含可破碎填料的填石路基压实仿真

2019-12-09丁智勇李国政张通化徐信芯

筑路机械与施工机械化 2019年11期

丁智勇，李国政，张通化，徐信芯

(1.长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西西安 710064；2.东风康明斯发动机有限公司，湖北襄阳 441000)

0 引言

填石路基可将开凿路堑、爆破隧道及开采矿山时产生的弃石重新利用，起到保护水文、农田，改善当地环境的作用，具有社会和经济双层效益[1]。国内学者对填石路基的施工做了一些研究，但施工技术仍处于探索过程中。随着计算机技术的发展，相应的模拟软件随之出现。Saussine等通过完全接触动力学，对多边形颗粒材料在重复荷载作用下的沉降状况进行了模拟，结果表明了离散元法在解决材料沉降问题上的可行性[2]；Karrech建立三维离散元模型，研究了循环载荷下粒料的行为，表明通过优化计算过程可以将颗粒的流动计算时间减少[3]；涂帅选用Hertz-Mindlin模型，仿真分析高性能级配碎石的应力、应变特性，探究级配型碎石密实过程中的自锁条件，并建立了相应的多尺度关联法[4]；王团结利用PFC三维离散元软件，研究了土石混合料细观与宏观参数对压实效果的影响，提出以孔隙率作为土石混合料离散元模型压实效果的评价指标[5]；方磊在考虑颗粒单元之间接触性质的基础上，采用随机离散元法分析了激振力、频率对压实度的影响[6]；黄宝涛使用二维离散元法，探究了路基填料在振动压实下，空间组构、力学特性的演变过程[7]；王建通过三维离散元软件，分析了非弹性颗粒在循环载荷作用下的瞬态变化，对碎石材料在振动作用力下的运动规律进行研究[8]。

离散元数值模拟是模拟碎石块体等土结构压实的一种有效方法，但在模型建立方面存在一些不足，如：在对土颗粒建模时都是以球形为单元，与现实颗粒形状不符；在数值分析中，忽略颗粒破碎的影响，不能很好地反映实际压实情况，仿真误差大。本文基于EDEM软件对大粒径、复杂形状且可破碎颗粒进行压实仿真，反映填石路基的压实性质。

1 颗粒模型的建立

1.1 刚性颗粒生成

石料爆破开采后，通过5～20 mm筛孔的石料占10%，此外50～200 mm的颗粒占60%，由于压路机压实作用范围有限，因此文中岩石颗粒粒径范围为5～160 mm，建立扁平状和棱锥状颗粒模型，如图1所示。填料各粒径分布占比为正态分布[9-10]，如图2所示。岩性为石灰岩，参数[11]见表1。

图1 不同形状颗粒

图2 粒径分布

1.2 可破碎颗粒生成

为真实地反映填石路基的碾压特性，建立可破碎颗粒模型。通过EDEM 应用程序编程接口，编译

表1 石灰岩参数

生成颗粒替代插件，供EDEM软件调用，并以此生成可破碎颗粒模型。利用EDEM颗粒工厂生成若干大粒径颗粒，通过颗粒黏结插件把小颗粒粘接在一起，形成具有一定强度和形状的岩石颗粒，替代原来的大粒径颗粒，示意如图3所示。其岩石强度通过小颗粒间的黏结力值表示，其破碎遵循莫尔强度理论，计算公式为

式中：τ为最大切应力；σ为最大正应力；Kn为正向刚度系数；Kt为切向刚度系数；V为泊松比；E为岩石弹性模量；r为Friction小颗粒半径。

图3 颗粒替代示意

本文中Friction小颗粒半径为5 mm，将颗粒参数代入式(1)～(3)得τ=1.01×108N·m-2、Kn=4.16×109N·m-3、Kt=2.08×109N·m-3。

2 填石路基模型

根据文献[5]及相关规范，路基尺寸设置为1.60 m×0.9 m×0.72 m，铺层厚度控制在0.6 m左右。采用上面已建立的非球形刚性颗粒和可破碎颗粒对路基填充，可破碎颗粒选用Hertz-Mindlin with Bonding本构模型。填石路基各碎石填料颗粒混合后，碾压选用Hertz-Mindlin 接触本构，参数为软件本构模型的配置参数，填料组成如表2所示。基本接触参数(恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数)需进行“虚拟试验”标定，标定方式采用堆积角试验，通过正交组合，设定包括标准文件在内的10组组合数据，最后得到接触参数，如表3所示。数值模型采用三维离散元软件EDEM建立，将振动轮与路基接触面作条形处理。模型为长方体有侧限，在顶面分别建立颗粒工厂，生成填料和加载板墙体单元，如图4所示。填料平衡静止后，进行预压整平及后续振动荷载的施加。

表2 填料组成

表3 接触参数

图4 路基模型示意

由于在离散元软件中不能给墙体单元直接施加荷载，只能施加位移，控制加载速度，以达到加载的效果。根据能量等价公式[12-15]，P0=F(t)v(t)，即v(t)=P0/F(t)，因此文中通过控制墙体单元加载速度，实现振动荷载加载。

3 模拟过程及结果

3.1 压实过程模拟

首先，按照正态分布和填料组成情况生成仿真颗粒，并在载荷施加前确保颗粒达到重力平衡态。通过控制加载板将平衡后突起的填料整平，确保后期加载均匀，以防“逃逸”，最后通过Geometry Bin功能创建检测区，控制加载板，改变相应参数，先静压2遍，后循环振动碾压。碾压模拟情况如图5、6所示。

图5 碾压2遍

图6 碾压6遍

3.2 振动频率影响效应分析

激振力设定为200 kN，记录振动频率为28、35、48 Hz时的路基压实状况，振动频率对孔隙率的影响如图7所示。

图7 振动频率对孔隙率的影响

从图7中可以看出，振动频率对最终的压实效果有影响。振动频率为35 Hz时，碾压后孔隙率最低；振动频率为48 Hz时，压实程度相比最低，可见振动频率并非越高越易压实。观察图7可以看出：随碾压遍数增多，孔隙率降低，碾压6遍左右，孔隙率基本稳定在一定范围，变化幅度较小；路基在实际碾压中，若激振力参数不变，碾压6遍左右基本已达到最佳压实效果，再增加碾压遍数的工程意义不大。

3.3 激振力影响效应分析

振动频率设定为35 Hz，记录模拟激振力200、270、340 kN下路基压实状况，结果如图8所示。由图8可知：激振力越大，最终孔隙率越小，但不同激振力之间最终孔隙率之差相比不同频率最终孔隙率之差小。可见，频率对压实效果影响较大。从图8可以看出：频率一定，不同激振力下，随碾压遍数的增加，密实度提高；碾压超过5遍，孔隙率变化减小；在激振力为270、340 kN的情况下，碾压超过6遍后，孔隙率出现轻微反弹，路基上层可能出现填料松散、过压实的情况；对比激振力200 kN和270 kN，其路基压实效果相差不大，对比激振力270 kN和340 kN，大激振力下路基更密实。

图8 激振力对孔隙率的影响

3.4 颗粒破碎过程分析

利用EDEM自带的对颗粒黏结键断裂统计功能，将断裂总键数与生成总键数之比作为破碎率的量化指标。颗粒黏结键共生成106 110个，为了分析颗粒破碎过程，选用(0,1,0)切面作为示意面，对隐藏扁平状和棱锥状颗粒，只显示大颗粒的内部黏结键，35 Hz、200 kN下填料破碎率与碾压遍数关系如表4、图9所示，破碎过程如图10所示。

图9 破碎率与碾压遍数关系曲线

图10 颗粒破碎分布

碾压遍数200 kN破碎率/%270 kN破碎率/%340 kN破碎率/%平均破碎率/%12.94.24.73.9326.87.37.57.20310.213.413.212.27421.724.526.824.33529.430.231.230.27630.531.331.531.10731.231.832.331.77832.032.633.132.56

对比不同遍数下的颗粒破碎分布可以看出：颗粒的破碎主要集中在铺层上部，越接近振动源，破碎越明显。正方体、三棱柱、球体3种颗粒，以棱柱形颗粒破碎最多。对比分析3种颗粒体积，棱柱形的体积为554 093 mm3，球体颗粒体积为523 333 mm3，正方体颗粒体积为224 286 mm3，棱柱形的体积最大，其受到的总合力最大，并且棱角较多的颗粒应力分布不均，易断裂。

结合图9、10和表4可看出：颗粒碾压1遍，平均破碎率为3.93%，说明破碎率低，颗粒堆积松散，颗粒以下移运动为主；碾压2、3遍，断裂键数量增多，破碎率提高至12.27%，颗粒变形较大，部分颗粒发生破损；碾压4～5遍，平均破碎率达到30.27%，在当前设定的碾压参数下，颗粒破碎基本完成；碾压6～8遍，破碎减缓，破碎率只增加了2.29%。由此可将颗粒破碎过程整体分为四大阶段，即运动阶段、变形阶段、破损阶段、稳定阶段。

4 试验验证

为验证仿真的可靠性，参考文献[15]的现场压实试验结果，即：碎石填料为隧道爆破产生的弃渣；路基松铺厚度控制在50 cm，选用YZ20J-3型振动压路机，参数见表5，碾压方式为先静压1遍、再微振1遍、后强振3遍；现场铺设厚度为0.2 mm的聚乙烯塑料薄膜，采用灌水法检测孔隙率，每20 m作为1个断面，共设9个测点，数据如表6所示。

表5 振动压路机参数

由表6可知，参考文献的路基松铺后，均值在29.42%，仿真填料初始生成的孔隙率为31.36%，两者相差1.94%。主要原因是：实际松铺中，由于有推土机进行摊铺、平地机进行整平，相当于进行了预压；现场碾压完成后孔隙率平均值为22.55%，仿真中填料在碾压6遍后的孔隙率平均值为23.44%，相差仅为0.89%；现场实际碾压后孔隙率平均降低6.22%，仿真模拟的孔隙率平均降低7.92%，两者相差1.7%。可见模拟结果与实测值非常接近，孔隙率变化趋势如图11所示。