路面振動壓實系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析

黃志福，梁乃興，趙 毅，3，樊文勝，樊友偉

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥 230088；3.河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050091；4.江西省高速集團撫吉項目辦，江西 南昌 330025；5.江西交通咨詢公司，江西 南昌 330008)

路面振動壓實系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析

黃志福1,2，梁乃興1，趙 毅1，3，樊文勝4，樊友偉5

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥 230088；3.河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050091；4.江西省高速集團撫吉項目辦，江西 南昌 330025；5.江西交通咨詢公司，江西 南昌 330008)

從振動壓路機垂直加速度和路面壓實度的動力學(xué)關(guān)系出發(fā)，建立了路面振動壓實系統(tǒng)模型?；赟imulink的仿真結(jié)果表明：在振動壓路機合理工況范圍內(nèi)，激振力和振動頻率保持不變，振動輪加速度隨著路面材料的剛度系數(shù)的增大而增大，隨著阻尼系數(shù)的減小而增大。利用有限元分析軟件ABAQUS，建立振動輪-路面三維有限元模型。結(jié)果表明：在路面材料允許情況下，采用強振和一擋行駛速度壓實的效果最好，隨著碾壓遍數(shù)的增加，密實度提高；在進行復(fù)壓和終壓時，振動壓路機的碾壓速度應(yīng)適當提高，可以選擇二擋行駛速度進行壓實，有利于提高生產(chǎn)效率，降低施工成本。

道路工程；路面壓實度；振動輪加速度；動力學(xué)模型；仿真模擬

0 引 言

目前，我國公路建設(shè)質(zhì)量和水平大幅提高，公路路面的投資費用占工程總投資的30 %～50 %，特別是高等級公路，其路面的投資比重更大。路面一旦破壞，不僅經(jīng)濟損失非常巨大，同時也嚴重影響了公路的正常使用和交通秩序。

振動壓實是目前公路工程中常用的壓實方法之一，也是提高路面填料強度和穩(wěn)定性最有效的方法。振動壓路機依靠振動輪的高頻振動，產(chǎn)生沖擊波，使被壓實材料產(chǎn)生共振以降低材料的內(nèi)摩擦阻力，然后再利用壓路機的自重和沖擊力將材料壓實，不僅提高了壓路機的壓實效果和壓實速度，而且使深層的材料也能得到很好地壓實。隨著振動壓路機向高效節(jié)能、人-機環(huán)境協(xié)調(diào)和智能控制方向的發(fā)展，人們對振動壓路機的動力學(xué)分析日益關(guān)注。有效地建立振動壓路機-壓實材料動力學(xué)模型，可以為振動壓實智能控制提供科學(xué)依據(jù)，為振動壓路機結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和壓實作業(yè)參數(shù)選擇提供理論依據(jù)。

國外對路面振動壓實系統(tǒng)動態(tài)特性的研究最早開始于20世紀50年代。前蘇聯(lián)學(xué)者Н．Я．哈爾胡塔[1]最早建立“振動壓路機-壓實材料”系統(tǒng)模型，認為采用振動法進行壓實時，壓實材料的壓實度取決于壓路機的參數(shù)，并且與壓實材料的各項物理參數(shù)有關(guān)。美國學(xué)者E．T．Selig[2]和Yoo Tai-sung等[3]基于完全彈性振動理論，建立了“振動壓路機-壓實材料”系統(tǒng)的二自由度動力學(xué)模型，對光輪振動壓路機的影響因素和壓實機理作了較為詳細的分析和研究。德國學(xué)者D．Pietzsch等[4]將壓路機和壓實材料假設(shè)為閉環(huán)系統(tǒng)，模擬研究了其振動特性和壓實效果。

我國對振動壓實系統(tǒng)的研究始于20世紀80年代初。1986年，張仲甫等[5]首次對“振動壓路機-壓實材料”的系統(tǒng)模型進行研究，研究結(jié)果認為振動壓路機的壓實效果和本身的參數(shù)有關(guān)，且最佳振動參數(shù)與壓實材料的參數(shù)有關(guān)。張青哲等[6]根據(jù)機械系統(tǒng)動力學(xué)理論，結(jié)合土基振動壓實過程，建立了“振動壓路機-土”系統(tǒng)的二自由度動力學(xué)模型。向亮等[7]通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識別很好地映射了振動加速度和土壤壓實度之間的關(guān)系。邱聲等[8]建立了振動輪-土體有限元模型，很好地仿真了振動壓實過程的非線性響應(yīng)。

筆者從振動壓路機和壓實材料的動力學(xué)關(guān)系出發(fā)，建立振動壓路機-路面材料仿真模型，對振動輪和壓實度之間的關(guān)系及振動壓實效果進行分析，為路面壓實度自動連續(xù)檢測技術(shù)的開發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。

1 理論研究

易飛等[9]和嚴世榕等[10]對路面振動壓實過程進行了劃分，而壓實自動檢測則只針對A階段(彈塑性應(yīng)變階段)和B階段(彈性應(yīng)變階段)。其振動輪-路面系統(tǒng)動力學(xué)模型如圖1。

m1—車架質(zhì)量；m2—振動輪質(zhì)量；k1—振動輪減振器剛度；c1—振動輪減振器阻尼；k2—瀝青混合料彈性剛度；c2—振動輪與瀝青混合料的阻尼；F0=meω2，me—偏心塊的靜偏心矩，ω—偏心塊旋轉(zhuǎn)角速度；x1—車架瞬時位移；x2—振動輪瞬時位移。

圖1 振動輪-路面系統(tǒng)動力學(xué)模型
Fig.1 The vibration model of vibratory wheel-pavement system

由易飛等[9]得到振動輪的垂直加速度為與路面壓實材料之間的剛度和阻尼有關(guān)的變量，其表達式可表示為

(1)

通過式(1)以及壓實材料的剛度和阻尼與壓實度之間的關(guān)系可以得到：振動輪的垂直加速度與路面壓實度是正相關(guān)的，所以選取測定車輪加速度來計算壓實度理論上是可行的。

2 路面振動壓實系統(tǒng)模型仿真

2.1 基于Simulink的壓實系統(tǒng)仿真

2.1.1 仿真意義

振動壓路機與瀝青路面的相互作用中，即使是相同的數(shù)學(xué)模型，隨著頻率、振幅、剛度等參數(shù)的不同，動力學(xué)特性也會產(chǎn)生較大差異，因此對振動壓路機-瀝青路面動力學(xué)過程進行仿真，研究其動力學(xué)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性，一方面可以分析在壓實過程中，隨著路面剛度、阻尼等的變化，振動輪自身參數(shù)的變化情況；另一方面，通過分析振動參數(shù)如速度、加速度、位移的變化情況，得到振動壓路機振動壓實時振動變化規(guī)律，從而更深刻地了解振動壓路機的動力學(xué)特性，對提高壓實效果及合理選擇振動壓路機參數(shù)有著重要意義。

2.1.2 仿真方法

依托安徽泗許、濟祁兩條高速使用的沃爾沃DD138 HF壓路機；其運行重量13 752 kg；鋼輪寬度2 135 mm；振動頻率53.3 Hz；振動離心力97.1～188 kN。壓路機各參數(shù)：m1=2 320 kg；m2=4 500 kg；k1=1.9×105N/m；c1=2 000 N·s/m，F(xiàn)0=1.2×105kN；a=35～45 m/s2。

首先，在Simulink Library Browser各模塊庫中選取合適的模塊；其次，根據(jù)動力學(xué)方程構(gòu)建系統(tǒng)的仿真框圖；最后，在各模塊參數(shù)修改框中輸入初值，保存、運行[11]。

2.1.3 仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可知，隨著瀝青路面剛度增大，振動輪加速度、速度、位移幅值均增大；隨著瀝青路面阻尼系數(shù)的增大，振動輪振動加速度、振動速度、振動位移均減小。

2.2 路面振動壓實系統(tǒng)有限元模擬

振動輪-路面動力學(xué)模型是平面應(yīng)變問題，是二自由度模型，但在實際的振動壓實過程中，振動輪與路面材料的接觸區(qū)域是一個面壓力，此問題的解析解難以求出。故借助有限元分析軟件ABAQUS建立三維仿真模型，對振動壓實過程進行仿真與數(shù)值計算。

2.2.1 振動輪有限元模型

振動輪直徑為1.6 m，厚0.046 m，長為2.1 m的空心輪，材質(zhì)是Q235號鋼，密度7 800 kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量為211 GPa，得到的模型如圖2。

圖2 振動輪模型Fig.2 The finite element model of the vibratory wheel

2.2.2 路面材料有限元模型

路面壓實材料為半空間結(jié)構(gòu)，取長方體代替，并在5個面(接觸面除外)施加約束和黏性邊界，墊層采用級配砂礫，厚度20 cm，采用線彈性模型，基層為水泥穩(wěn)定碎石，厚度36 cm，采用Drucker-Prager彈塑性模型，面層為瀝青混合料，厚度18 cm，采用非線性彈塑性模型。

2.2.3 劃分網(wǎng)格及施加荷載

振動輪與路面材料之間采用面面接觸，同時根據(jù)壓實的實際情況進行約束，將激振力沿豎直方向施加在振動輪模型的質(zhì)心上，振動輪采用四面體實體單元進行網(wǎng)格劃分，共劃分12 866個單元，路面壓實材料采用六面體實體單元進行網(wǎng)格劃分，將面層劃分為898個單元，基層劃分成1 568個單元，墊層劃分成144個單元，建好的振動輪-路面模型如圖3 。

圖3 振動輪-路面網(wǎng)格模型Fig.3 The finite element model of the vibration wheel and pavement

2.2.4 振動壓實系統(tǒng)模擬結(jié)果

1)振動壓實時程分析

振動壓實時程分析如圖4。由圖4(a)可以看出，振動剛開始時，振動輪中心處的路面塑性變形最大，逐漸向四周擴散，離振動輪越遠，變化越不明顯，其變形成橢圓形。這是由于偏心塊高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生激振力，強迫振動輪產(chǎn)生強大的沖擊力，而這個激振力就在振動輪的中心處。

從圖4(b)可以看出，隨著振動輪的行駛，路面逐步壓實，但在路面中心處變形量也不是一樣，這是由于激振力是正弦變化的緣故。

從圖4(c)中則可以看出，振動壓實結(jié)束后，路面材料表面的變形并沒有消失，這是由于振動壓實過程中路面材料產(chǎn)生塑性變形，不可恢復(fù)。

圖4 振動壓實過程中路面變化Fig.4 The changes of the pavement during vibratory compacting

2)激振力對壓實效果的影響

圖5為靜壓、弱振、強振時和過大激振力時的路面材料有效塑性變形。從圖5中可以看出，它們的有效塑性變形量，依次增大，但靜壓時路面材料表面有效塑性變形不是很連續(xù)，且壓實效果很不好，而當激振力過大時，可能直接導(dǎo)致路面損壞，壓碎骨料;弱振和強振時，壓實的效果都比較好，且強振時的有效塑性變形更大，在工況允許的情況下采用強振，更能提高生產(chǎn)效率。

圖5 激振力對壓實效果的影響Fig.5 Effect of exciting force on compaction result

3)行駛速度對壓實效果的影響

為了研究振動壓路機的行駛速度對壓實效果的影響，在強振模式下，只改變壓路機的工作速度進行仿真，分別選擇其一擋速度(2 km/h)、二擋速度(4 km/h)、三擋速度(10.5 km/h)為行駛速度。

圖6是壓路機不同工作速度下路面的有效塑性變形結(jié)果。從圖6可以看出：一擋行駛速度時，壓實效果是最好的，二擋行駛速度的壓實效果比較好，但以三擋行駛時，路面材料表面有效塑性變形不是很連續(xù)且變形量小，不宜采用。但是考慮壓路機振動碾壓時，行駛速度低必然導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下，成本費用增加。從以上分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，壓路機分別在一檔和二檔行駛時效果差異并不是很大，故可初壓選擇一檔進行，在進行復(fù)壓和終壓時，可以選擇二檔進行，這樣有利于提高生產(chǎn)率，降低施工成本。

圖6 不同速度時路面有效塑性變形Fig.6 The effective plastic deformation of pavement at speed vairation

3 結(jié) 論

1)基于SIMULINK的仿真分析，在振動壓路機在合理工況范圍內(nèi)，激振力和頻率不變時，振動壓路機振動輪的加速度隨著被壓實材料剛度系數(shù)的增大而增大，隨著被壓實材料阻尼系數(shù)的減小而增大。

2)利用有限元軟件ABAQUS，建立振動輪-路面三維有限元模型。仿真分析結(jié)果表明，在路面材料允許情況下采用強振，更能提高生產(chǎn)效率。

3)采用強振和一擋行駛速度進行壓實的效果最好。隨著碾壓遍數(shù)的增加，密實度提高，在進行復(fù)壓和終壓時，可以選擇二擋行駛速度進行壓實，有利于提高生產(chǎn)率，降低施工成本。

[1] 哈爾胡塔Н Я．壓實土壤的理論及機械[M]．曹相云，譯．北京:水利出版社，1957． ХAPXYTA Н Я.SoilCompactionTheoryandMechanical[M].CAO Xiangyun,translation. Beijing: Water Conservancy Press,1957.

[2] SELIG E T. Fundamentals of vibratory compaction of soil[C]∥Proeeedingsof9thInternationalConferenceonSoilMechanicsandFoundationEngineering. Japan,1977:375-380.

[3] YOO Tai-sung,SELIG E T. Dynamics of vibratory-roller compaction[J].JoumalofTheGeotechnicalEngineeingDivision,1979,105(10): 1211-1231.

[4] PIETZSCH D,POPPY W. Simulation of soil compaction with vibratory rollers[J].JoumalofTerramechanics,1992,29(6):585-597.

[5] 張仲甫，饒明太，萬世宏，等．振動壓實過程中的土壤-機械系統(tǒng)相似模型的實驗研究[J]．武漢工學(xué)院學(xué)報，1986(3):1-11. ZHANG Zhongfu,RAO Mingtai,WAN Shihong,et al. Experimental research of the similitude model of soil-machine system during vi-bratory campaction[J].JournalofWuhanInstituteofTechnology,1986(3): 1-11.

[6] 張青哲，楊人鳳，戴經(jīng)梁．黃土振動壓實試驗研究[J]．鄭州大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2010，31(3):92-95． ZHANG Qingzhe,YANG Renfeng,DAI Jingliang. Loess property and vibrating compaction test[J].JournalofZhengzhouUniversity(EngineeringScience),2010,31(3): 92-95.

[7] 向亮，曹源文，易飛.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的振動壓路機土壤壓實度數(shù)據(jù)處理[J]．重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012,31(2):261-263. XIANG Liang，CAO Yuanwen，YI Fei. Data processing of soil compaction degree of vibratory roller based on neural network[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience),2012,31(2):261-263.

[8] 邱聲,曹源文.非線性有限元在振動壓實中的應(yīng)用[J]．重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011,30(2):270-272. QIU Sheng,CAO Yuanwen. Application of nonlinear finite elementin vibration compaction[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience),2011,30(2):270-272.

[9] 易飛，曹源文．小波去噪在振動壓路機振動信號處理中的應(yīng)用[J]．重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011，30(1) :162-165． YI Fei,CAO Yuanwen. Application and research of wavelet de-noising in the data processing of vibratory roller[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience),2011,30(1) :162-165.

[10] 嚴世榕，聞邦椿．振動壓路機的一種非線性動力學(xué)特性研究[J]．福州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2000，28(5):64-67． YAN Shirong,WEN Bangchun. Investigation of characteristics of one kind of nonlinear dynamics of a vibratory roller[J].JournalofFuzhouUniversity(NaturalScience),2000,28(5):64-67.

[11] 吳梁．路基土壓實度檢測技術(shù)研究[D]．重慶:重慶交通大學(xué)，2008． WU Liang.ResearchontheCompactionDegreeDetectionTechnologyofSubgradeSoil[D]. Chongqing: Chongqing Jiaotong University,2008.

Dynamic Simulation Analysis on Vibration Compaction System of Pavement

HUANG Zhifu1,2, LIANG Naixing1, ZHAO Yi1,3, FAN Wensheng4, FAN Youwei5

(1.School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P. R. China;2.Anhui Transportation Holding Group Co.Ltd，Hefei 230088, Anhui, P. R. China;3.Hebei Jiaotong Vocational & Technical College, Shijiazhaang 050091,Hebei,P. R. China;4.Jiangxi Expressway Group Fuzhou to Ji’an Project Office, Nanchang 330025, Jiangxi, P. R. China;5.Jiangxi Traffic Consulting Company, Nanchang 330008,Jiangxi, P. R. China)

A dynamic model of pavement vibratory compaction system was established based on the relationship between the vertical acceleration of vibratory roller and pavement compactness. The results of simulation by Simulink show that if the vibratory roller is in reasonable conditions within the scope of work and on the basis of the constant exciting force and vibrating frequency, the accelerating speed of roller wheel increases with increased stiffness coefficient of pavement material and decreases with the increased damping coefficient. The three-dimensional vibratory-pavement simulating model was established with finite element analysis software ABAQUS to simulate the pavement vibratory compaction system. Analysis results show that if pavement materials permit, use of strong vibration and first gear speed generates optimum compaction result. With the increased rounds of compaction, the pavement material density is improved. During re-compacting and final compacting the higher speed of vibratory roller should be applied and second gear of driving speed can be applied in compacting to improve production efficiency and reduce works cost.

highway engineering; pavement compaction; vibration wheel acceleration; dynamic model; simulation

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.02.12

2015-04-06；

2015-04-26

安徽省交通運輸廳科技項目(2013SSLMJK)；江西省交通運輸廳重點科技項目(2012C0019)

黃志福(1963—)，男，安徽六安人，博士研究生，教授級高級工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理方面的研究。E-mail:sxqlyi@163.com。

U415.51

A

1674-0696(2016)02-050-04