基于离散元的钢轮压实土壤过程仿真分析

郑艾欣，张志峰，王慧强，陈鹏

（1.长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，西安 710064；2.陕西汉德车桥有限公司，西安 710064；3.山推工程机械股份有限公司，山东济宁 272073）

0 引言

压路机主要用于对路面材料的压实，其作业性能的好坏直接影响路面质量。压路机压实作业是通过钢轮和土壤相互作用产生的。因此，国内外很多学者建立“压路机-土壤”模型研究其相互作用[1-3]，主要是通过将土壤简化为弹性-阻尼模型进行仿真试验，通过调整模型参数来分析其动态响应过程[4-5]，为压路机结构优化提供理论基础。国外学者根据试验提出土壤的压实还受到共振的影响，被大多数人所接受[6-7]。还有学者根据有限元法研究振动压实机理，但这种方法由于土壤材料本身是颗粒状，其结构的不连续性使得这种方法具有一定的缺陷。

因此，本论文将使用离散元法模拟土壤振动压实过程，建立“钢轮-土壤”离散元模型[8-9]，模拟钢轮压实过程，分析土壤材料的沉降量和孔隙率变化程度，以及土壤在压实过程中的受力情况，并对实际作业情况提出意见[10]。

1 “土壤-钢轮”离散元模型建立

1.1 土壤离散元模型的建立

压实土壤一般为三相体，其中液态水所占的比例很小，对土体影响不大。因此，在模型建立过程中不考虑。通过查阅相关资料，土壤颗粒模型初定为块状、核状、柱状3种结构，这3种结构最大程度地接近实际土壤级配。通过普通球形颗粒进行三角阵列填充得到如图1所示的砂土颗粒模型。本仿真所选用的球形颗粒直径为6 mm，接触半径为3 mm[3]。

考虑到实际情况下土颗粒在堆积过程中有空隙产生，便将初始空隙率设为40%，计算得到土壤的总质量为40 kg。查阅相关资料，在土槽（长×宽×高为：1200 mm×300 mm×100 mm）里建立3个颗粒工厂，分别装入球型、长条型、棱柱形颗粒，并将其质量分别设计为20 kg、13.33 kg、6.67 kg。在仿真软件中，颗粒工厂中的颗粒在生成后在重力的作用下迅速沉积，如图2所示。

图1 砂土颗粒模型

图2 土壤颗粒生成模型

1.2 钢轮模型的建立

静碾压实过程中，钢轮压实土壤主要通过重力作用对土壤材料进行压实。土体反作用于钢轮，垂直于接触面上，经过分解受力，钢轮受到一个水平方向的分力和绕轴心的扭矩。仿真所应用的钢轮质量为6 500 kg，钢轮宽度为1 676 mm，外径为1 219 mm，如图3所示。在三维软件Pro/E中绘制钢轮模型，并将其导入到EDEM中。

图3 钢轮模型

2 静碾过程的离散元仿真

在使用EDEM软件进行仿真试验以前，设置钢轮的线速度为1.4 m/s，设定仿真总时间为10 s，时间每经过1 s时，钢轮对土体进行1遍压实。其中0～2 s用于土颗粒的生成，2～10 s对土壤进行8遍压实，钢轮静碾压实过程如图4所示。

图4 压实过程示意图

2.1 压实对土体沉降量的影响

压路机压实性能的好坏可以通过土壤沉降量的变化来反映。在EDEM软件中，利用后处理模块中的截断分析取出土体中间部分。按照图5所示的方法布置测量点，沿钢轮运动方向均匀设置3个测量位置，钢轮纵向方向布置2个测试点。将每个测量位置处的2组数据求平均值，测量8次压实后的沉降量并绘制成折线图，如图6所示。

图5 沉降量测量布置点

图6 土体高度变化曲线

如图6所示，3个位置处的土体高度均随着压实次数的增加整体呈现递减趋势，并且每个位置之间的差距很小。在土壤经过7～8遍压实后，沉降量几乎没有太大变化，说明土壤的压实度已经达到一个极限的状态，这与实际工程中的规律也是一致的。由于土壤离散元模型中，土壤颗粒粒径较大，且级配与实际有一定差异，导致前5遍压实过程中，土体沉降量曲线斜率变化较小。

2.2 压实对土壤孔隙率的影响

在压实土壤后，土壤的压实度提高，土壤的孔隙率减小。因此，通过土壤孔隙率的变化可反映土壤的压实程度。在仿真试验中，为了研究孔隙率的变化情况，在EDEM软件中将土体划分成多个网格单元组，统计网格单元小格在每个整时刻的孔隙率并绘制成图表，如图7所示。

图7 压实过程空隙率变化

由图7可知，在前3遍压实过程中，土壤的孔隙率下降很多，下降了大约10%，土壤密实度得到了很大地提升；在第4～7遍压实后，孔隙率虽然下降，但其下降程度减慢，反映出土壤颗粒的密实度逐渐提高；第8遍压实后，孔隙率有上升的趋势，说明此时颗粒密实度已达到最大，如果压路机再继续进行压实，则将导致压实表面振松。

2.3 压实过程中土壤颗粒压力的变化

在软件中，将土体划分为网格单元，并取出中间单元组（高亮部分如图8所示），并作出土壤颗粒压力随时间变化的折线图，如图9所示。

图8 网格单元组

图9 为不同位置下不同遍数下土壤压力变化曲线，其中横坐标表示钢轮距取样点的位置。由图9可知，随着压实遍数的增加，土壤所受的压力逐渐增大，颗粒更加密实，压实度不断提高。土体在钢轮正下方时所受的压力最大，两边土体压力对称地下降。

3 结束语

利用“土壤-钢轮”离散元模型来模拟土壤的静碾压实过程，分析了压实遍数对土体沉降量、孔隙率的影响规律。随着压实遍数的增加，土壤的压实度逐渐得到提高。在钢轮作用下，钢轮正下方的土壤受力最大，钢轮两侧的土体压力近似对称分布，且由于压实遍数增加，土体厚度减少，土壤受到的最大压力值也随之增加。静碾压实过程的仿真结果表明，在一定厚度的铺层进行压实时，存在一个最佳的压实遍数。利用离散元方法可用于分析“土壤-钢轮”的动态相互作用，能够从微观上揭示压实过程土壤颗粒的受力变形特性，是研究压实机械压实过程的一种新方法。

图9 不同压实遍数压力变化规律