本发明属于道路工程，尤指一种块石路基施工级配优化方法及装置。
背景技术：
1、块石路基是指在路基中填筑一定厚度并且具有一定粒径范围的块石材料的路基结构，利用其顶板和底板之间的负温差驱动孔隙空气产生自然对流而达到“主动冷却”下伏冻土的目的。它兼备降温高效、施工便捷、环境友好等突出优点，成为国内外多年冻土区道路工程中应用最广泛的主动冷却措施之一。
2、为保障块石路基发挥自然对流导冷作用，必须具备一定的孔隙率；但同时，为保证块石路基施工质量，需要对块石堆进行施工压实，必然导致块石孔隙率的降低，影响其自然对流降温效能。如何寻求满足降温需求孔隙率及施工压实质量的块石级配设置，是制约当前块石路基设计理论及施工方法进一步发展的问题之一。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本发明提出一种块石路基施工级配优化方法及装置，该方法解决了块石路基施工压实质量与孔隙率需求之间的矛盾，提高块石路基施工质量及自然对流导冷效能。
2、本发明一方面提供一种块石路基施工级配优化方法，包含：
3、基于分形理论建立块石堆孔隙率统计计算模型，该块石堆孔隙率统计计算模型用以表征自然堆积状态下的分形维数与孔隙率的关系；
4、确定块石堆的分形维数与级配的关系曲线，并在不同分形维数所对应的多个级配下，按照块石路基施工填筑压实标准进行制样；
5、通过室内模型压实试验，确定满足压实条件下的沉降率，并结合该块石堆孔隙率统计计算模型，确定压实前后理论孔隙率的变化，得到孔隙率修正系数；
6、基于该孔隙率修正系数，设定孔隙率范围，在满足分形维数不大于临界分形维数的条件下，确定块石堆的第一级配范围；
7、设定块石路基的孔隙率指标与沉降率指标，且该孔隙率指标满足该孔隙率范围，筛选该第一级配范围中满足该沉降率指标要求下的该孔隙率指标所对应的级配范围，作为目标级配。
8、在本发明一实施例中，确定块石堆的分形维数与级配的关系曲线，包含：
9、依据历史的块石路基施工所用块石堆的级配形式，设定室内模型压实试验的初始级配曲线；
10、依据该初始级配曲线，设定不同的级配；
11、采用灌水法测得自然堆积状态下每一级配所对应的实际孔隙率；
12、依据该块石堆孔隙率统计计算模型，反算得到每一级配的该实际孔隙率对应的分形维数；
13、得到该分形维数与级配的关系曲线。
14、在本发明一实施例中，按照块石路基施工填筑压实标准进行制样时，进行不同粒径区间块石堆的配比，得到不同试验样本；
15、对每一试验样本，通过该室内模型压实试验，模拟块石路基施工碾压的工作压力范围，测得块石堆的最终沉降差；
16、根据该最终沉降差以及该试验样本压实前的松铺厚度，计算沉降率；
17、结合所述沉降率，计算该试验样本在压实前后的总体积变化，得到压实后的理论孔隙率，所述压实后的理论孔隙率为：；其中，不包含孔隙的所有块石体积可以由该块石堆孔隙率统计计算模型确定，即自然堆积状态下块石堆的理论孔隙率为：；压实后包含孔隙体积的块石堆体积可结合沉降率确定；
18、依据该块石堆孔隙率统计计算模型，计算该试验样本在自然堆积状态下的理论孔隙率；
19、依据该自然堆积状态下的理论孔隙率与该压实后的理论孔隙率，得到该孔隙率修正系数，该孔隙率修正系数用于表示压实前后孔隙率的变化，为压实后的理论孔隙率与自然堆积状态下的理论孔隙率的比值；
20、取得该沉降率下考虑孔隙率修正系数的分形维数与孔隙率的关系曲线；
21、汇总每一试验样本，得到不同沉降率下考虑孔隙率修正系数的分形维数与孔隙率的关系曲线。
22、在本发明一实施例中，还包含：
23、依据该块石堆孔隙率统计计算模型，计算自然堆积状态下每一级配所对应的理论孔隙率；
24、采用灌水法测得自然堆积状态下每一级配所对应的实际孔隙率；
25、若存在至少一级配对应的自然堆积状态下的该理论孔隙率与该实际孔隙率的差值不满足孔隙率误差允许范围，则调整对应的分形维数。
26、在本发明一实施例中，设定该孔隙率误差允许范围的方法为：
27、对同一级配的块石堆，利用多次采集的块石堆图像，计算得到分形维数的平均值及标准差；
28、依据该分形维数的平均值及标准差，利用该块石堆孔隙率统计计算模型，计算对应的理论孔隙率的平均值及标准差；
29、统计不同级配块石堆对应的理论孔隙率的平均值及标准差，确定该孔隙率误差允许范围。
30、在本发明一实施例中，基于多重分形理论，计算不同级配粒径组合形式下的块石堆的理论孔隙率，确定该块石堆孔隙率统计计算模型，包含：
31、基于分形理论，确定符合分形特征的不同粒径下的颗粒数量密度函数；
32、依据该颗粒数量密度函数，计算每个粒径组分的固体体积为：
33、
34、其中，级配i对应的粒径组分的固定体积为vsolid,i、分形维数为di、特征尺度为li，rmin为颗粒的最小尺寸，rmax为颗粒的最大尺寸；
35、确定不包含孔隙的所有块石总体积为：
36、
37、其中，vsolid,total表示不包含孔隙的所有块石总体积；
38、确定压实前包含孔隙体积的块石堆体积为：
39、
40、其中，vtotal表示压实前包含孔隙体积的块石堆体积；
41、依据该不包含孔隙的所有块石总体积与压实前包含孔隙体积的块石堆体积，确定块石堆的理论孔隙率为：，该理论孔隙率表示为：
42、
43、其中，表示自然堆积状态下块石堆的理论孔隙率，lx为整个块石堆的特征尺度，dx为整个块石堆的分形维数。
44、在本发明一实施例中，基于松铺条件施工现场验证，确定块石路基填筑的最大孔隙率；基于块石路基降温效能要求，确定块石路基填筑的最小孔隙率；
45、依据该最大孔隙率、最小孔隙率，设定初始的孔隙率范围；
46、依据该孔隙率修正系数，修正该初始的孔隙率范围，得到最终的孔隙率范围；
47、依据最终的孔隙率范围中修正后的最大孔隙率以及修正后的最小孔隙率分别对应的分形维数，得到该临界分形维数。
48、在本发明一实施例中，依据该初始级配曲线，设定不同的级配的方法为：
49、依据该初始级配曲线对应的曲率系数与不均匀系数，设定不同的级配，其中：不均匀系数表示为：；曲率系数表示为：；式中：cu表示不均匀系数，cc表示曲率系数；其中不均匀系数越大，曲线平缓；曲率系数反映了曲线整体的连续情况，曲率系数不超出一曲率范围时，表示曲线连续；曲率系数超出所述曲率范围时，表示曲线不连续；其中，d60表示粒径小于预设粒径的颗粒体百分含量为60%，为限定粒径，d10表示粒径小于预设粒径的颗粒体百分含量为10%，为有效粒径；d30表示粒径小于预设粒径的颗粒体百分含量为30%；其中，d60、d30、d10通过筛分法获得，具体采用以该预设粒径为孔径的标准筛对颗粒体通过进行过筛，计算通过筛孔的颗粒质量占颗粒体总质量的百分比，或者，计算通过筛孔的颗粒体积占颗粒体总体积的百分比；
50、依据该不均匀系数与曲率系数，将该初始级配曲线向不连续、不平缓方向变化，设定不同的级配。
51、在本发明一实施例中，依据孔隙率指标与沉降率指标对块石堆的第一级配范围筛选之前，预先对该第一级配范围筛选出目标粒径区间内对应的块石堆的级配范围，以进一步从该目标粒径区间内对应的块石堆的级配范围中筛选出满足该沉降率指标要求下的该孔隙率指标所对应的级配范围，作为该目标级配。
52、本发明另一方面还揭示一种块石路基施工级配优化装置，采取上述的块石路基施工级配优化方法，该块石路基施工级配优化装置包含：
53、孔隙率统计计算模型构建模块，用以基于分形理论建立块石堆孔隙率统计计算模型，该块石堆孔隙率统计计算模型用以表征自然堆积状态下的分形维数与孔隙率的关系；
54、分形维数与级配关系曲线确定模块，用以确定块石堆的分形维数与级配的关系曲线，并在不同分形维数所对应的多个级配下，按照块石路基施工填筑压实标准进行制样；
55、试验模块，用以通过室内模型压实试验，确定满足压实条件下的沉降率，并结合该块石堆孔隙率统计计算模型，确定压实前后理论孔隙率的变化，得到孔隙率修正系数；
56、初级级配筛选模块，用以基于该孔隙率修正系数，设定孔隙率范围，在满足分形维数不大于临界分形维数的条件下，确定块石堆的第一级配范围；
57、目标级配筛选模块，用以设定块石路基的孔隙率指标与沉降率指标，且该孔隙率指标满足该孔隙率范围，筛选该第一级配范围中满足该沉降率指标要求下的该孔隙率指标所对应的级配范围，作为目标级配。在确保孔隙率满足要求的情况下，依据该不均匀系数与曲率系数，将该初始级配曲线向不连续、不平缓方向变化，设定不同的级配。
58、由以上方案可知，本发明的优点在于：
59、本发明揭示的块石路基施工级配优化方法，基于分形理论建立块石孔隙率统计计算模型，得到自然堆积状态下不同级配的块石堆孔隙率与分形维数之间的关系；其次，通过室内大型压缩试验，建立不同分形维数所对应级配，确定施工填筑质量要求标准压实条件下的孔隙率修正系数。选取施工质量控制指标沉降率为目标，结合块石堆孔隙率与分形维数之间的关系，得到同时满足沉降率与孔隙率的目标级配。本发明基于分形理论，构建了块石路基孔隙率理论计算方法，确定同时满足孔隙率和沉降率的块石级配，以此控制块石路基填筑施工质量。该方法通过分形维数，可以便捷的确定块石路基级配与孔隙率的关系，解决了块石路基施工压实质量与孔隙率需求之间的矛盾。同时通过分形理论，综合考虑块石级配、压实度对路基整体变形性能及孔隙率的影响，为块石路基的整体稳定和降温效能评价提供可靠依据，保证块石路基的建设质量及服役性能，避免出现由于块石路基降温效能不足导致的热融沉陷病害问题，提高了块石路基施工质量及自然对流导冷效能。
1.一种块石路基施工级配优化方法，其特征在于，包含：
2.根据权利要求1所述的块石路基施工级配优化方法，其特征在于，确定块石堆的分形维数与级配的关系曲线，包含：
3.根据权利要求1所述的块石路基施工级配优化方法，其特征在于，
4.根据权利要求1所述的块石路基施工级配优化方法，其特征在于，还包含：
5.根据权利要求4所述的块石路基施工级配优化方法，其特征在于，设定所述孔隙率误差允许范围的方法为：
6.根据权利要求1所述的块石路基施工级配优化方法，其特征在于，
7.根据权利要求1所述的块石路基施工级配优化方法，其特征在于：
8.根据权利要求2所述的块石路基施工级配优化方法，其特征在于，依据所述初始级配曲线，设定不同的级配的方法为：
9.根据权利要求1所述的块石路基施工级配优化方法，其特征在于，依据孔隙率指标与沉降率指标对块石堆的第一级配范围筛选之前，预先对所述第一级配范围筛选出目标粒径区间内对应的块石堆的级配范围，以进一步从所述目标粒径区间内对应的块石堆的级配范围中筛选出满足所述沉降率指标要求下的所述孔隙率指标所对应的级配范围，作为所述目标级配。
10.一种块石路基施工级配优化装置，其特征在于，采取权利要求1-9任一项所述的块石路基施工级配优化方法，所述块石路基施工级配优化装置包含：
