MICP改性膨胀土的回弹模量预估模型、方法及模型构建方法

本发明属于道路工程，涉及一种micp改性膨胀土的回弹模量预估模型、方法及模型构建方法。

背景技术：

1、膨胀土在我国南方湿热地区分布广泛，随着该地区交通基础设施建设的迅猛发展，在筑路材料贫乏地区采用膨胀土作为路基填料难以避免。然而，膨胀土是一种具有裂隙性、胀缩性的典型特殊黏性土，其在自然因素影响下极易吸水膨胀和失水收缩，进而诱发路基发生承载能力降低、变形增大以及结构破坏等现象。因此，特殊土-膨胀土的有效改良已成为国内外学者广泛关注的热点问题。目前而言，膨胀土的改良方法大致有换填、物理改良、化学改良及生物改性等方法。由于传统的改良方法有着劳动强度大、施工周期长、工程费用高，且对生态环境存在一定的污染性的问题，因此，生物改性法越来越受到人们的重视，应用微生物诱导碳酸钙(microbially induced carbonate precipitation，micp)方法对路基膨胀土进行微生物改良是一个非常好的改性方法。

2、回弹模量是表征路基刚度特性的重要力学指标，其定义为材料在荷载作用下产生的应力与其相应的弹性应变的比值。目前，回弹模量确定方法常用有以下三种：第一种是经验法，但给出的回弹模量建议值变化范围较大，无法进行定量分析。第二种方法是根据cbr与回弹模量经验公式计算得到路基的回弹模量值，但适用性有待商榷。第三种方法是进行室内三轴试验测定回弹模量值，但三轴试验的成本较高、耗时较长、需要专业的人员进行操作且不易推广。鉴于此，有必要建立一种简单但有效的micp改性膨胀土的回弹模量快速预估方法，从而快速确定micp改性膨胀土的回弹模量。

技术实现思路

1、本发明基于现有技术存在的问题，提出了一张micp改性膨胀土的回弹模量预估模型的构建方法，包括如下步骤：

2、a：对膨胀土进行0、1、3、6、10次数的micp改性处理，并将micp改性后的膨胀土进行12天养护；养护完成后，对其分别进行击实试验、界限含水率试验、cbr试验、自由膨胀率试验、膨胀力试验、剪切试验，从而获得不同micp改性次数处理后膨胀土的最大干密度、最佳含水率、液限、塑限、塑性指数、cbr、自由膨胀率、膨胀力、粘聚力、内摩擦角；

3、b：进行回弹模量试验，进而测定改性膨胀土在不同micp改性处理次数条件下的动态回弹模量；

4、c：使用nchrp 1-28a三参数模型对回弹模量数据进行拟合，分别得到不同micp改性处理次数条件下的k1、k2、k3和r2；

5、d：基于步骤a获得micp改性膨胀土的性能参数，并通过jmp统计软件中的bootstrap森林法模型得到上述性能参数对nchrp 1-28a模型的三个模型参数k1、k2和k3的贡献比例；然后，采用逐步多元回归分析方法检测模型参数(k1、k2和k3)与各性能参数的相关性，从而得到考虑micp改性次数的膨胀土回弹模量快速预测模型中的模型参数k1、k2和k3；

6、e：将步骤d得到的模型参数k1、k2和k3代入nchrp 1-28a三参数模型即得到micp改性膨胀土的回弹模量预估模型。

7、所述的nchrp 1-28a三参数模型如下：

8、

9、其中，ey表示轴向(试件加载方向)的回弹模量；θbs表示体应力，或称应力张量的第一不变量，为三个主应力的代数和；τoct表示八面体剪应力；pa为参考大气压；k1、k2和k3为模型参数。

10、由于使用不同的菌改性膨胀土的结果不同，为了使构建的模型更为准确，具体应用时，构建模型时使用的是哪种菌，构建的模型就用来预测相同的菌进行的micp改性膨胀土的回弹模量。也就是说，上述的技术方案可以得到专用于某种改性菌的预测模型。

11、基于上述技术方案，本技术提供一种针对具体改性菌的改性方法，从而可以获得一种针对这种菌的模型构建方法及该方法构建的模型。

12、具体的，micp改性处理的方法如下：

13、将cacl2溶液均匀加入膨胀土中并进行风干处理；然后，使用吸光度od600＝1的微生物菌液(巴士芽孢杆菌)对处理后的膨胀土均匀喷洒，使得膨胀土可以与巴士芽孢杆菌代谢物中的脲酶水解物充分反应进而完成micp改性处理过程中的矿化作用；最后，将经过micp改性处理的膨胀土样放置自然条件下风干且适当碾碎。其中，上述过程为一次micp改性处理过程。其中，菌液掺入量选取最佳含水量等同掺入。

14、基于巴士芽孢杆菌的micp改性处理，本技术提供一个专用预估模型，具体如下：

15、

16、其中，ey表示轴向(试件加载方向)的回弹模量；θbs表示体应力，或称应力张量的第一不变量，为三个主应力的代数和；τoct表示八面体剪应力；pa为参考大气压；k1、k2和k3为模型参数，具体为：

17、k1＝0.067[(95.515ρdmax2-64.307ρdmax-93.524)-28.655ip-38.795

18、+(4.369ln(e+cbr)-93.524)+(2.131rfs-93.524)]

19、k2＝1.748+0.025ωomc+0.047cbr-0.004fe-0.019c

20、

21、式中，ρdmax为最大干密度，ωomc为最佳含水率，ip为塑性指数，cbr为加州承载比值，rfs为自由膨胀率，fe为膨胀力，c为粘聚力，为内摩擦角。

22、在使用本技术上述的模型进行micp改性膨胀土的回弹模量快速预估的方法，预估时，在模型中分别输入实测得到的最大干密度ρdmax、最佳含水率ωomc、为塑性指数ip、加州承载比值cbr、自由膨胀率rfs、膨胀力fe、粘聚力c、内摩擦角即可得到预估的膨胀土的回弹模量。

23、除了micp改性膨胀土的回弹模量快速预估模型的构建方法、模型及使用模型对micp改性膨胀土的回弹模量进行快速预估的方法外，本技术还提供了一种服务器，具体包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现micp改性膨胀土的回弹模量快速预估。预估时，在存储在服务器的模型中分别输入实测得到的最大干密度ρdmax、最佳含水率ωomc、为塑性指数ip、加州承载比值cbr、自由膨胀率rfs、膨胀力fe、粘聚力c、内摩擦角即可得到预估的膨胀土的回弹模量。

24、本技术还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现实现micp改性膨胀土的回弹模量快速预估。

25、本发明的有益效果是：

26、本发明的一种micp改性膨胀土的回弹模量预估模型构建的方法及由该方法构建的预估模型，其综合考虑了micp处理次数、最大干密度、最佳含水率、塑性指数、cbr、自由膨胀率、膨胀力、粘聚力、内摩擦角、围压和偏应力的影响。同时，该模型物理意义明确、结构简单，其所需各参数仅需通过系列室内基础试验即可获得，大大减少了试验耗时，降低了试验难度，为不具备三轴试验条件的单位提供了明显的工程便利，具有较高的市场推广价值。同时，与现有方法相比，本发明的模型和方法能够便捷、准确的获得micp改性膨胀土在不同条件下的回弹模量，较便利的指导了micp改性膨胀土在道路结构中的设计和施工，且可以将本方法推广至其他同类材料的设计与检测中，具有广阔的应用价值。