真模型計算水工浙青混凝土的物理力學特性參數，并與水工浙青混凝土物理力學特性參數的工程設計指標進行比較，從而確定工程現場的水工浙青混凝土施工質量。
【文檔編號】G06F17/50GK103605841SQ201310549136
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月7日 優(yōu)先權日:2013年11月7日
【發(fā)明者】朱晟, 何詠睿, 武利強, 萬連兵, 何順賓, 鄧石德 申請人:河海大學