文章编号:1009 6825(2007) 35 0317 02
基于FWD 弯沉数据的模量反算方法及影响因素
曹 永 朱朝辉
摘 要:从模量反算问题的提出入手, 对模量反算的方法和模量反算的影响因素进行了探讨, 通过一定的理论分析计算, 进一步说明了基于FW D 弯沉数据模量反算的科学性与可行性, 可为后续研究提供理论基础。关键词:模量反算, 影响因素, 弯沉数据中图分类号:U 416
随着人们对道路使用性能要求的提高, 道路结构性能的评价手段越来越受到国际上的广泛重视。已从开始的对道路整体强度定性评价发展到现今的对道路结构层模量的定量反算。由于F WD 能够快速、准确地测试路表弯沉盆, 从而为道路结构层模量的反算提供了基础。因此, 20世纪70年代末以来, 根据FWD 检测结果反算道路结构层模量逐步成为国际上的热点课题。基于FW D 检测结果的模量反算是一个非常复杂而困难的问题, 不管是采用线性或非线性还是考虑静载或动载等力学分析模型计算路面结构的弯沉, 模量反算最终都可归结为非线性最优化问题, 即如何采用有效的最优化算法和数据处理方法寻找最优的路面结构层力学参数组合, 使得FW D 的实测弯沉盆与力学计算的理论弯沉盆之间达到最佳的拟合。
1 1. 5~1 2的水泥浆, 浇筑长度为4m~6m 。水泥浆液中应加水泥重量的2%速凝剂, 快速将注浆管与孔壁固结。
4) 注浆材料的配制。
a. 浆液配制按设计浆液配合比进行, 并随机抽查浆液的各项指标。b. 原材料:水用水表或定量容器计量; 水泥按袋计量; 粉煤灰用容器计量, 并要求用磅秤抽查水泥、粉煤灰数量。c. 搅拌过程:每次搅拌时间不少于10min 。
5) 注浆工艺。
a. 施工顺序:先施工路线两侧帷幕孔, 再施工中间注浆孔。b. 帷幕孔注浆。帷幕孔注浆液的质量是确保整个治理工作质量的关键, 采用定量定压分段注浆方法施工。
灌注前, 先将注浆管用丝扣相连, 前端为一注浆花管, 长度1m~2m, 用导管下到孔底, 然后封孔, 进行定量定压灌注, 结束该段灌注后, 提升注浆管, 再封孔, 用同样方法进行下一段的注浆施工。注浆段在采空区范围内1m~2m 为一注浆段, 冒落带范围内以5m~10m 为一注浆段。结束冒落带灌注后, 按注浆液的要求封孔, 将裂隙带至基岩5m 下的范围内一次注浆。
c. 注浆孔注浆。应避免在短时间内注入大量水泥粉煤灰浆, 当注浆量较大时, 须采用间歇式注浆法施工。对 区注浆应采用
文献标识码:A
1 模量反算的方法简介
目前, 各种反算方法均是从两个方面入手:1) 力学分析模型; 2) 最优化算法。以下对这些反算方法做一简要评述, 以期能归纳出适合填石路基模量反算的力学模型与反算方法。
1. 1 力学分析模型
模量反算中的力学分析模型实际上就是关于荷载和材料特征的假设, 主要有四类:1) 静态线性反算; 2) 静态非线性反算; 3) 动态线性反算; 4) 动态非线性反算。
1. 2 最优化算法
正如前所述, 模量反算最终是一个最优化问题。自从20世纪70年代末, 模量反算成为国际上广泛关注的课题之后, 不少专
间歇式反复注浆, 使浆液固结后将处治采空区全部胶结。
d. 单孔注浆结束标准。在注浆孔的注浆末期, 泵压逐渐升高, 当泵量小于70L /min 时, 孔口管压力在1. 0M Pa~1. 5M Pa 或1. 5M Pa~2. 5M Pa, 稳定10min~15min, 或注浆孔周围有冒浆现象出现时, 可结束该孔的注浆施工。
4 结语
因 区采空区穿越隧道, 为使注浆尽早形成强度, 利于隧道开工, 在浆液中掺入U N F 早强高效减水剂, 经试验, 试件抗压强度有了明显提高, 3d 强度接近或超过7d 强度, 7d 强度提高约34%~49%。施工实践表明, 因采用了纯水泥浆和早强剂, 浆液在地下还原环境或封闭潮湿环境下的结石体抗压强度在较短时间内得到很大提高。隧道穿越采空区施工, 目前属国内首例, 其中许多技术问题还有待进一步研究。
参考文献:
[1]杨绍波. 高速公路隧道穿越采空区的处治方法[J]. 山西建筑, 2004, 30(3) :99 100.
[2]窦随兵. 隧道下煤矿采空区处治方案及支护[J].山西建筑,
2005, 31(4) :53 54.
The treatment of coal mine gob in Qi Lin expressway
ZHU Jun fei
Abstract:In light of the cir cumstances of collapse and cracks in co al mine gob in t he middle section of Qi Lin ex pressw ay, the author car ries out t he treatment on the gob by the grouting method and under workings grouting method according to the distr ibut ion character istics of g obs, in troduces the construction technology of gr outing, and show s by construction practices that the technology can ensure t he stability of roadbed and increase compressive strength of stone body.
Key words:coal mine g ob, char acteristics, grouting technolog y, g routing hole
收稿日期:2007 06 07
作者简介:曹 永(1978 ) , 男, 助理工程师, 安徽省路港工程有限责任公司, 安徽合肥 230001
朱朝辉(1977 ) , 男, 硕士, 助教, 合肥工业大学土木建筑学院, 安徽合肥 230001
家和学者对理论弯沉盆与实测弯沉盆的拟合优化算法方面做过很多的研究, 取得了不少宝贵的成果。目前从拟合优化算法方面来讲, 主要出现了几种方式:1) 图表法和回归公式法; 2) 数据库搜索法; 3) 迭代法; 4) 遗传算法; 5) 人工神经网络法; 6) 同伦法。
料证明, 荷载传感器系统误差对模量反算结果影响很小。而弯沉传感器的误差则影响较大, 并且弯沉传感器组合系统误差对模量反算结果的影响比单个弯沉传感器更大, 对弯沉传感器进行定期相对标定, 力求各传感器的系统误差尽可能接近, 这样可以减小组合系统误差的影响, 大大降低模量反算误差。另外弯沉传感器的随机误差对反算结果的影响很大。因此, 文中在进行填石路基的模量反算时, 对F WD 原始弯沉盆数据进行了多方修正, 尽量减小原始数据的误差。
2 模量反算的影响因素
总的来说, 影响模量反算结果的因素大致来自三个方面:理论模型与实际路面结构之间的差异、反问题固有的困难和原始输入数据误差。
2. 1 理论模型与实际路面结构之间的差异
现在实用化的反算软件采用的路面结构模型大多为层状弹性体模型, 该理论的前提假设是路面结构为多层轴对称空间半无限体, 且每层材料为均质、各向同性的线弹性材料。而实际上, 道路结构并不是轴对称空间体系, 各层材料在空间分布上不是均匀的, 同时也不同程度地表现有非线性。对于填石路基这样以松散材料为主的结构体, 其非线性性质更为明显。理论模型与实际道路结构之间的差别对模量反算结果的合理性具有很大的影响。比如, 在动力荷载作用下, 路基模量具有明显的应力敏感性, 模量值沿深度方向增大。但按照层状弹性体系理论, 土基深度是无限的, 材料是均质的, 即整体路基的模量值是一样的, 这样导致反算模量比土基表面模量偏大很多。为了解决这一问题, 有的软件人为地设置了刚性层, 另外有的设计方法给路基反算模量乘以相应的折减系数, 从而达到减小反算路基模量与实际模量偏差的目的。
2. 3. 2 道路结构层厚度误差对模量反算的影响
现有反算软件中路面结构层厚度一般是作为已知量输入, 其值取为设计厚度或根据有限的钻孔取芯结果来确定。实际上, 道路结构层的施工厚度不可避免地存在变异性, 设计厚度与实际厚度存在一些误差, 这种误差会对模量反算产生一定的影响。实践证明, 如果各层厚度误差控制在∃5%以内, 各层模量反算误差均不超过∃15%。而钻孔取芯的结果往往本身误差较大, 尤其对于填石路基这样的结构体, 钻芯取样一般无法实现。文中认为, 当利用弹性层状体系进行填石路基的模量反算时, 由于其本身属于同一类材料, 而且采用相同的施工方法, 其结构模量不会存在数量级上的差别, 所以, 只要恰当地对路基进行分层, 并且本着尽量减少分层数的原则, 就可以大大减小结构层厚度对反算结果的影响。
2. 3. 3 其他因素
一般地, 影响模量反算结果的还有气温、湿度等。不同季节, 气温、湿度不同, 对于沥青路面, 野外实测弯沉的结果差异很大, 因此反算的结构层模量也有较大的差异。但是对于文中要研究的填石路基的模量反算, 温度、湿度等对石质路基的F WD 弯沉检测影响很小。因此, 文中在填石路基的模量反算中没有涉及到温度及湿度等方面的修正。
2. 2 反问题固有的困难(模量调整)
模量反算涉及到数学上的适定性问题。除了力学模型的影响外, 反算时所用的模量调整算法可以说是影响反算结果的主要因素。特别是模量调整方程不同程度地存在∀病态#问题, 给求解带来很大困难。由于模量调整方程本身存在∀病态#问题, 造成计算弯沉与实测弯沉之间的微小误差有可能导致模量的调整量高一个量级以上。正是由于这个原因, 以迭代法为基础的反算方法大多数都存在初始模量选取的问题, 初始模量选取不当, 有可能导致反算过程不稳定或收敛结果不唯一。
这是同一反算软件不同的使用者会得到不同的反算结果的主要原因所在。目前很多软件已经对该问题给予了关注, 也从不同程度上对该问题做了一些处理, 但由于问题本身的缘故, 改善效果还不够理想, 仍需要进一步研究。总之, 初始模量的选取、收敛准则以及迭代层次等问题一直是模量反算领域内的难题。
3 结语
文中从模量反算问题的提出入手, 通过一定的理论分析计
算, 进一步说明了基于FWD 弯沉数据模量反算的科学性与可行性。归纳了国内外在模量反算领域中的相关研究成果, 探讨了模量反算的基本原理、方法及影响因素, 并且对填石路基模量反算的关键技术做出了定性分析, 为后续研究提供理论基础。参考文献:
[1]查旭东. 路面结构层模量反算方法综述[J]. 交通运输工程学
报, 2002(4) :12 14. [2]范文孝. 路面材料性能反演方法的研究[D]. 大连:大连理工大
学硕士学位论文, 2002. 3. [3]刘凤娥, 蔡迎春. 遗传算法在路面材料参数识别中的应用研究
[J].郑州大学学报(工学版) , 2002, 23(1) :88 89. [4]查旭东. 沥青路面反算模量的温度修正[J].公路, 2002(6) :32 33.
2. 3 原始输入数据误差
原始输入数据误差主要指F WD 弯沉盆测试数据误差和路面结构层厚度误差, 这两项数据在反算软件中一般作为已知参数输入。
2. 3. 1 FWD 弯沉盆测试误差对模量反算的影响
FWD 的测试误差可分为系统误差和随机误差, 前者指的是传感器本身的误差, 而后者是指重复测试所产生的误差。实践资
Modulus backcalculation method of deflection data based upon FWD and influencing factors
C AO Yong ZHU Chao hui
Abstract:Star ting from the introductio n of backcalculatio n questions of modulus pract ical calculation method and influencing factors of modulus backcalculat ion are discussed. T hrough theoret ical analysis and calculation the scientific nature and feasibility of modulus backcalculation method of deflection data based upon FWD are elaborated, in or der to prov ide theoretical refer ences for further study. Key words:modulus backcalculation, influencing factor , deflection data
文章编号:1009 6825(2007) 35 0317 02
基于FWD 弯沉数据的模量反算方法及影响因素
曹 永 朱朝辉
摘 要:从模量反算问题的提出入手, 对模量反算的方法和模量反算的影响因素进行了探讨, 通过一定的理论分析计算, 进一步说明了基于FW D 弯沉数据模量反算的科学性与可行性, 可为后续研究提供理论基础。关键词:模量反算, 影响因素, 弯沉数据中图分类号:U 416
随着人们对道路使用性能要求的提高, 道路结构性能的评价手段越来越受到国际上的广泛重视。已从开始的对道路整体强度定性评价发展到现今的对道路结构层模量的定量反算。由于F WD 能够快速、准确地测试路表弯沉盆, 从而为道路结构层模量的反算提供了基础。因此, 20世纪70年代末以来, 根据FWD 检测结果反算道路结构层模量逐步成为国际上的热点课题。基于FW D 检测结果的模量反算是一个非常复杂而困难的问题, 不管是采用线性或非线性还是考虑静载或动载等力学分析模型计算路面结构的弯沉, 模量反算最终都可归结为非线性最优化问题, 即如何采用有效的最优化算法和数据处理方法寻找最优的路面结构层力学参数组合, 使得FW D 的实测弯沉盆与力学计算的理论弯沉盆之间达到最佳的拟合。
1 1. 5~1 2的水泥浆, 浇筑长度为4m~6m 。水泥浆液中应加水泥重量的2%速凝剂, 快速将注浆管与孔壁固结。
4) 注浆材料的配制。
a. 浆液配制按设计浆液配合比进行, 并随机抽查浆液的各项指标。b. 原材料:水用水表或定量容器计量; 水泥按袋计量; 粉煤灰用容器计量, 并要求用磅秤抽查水泥、粉煤灰数量。c. 搅拌过程:每次搅拌时间不少于10min 。
5) 注浆工艺。
a. 施工顺序:先施工路线两侧帷幕孔, 再施工中间注浆孔。b. 帷幕孔注浆。帷幕孔注浆液的质量是确保整个治理工作质量的关键, 采用定量定压分段注浆方法施工。
灌注前, 先将注浆管用丝扣相连, 前端为一注浆花管, 长度1m~2m, 用导管下到孔底, 然后封孔, 进行定量定压灌注, 结束该段灌注后, 提升注浆管, 再封孔, 用同样方法进行下一段的注浆施工。注浆段在采空区范围内1m~2m 为一注浆段, 冒落带范围内以5m~10m 为一注浆段。结束冒落带灌注后, 按注浆液的要求封孔, 将裂隙带至基岩5m 下的范围内一次注浆。
c. 注浆孔注浆。应避免在短时间内注入大量水泥粉煤灰浆, 当注浆量较大时, 须采用间歇式注浆法施工。对 区注浆应采用
文献标识码:A
1 模量反算的方法简介
目前, 各种反算方法均是从两个方面入手:1) 力学分析模型; 2) 最优化算法。以下对这些反算方法做一简要评述, 以期能归纳出适合填石路基模量反算的力学模型与反算方法。
1. 1 力学分析模型
模量反算中的力学分析模型实际上就是关于荷载和材料特征的假设, 主要有四类:1) 静态线性反算; 2) 静态非线性反算; 3) 动态线性反算; 4) 动态非线性反算。
1. 2 最优化算法
正如前所述, 模量反算最终是一个最优化问题。自从20世纪70年代末, 模量反算成为国际上广泛关注的课题之后, 不少专
间歇式反复注浆, 使浆液固结后将处治采空区全部胶结。
d. 单孔注浆结束标准。在注浆孔的注浆末期, 泵压逐渐升高, 当泵量小于70L /min 时, 孔口管压力在1. 0M Pa~1. 5M Pa 或1. 5M Pa~2. 5M Pa, 稳定10min~15min, 或注浆孔周围有冒浆现象出现时, 可结束该孔的注浆施工。
4 结语
因 区采空区穿越隧道, 为使注浆尽早形成强度, 利于隧道开工, 在浆液中掺入U N F 早强高效减水剂, 经试验, 试件抗压强度有了明显提高, 3d 强度接近或超过7d 强度, 7d 强度提高约34%~49%。施工实践表明, 因采用了纯水泥浆和早强剂, 浆液在地下还原环境或封闭潮湿环境下的结石体抗压强度在较短时间内得到很大提高。隧道穿越采空区施工, 目前属国内首例, 其中许多技术问题还有待进一步研究。
参考文献:
[1]杨绍波. 高速公路隧道穿越采空区的处治方法[J]. 山西建筑, 2004, 30(3) :99 100.
[2]窦随兵. 隧道下煤矿采空区处治方案及支护[J].山西建筑,
2005, 31(4) :53 54.
The treatment of coal mine gob in Qi Lin expressway
ZHU Jun fei
Abstract:In light of the cir cumstances of collapse and cracks in co al mine gob in t he middle section of Qi Lin ex pressw ay, the author car ries out t he treatment on the gob by the grouting method and under workings grouting method according to the distr ibut ion character istics of g obs, in troduces the construction technology of gr outing, and show s by construction practices that the technology can ensure t he stability of roadbed and increase compressive strength of stone body.
Key words:coal mine g ob, char acteristics, grouting technolog y, g routing hole
收稿日期:2007 06 07
作者简介:曹 永(1978 ) , 男, 助理工程师, 安徽省路港工程有限责任公司, 安徽合肥 230001
朱朝辉(1977 ) , 男, 硕士, 助教, 合肥工业大学土木建筑学院, 安徽合肥 230001
家和学者对理论弯沉盆与实测弯沉盆的拟合优化算法方面做过很多的研究, 取得了不少宝贵的成果。目前从拟合优化算法方面来讲, 主要出现了几种方式:1) 图表法和回归公式法; 2) 数据库搜索法; 3) 迭代法; 4) 遗传算法; 5) 人工神经网络法; 6) 同伦法。
料证明, 荷载传感器系统误差对模量反算结果影响很小。而弯沉传感器的误差则影响较大, 并且弯沉传感器组合系统误差对模量反算结果的影响比单个弯沉传感器更大, 对弯沉传感器进行定期相对标定, 力求各传感器的系统误差尽可能接近, 这样可以减小组合系统误差的影响, 大大降低模量反算误差。另外弯沉传感器的随机误差对反算结果的影响很大。因此, 文中在进行填石路基的模量反算时, 对F WD 原始弯沉盆数据进行了多方修正, 尽量减小原始数据的误差。
2 模量反算的影响因素
总的来说, 影响模量反算结果的因素大致来自三个方面:理论模型与实际路面结构之间的差异、反问题固有的困难和原始输入数据误差。
2. 1 理论模型与实际路面结构之间的差异
现在实用化的反算软件采用的路面结构模型大多为层状弹性体模型, 该理论的前提假设是路面结构为多层轴对称空间半无限体, 且每层材料为均质、各向同性的线弹性材料。而实际上, 道路结构并不是轴对称空间体系, 各层材料在空间分布上不是均匀的, 同时也不同程度地表现有非线性。对于填石路基这样以松散材料为主的结构体, 其非线性性质更为明显。理论模型与实际道路结构之间的差别对模量反算结果的合理性具有很大的影响。比如, 在动力荷载作用下, 路基模量具有明显的应力敏感性, 模量值沿深度方向增大。但按照层状弹性体系理论, 土基深度是无限的, 材料是均质的, 即整体路基的模量值是一样的, 这样导致反算模量比土基表面模量偏大很多。为了解决这一问题, 有的软件人为地设置了刚性层, 另外有的设计方法给路基反算模量乘以相应的折减系数, 从而达到减小反算路基模量与实际模量偏差的目的。
2. 3. 2 道路结构层厚度误差对模量反算的影响
现有反算软件中路面结构层厚度一般是作为已知量输入, 其值取为设计厚度或根据有限的钻孔取芯结果来确定。实际上, 道路结构层的施工厚度不可避免地存在变异性, 设计厚度与实际厚度存在一些误差, 这种误差会对模量反算产生一定的影响。实践证明, 如果各层厚度误差控制在∃5%以内, 各层模量反算误差均不超过∃15%。而钻孔取芯的结果往往本身误差较大, 尤其对于填石路基这样的结构体, 钻芯取样一般无法实现。文中认为, 当利用弹性层状体系进行填石路基的模量反算时, 由于其本身属于同一类材料, 而且采用相同的施工方法, 其结构模量不会存在数量级上的差别, 所以, 只要恰当地对路基进行分层, 并且本着尽量减少分层数的原则, 就可以大大减小结构层厚度对反算结果的影响。
2. 3. 3 其他因素
一般地, 影响模量反算结果的还有气温、湿度等。不同季节, 气温、湿度不同, 对于沥青路面, 野外实测弯沉的结果差异很大, 因此反算的结构层模量也有较大的差异。但是对于文中要研究的填石路基的模量反算, 温度、湿度等对石质路基的F WD 弯沉检测影响很小。因此, 文中在填石路基的模量反算中没有涉及到温度及湿度等方面的修正。
2. 2 反问题固有的困难(模量调整)
模量反算涉及到数学上的适定性问题。除了力学模型的影响外, 反算时所用的模量调整算法可以说是影响反算结果的主要因素。特别是模量调整方程不同程度地存在∀病态#问题, 给求解带来很大困难。由于模量调整方程本身存在∀病态#问题, 造成计算弯沉与实测弯沉之间的微小误差有可能导致模量的调整量高一个量级以上。正是由于这个原因, 以迭代法为基础的反算方法大多数都存在初始模量选取的问题, 初始模量选取不当, 有可能导致反算过程不稳定或收敛结果不唯一。
这是同一反算软件不同的使用者会得到不同的反算结果的主要原因所在。目前很多软件已经对该问题给予了关注, 也从不同程度上对该问题做了一些处理, 但由于问题本身的缘故, 改善效果还不够理想, 仍需要进一步研究。总之, 初始模量的选取、收敛准则以及迭代层次等问题一直是模量反算领域内的难题。
3 结语
文中从模量反算问题的提出入手, 通过一定的理论分析计
算, 进一步说明了基于FWD 弯沉数据模量反算的科学性与可行性。归纳了国内外在模量反算领域中的相关研究成果, 探讨了模量反算的基本原理、方法及影响因素, 并且对填石路基模量反算的关键技术做出了定性分析, 为后续研究提供理论基础。参考文献:
[1]查旭东. 路面结构层模量反算方法综述[J]. 交通运输工程学
报, 2002(4) :12 14. [2]范文孝. 路面材料性能反演方法的研究[D]. 大连:大连理工大
学硕士学位论文, 2002. 3. [3]刘凤娥, 蔡迎春. 遗传算法在路面材料参数识别中的应用研究
[J].郑州大学学报(工学版) , 2002, 23(1) :88 89. [4]查旭东. 沥青路面反算模量的温度修正[J].公路, 2002(6) :32 33.
2. 3 原始输入数据误差
原始输入数据误差主要指F WD 弯沉盆测试数据误差和路面结构层厚度误差, 这两项数据在反算软件中一般作为已知参数输入。
2. 3. 1 FWD 弯沉盆测试误差对模量反算的影响
FWD 的测试误差可分为系统误差和随机误差, 前者指的是传感器本身的误差, 而后者是指重复测试所产生的误差。实践资
Modulus backcalculation method of deflection data based upon FWD and influencing factors
C AO Yong ZHU Chao hui
Abstract:Star ting from the introductio n of backcalculatio n questions of modulus pract ical calculation method and influencing factors of modulus backcalculat ion are discussed. T hrough theoret ical analysis and calculation the scientific nature and feasibility of modulus backcalculation method of deflection data based upon FWD are elaborated, in or der to prov ide theoretical refer ences for further study. Key words:modulus backcalculation, influencing factor , deflection data