基于離散元的鋼輪壓實土壤過程仿真分析

鄭艾欣，張志峰，王慧強(qiáng)，陳鵬

（1.長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室，西安 710064；2.陜西漢德車橋有限公司，西安 710064；3.山推工程機(jī)械股份有限公司，山東濟(jì)寧 272073）

0 引言

壓路機(jī)主要用于對路面材料的壓實，其作業(yè)性能的好壞直接影響路面質(zhì)量。壓路機(jī)壓實作業(yè)是通過鋼輪和土壤相互作用產(chǎn)生的。因此，國內(nèi)外很多學(xué)者建立“壓路機(jī)-土壤”模型研究其相互作用[1-3]，主要是通過將土壤簡化為彈性-阻尼模型進(jìn)行仿真試驗，通過調(diào)整模型參數(shù)來分析其動態(tài)響應(yīng)過程[4-5]，為壓路機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。國外學(xué)者根據(jù)試驗提出土壤的壓實還受到共振的影響，被大多數(shù)人所接受[6-7]。還有學(xué)者根據(jù)有限元法研究振動壓實機(jī)理，但這種方法由于土壤材料本身是顆粒狀，其結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性使得這種方法具有一定的缺陷。

因此，本論文將使用離散元法模擬土壤振動壓實過程，建立“鋼輪-土壤”離散元模型[8-9]，模擬鋼輪壓實過程，分析土壤材料的沉降量和孔隙率變化程度，以及土壤在壓實過程中的受力情況，并對實際作業(yè)情況提出意見[10]。

1 “土壤-鋼輪”離散元模型建立

1.1 土壤離散元模型的建立

壓實土壤一般為三相體，其中液態(tài)水所占的比例很小，對土體影響不大。因此，在模型建立過程中不考慮。通過查閱相關(guān)資料，土壤顆粒模型初定為塊狀、核狀、柱狀3種結(jié)構(gòu)，這3種結(jié)構(gòu)最大程度地接近實際土壤級配。通過普通球形顆粒進(jìn)行三角陣列填充得到如圖1所示的砂土顆粒模型。本仿真所選用的球形顆粒直徑為6 mm，接觸半徑為3 mm[3]。

考慮到實際情況下土顆粒在堆積過程中有空隙產(chǎn)生，便將初始空隙率設(shè)為40%，計算得到土壤的總質(zhì)量為40 kg。查閱相關(guān)資料，在土槽（長×寬×高為：1200 mm×300 mm×100 mm）里建立3個顆粒工廠，分別裝入球型、長條型、棱柱形顆粒，并將其質(zhì)量分別設(shè)計為20 kg、13.33 kg、6.67 kg。在仿真軟件中，顆粒工廠中的顆粒在生成后在重力的作用下迅速沉積，如圖2所示。

圖1 砂土顆粒模型

圖2 土壤顆粒生成模型

1.2 鋼輪模型的建立

靜碾壓實過程中，鋼輪壓實土壤主要通過重力作用對土壤材料進(jìn)行壓實。土體反作用于鋼輪，垂直于接觸面上，經(jīng)過分解受力，鋼輪受到一個水平方向的分力和繞軸心的扭矩。仿真所應(yīng)用的鋼輪質(zhì)量為6 500 kg，鋼輪寬度為1 676 mm，外徑為1 219 mm，如圖3所示。在三維軟件Pro/E中繪制鋼輪模型，并將其導(dǎo)入到EDEM中。

圖3 鋼輪模型

2 靜碾過程的離散元仿真

在使用EDEM軟件進(jìn)行仿真試驗以前，設(shè)置鋼輪的線速度為1.4 m/s，設(shè)定仿真總時間為10 s，時間每經(jīng)過1 s時，鋼輪對土體進(jìn)行1遍壓實。其中0～2 s用于土顆粒的生成，2～10 s對土壤進(jìn)行8遍壓實，鋼輪靜碾壓實過程如圖4所示。

圖4 壓實過程示意圖

2.1 壓實對土體沉降量的影響

壓路機(jī)壓實性能的好壞可以通過土壤沉降量的變化來反映。在EDEM軟件中，利用后處理模塊中的截斷分析取出土體中間部分。按照圖5所示的方法布置測量點，沿鋼輪運動方向均勻設(shè)置3個測量位置，鋼輪縱向方向布置2個測試點。將每個測量位置處的2組數(shù)據(jù)求平均值，測量8次壓實后的沉降量并繪制成折線圖，如圖6所示。

圖5 沉降量測量布置點

圖6 土體高度變化曲線

如圖6所示，3個位置處的土體高度均隨著壓實次數(shù)的增加整體呈現(xiàn)遞減趨勢，并且每個位置之間的差距很小。在土壤經(jīng)過7～8遍壓實后，沉降量幾乎沒有太大變化，說明土壤的壓實度已經(jīng)達(dá)到一個極限的狀態(tài)，這與實際工程中的規(guī)律也是一致的。由于土壤離散元模型中，土壤顆粒粒徑較大，且級配與實際有一定差異，導(dǎo)致前5遍壓實過程中，土體沉降量曲線斜率變化較小。

2.2 壓實對土壤孔隙率的影響

在壓實土壤后，土壤的壓實度提高，土壤的孔隙率減小。因此，通過土壤孔隙率的變化可反映土壤的壓實程度。在仿真試驗中，為了研究孔隙率的變化情況，在EDEM軟件中將土體劃分成多個網(wǎng)格單元組，統(tǒng)計網(wǎng)格單元小格在每個整時刻的孔隙率并繪制成圖表，如圖7所示。

圖7 壓實過程空隙率變化

由圖7可知，在前3遍壓實過程中，土壤的孔隙率下降很多，下降了大約10%，土壤密實度得到了很大地提升；在第4～7遍壓實后，孔隙率雖然下降，但其下降程度減慢，反映出土壤顆粒的密實度逐漸提高；第8遍壓實后，孔隙率有上升的趨勢，說明此時顆粒密實度已達(dá)到最大，如果壓路機(jī)再繼續(xù)進(jìn)行壓實，則將導(dǎo)致壓實表面振松。

2.3 壓實過程中土壤顆粒壓力的變化

在軟件中，將土體劃分為網(wǎng)格單元，并取出中間單元組（高亮部分如圖8所示），并作出土壤顆粒壓力隨時間變化的折線圖，如圖9所示。

圖8 網(wǎng)格單元組

圖9 為不同位置下不同遍數(shù)下土壤壓力變化曲線，其中橫坐標(biāo)表示鋼輪距取樣點的位置。由圖9可知，隨著壓實遍數(shù)的增加，土壤所受的壓力逐漸增大，顆粒更加密實，壓實度不斷提高。土體在鋼輪正下方時所受的壓力最大，兩邊土體壓力對稱地下降。

3 結(jié)束語

利用“土壤-鋼輪”離散元模型來模擬土壤的靜碾壓實過程，分析了壓實遍數(shù)對土體沉降量、孔隙率的影響規(guī)律。隨著壓實遍數(shù)的增加，土壤的壓實度逐漸得到提高。在鋼輪作用下，鋼輪正下方的土壤受力最大，鋼輪兩側(cè)的土體壓力近似對稱分布，且由于壓實遍數(shù)增加，土體厚度減少，土壤受到的最大壓力值也隨之增加。靜碾壓實過程的仿真結(jié)果表明，在一定厚度的鋪層進(jìn)行壓實時，存在一個最佳的壓實遍數(shù)。利用離散元方法可用于分析“土壤-鋼輪”的動態(tài)相互作用，能夠從微觀上揭示壓實過程土壤顆粒的受力變形特性，是研究壓實機(jī)械壓實過程的一種新方法。

圖9 不同壓實遍數(shù)壓力變化規(guī)律