CN104615482B - 一种冷再生混合料在压实过程中破碎的模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷再生混合料在压实过程中破碎的模拟方法，采用离散元的方法分析冷再生混合料在压实过程中级配发生变化的颗粒破碎的现象。所公开的材料为冷再生混合料，室内击实试验中，发现冷再生混合料颗粒在击实过程中发生了破碎，导致了冷再生混合料的级配发生了变化；用PFC^2D软件建立冷再生混合料结构层离散模型，对冷再生混合料在压实过程中的破碎进行了模拟。本发明为能够PFC^2D构建模型和能够比较真实的反映冷再生混合料的破碎过程，对易碎颗粒设置成由多个颗粒聚集在一起的簇颗粒，数量众多的细颗粒不在模型中体现，以此来模拟颗粒的破碎，此方法使用简便，易于构建，容易推广。

Description

一种冷再生混合料在压实过程中破碎的模拟方法

技术领域

本发明涉及一种模拟方法，具体涉及一种冷再生混合料在压实过程中破碎的模拟方法。

背景技术

青路面就地冷再生技术是指对需要改造的旧沥青路面进行现场铣刨、翻挖、破碎和筛分，之后需要加入一定量的新集料、再生结合料和水，在常温条件下经过拌合、摊铺、碾压等施工工序，使其再生后能够满足道路结构层性能要求的技术。由于再生技术对旧路材料的回收利用率比较高，有时甚至达到100％，故比较适合我国常用的半刚性基层沥青路面结构。旧沥青混合料和旧路基层的再生利用，不像新修筑的道路那样需要使用很多的沥青和砂石材料，旧路材料也不需要考虑运输和堆放的问题，因此，沥青路面就地冷再生技术拥有显著的经济、社会和环境效益。

采用冷再生技术对道路进行改造时，冷再生混合料颗粒在压实过程中发生破碎，其中冷再生混合料中的旧灰土块更容易发生破碎，通过对冷再生混合料在击实前后的级配进行对比，在室内击实试验后，冷再生混合料中粒径较小的集料质量增加了，粒径较大的集料质量减少了，说明冷再生混合料在击实过程中发生了破碎。从而导致冷再生混合料的级配发生变化，目前这一问题的研究还是空白。

冷再生混合料中的集料在碾压或击实过程中会发生破碎，目前在室内试验中已经证实了这一过程，但还未有软件对击实过程集料的破碎进行仿真模拟。而离散单元法(Distinct Element Method，DEM)是一种针对非连续介质的研究方法，从上世纪70年代应用以来，其在岩土工程、地质工程、土质学、机械工程等领域都得到了很多应用，也取得了一些丰硕的研究成果，是一种新颖的非连续介质研究方法。PFC^2D又称二维颗粒流程序，是离散元中的一种程序，其利用颗粒的运动来显示研究材料的特性，或者说PFC^2D将材料的微观问题由物理界转到数学界进行解答，实物边界简化为球体、柱体、墙体等，而颗粒之间由接触模型建立联系，颗粒的应力状态通过迭代方式体现。其假设认为颗粒是刚体的，颗粒与颗粒之间是可接触的，接触点有接触强度，且颗粒与颗粒之间课重叠，颗粒的运动包括旋转运动和平移运动。但在模拟的过程中单个颗粒是不可能发生破碎的，因此无法有效的模拟冷再生混合料在压实过程中破碎。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种冷再生混合料在压实过程中破碎的模拟方法，该方法可以有效的模拟冷再生混合料在压实过程中的破碎。

为达到上述目的，本发明所述的冷再生混合料在压实过程中破碎的模拟方法包括以下步骤：

1)确定冷再生混合料的结构层离散元模型的长度及宽度，使用PFC^2D中的wall模块建立的矩形方框，其中，矩形方框的面积大于冷再生混合料结构层离散元模型的横截面积；

2)根据粒径的大小将冷再生混合料分为若干级，将粒径小于预设阀值的冷再生混合料记作单颗粒，将粒径大于等于预设阀值的冷再生混合料记作簇颗粒，其中，簇颗粒由核心颗粒及六个外颗粒组成，六个外颗粒均匀分布在核心颗粒周围，且六个外颗粒之间以及与核心颗粒之间均通过平行粘结键相互粘结，在碾压过程中，单颗粒只传递力，不产生破坏；簇颗粒发生破坏；

3)根据实验要求为单颗粒和簇颗粒赋予相应的物理力学参数；

4)设置压路机滚动轮的半径和密度，各单颗粒和簇颗粒在自重应力条件下运动，使压路机滚动轮与冷再生混合料的结构层离散元模型实现接触，并达到自重应力平衡；

5)设置压路机滚动轮的转动角速度v_r，在PFC^2D中通过FISH语言编程控制压路机滚动轮的运动；

6)用FISH语言中编写代码，使冷再生混合料结构层离散元模型的左右两侧墙体分别设置为压路机滚动轮循环碾压的左右边界；

7)在FISH语言的控制下通过压路机滚动轮在冷再生混合料的结构层离散元模型上方进行滚动，实现冷再生混合料在压实过程中破碎的模拟。

步骤1)中经筛选后各级冷再生混合料的密度相同。

步骤2)中的预设阀值为9.5mm。

步骤3)中根据实验要求为单颗粒和簇颗粒赋予相应的物理力学参数的具体过称为：将单颗粒及簇颗粒的密度均设置为1700kg/m³，单颗粒及簇颗粒的摩擦系数均设置为0.5，簇颗粒及单颗粒的法向与切向刚度均为8.0×108N/m，簇颗粒之间的平行粘结强度、单颗粒之间平行粘结强度、以及簇颗粒与单颗粒之间的平行粘结强度均为2.45Mpa。

步骤4)中压路机滚动轮的半径设置为0.15m，压路机滚动轮的密度设置为7850kg/m³。

压路机滚动轮的转动角速度v_r设置为：v_x＝v_r·R，其中，v_x为压路机滚动轮沿水平方向的平移速度，R为压路机滚动轮的半径。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的冷再生混合料在压实过程中破碎的模拟方法在模拟冷再生混合料在压实过程中破碎的过程中，现在使用PFC^2D中的wall模块建立的矩形方框，再根据粒径的大小将冷再生混合料分为单颗粒及簇颗粒，其中簇颗粒由六个外颗粒与核心颗粒通过平行粘结键相互粘结组成，簇颗粒发生破坏，然后给单颗粒及簇颗粒设置物理力学参数，并设有压路机滚动轮的半径、密度、转动角速度以及运动过程中的左右边界，然后通过FISH进行以上设置的编程，再通过FISH语言在PFC^2D软件中实现对冷再生混合料在压实过程中破碎的模拟，操作简单，实用性极强，开创了PFC^2D软件应用的新领域，使集料在击实的过程中的破碎直观的表现出来，使肉眼看不到的过程在软件的帮助下成为现实。

附图说明

图1为本发明中簇颗粒的结果示意图；

图2为实施例一中冷再生混合料结构层离散元模型中级配颗粒生成时的示意图；

图3为实施例一中冷再生混合料结构层离散元模型中级配颗粒达到自重应力平衡后的模型；

图4为实施例一中压路机滚动轮作用在冷再生混合料结构层离散元模型上的初始加载图；

图5为实施例一中滚动轮作用在冷再生混合料结构层离散元模型上初始加载时的力链图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明所述的冷再生混合料在压实过程中破碎的模拟方法包括以下步骤：

1)确定冷再生混合料的结构层离散元模型的长度及宽度，使用PFC^2D中的wall模块建立的矩形方框，其中，矩形方框的面积大于冷再生混合料结构层离散元模型的横截面积；

2)根据粒径的大小将冷再生混合料分为若干级，将粒径小于预设阀值的冷再生混合料记作单颗粒，将粒径大于等于预设阀值的冷再生混合料记作簇颗粒，其中，簇颗粒由核心颗粒及六个外颗粒组成，六个外颗粒均匀分布在核心颗粒周围，且六个外颗粒之间以及与核心颗粒之间均通过平行粘结键相互粘结，在碾压过程中，单颗粒只传递力，不产生破坏；簇颗粒发生破坏；

3)根据实验要求为单颗粒和簇颗粒赋予相应的物理力学参数；

4)设置压路机滚动轮的半径和密度，各单颗粒和簇颗粒在自重应力条件下运动，使压路机滚动轮与冷再生混合料的结构层离散元模型实现接触，并达到自重应力平衡；

5)设置压路机滚动轮的转动角速度v_r，在PFC^2D中通过FISH语言编程控制压路机滚动轮的运动；

6)用FISH语言中编写代码，使冷再生混合料结构层离散元模型的左右两侧墙体分别设置为压路机滚动轮循环碾压的左右边界；

7)在FISH语言的控制下通过压路机滚动轮在冷再生混合料的结构层离散元模型上方进行滚动，实现冷再生混合料在压实过程中破碎的模拟。

步骤1)中经筛选后各级冷再生混合料的密度相同。

步骤2)中的预设阀值为9.5mm。

步骤3)中根据实验要求为单颗粒和簇颗粒赋予相应的物理力学参数的具体过称为：将单颗粒及簇颗粒的密度均设置为1700kg/m³，单颗粒及簇颗粒的摩擦系数均设置为0.5，簇颗粒及单颗粒的法向与切向刚度均为8.0×108N/m，簇颗粒之间的平行粘结强度、单颗粒之间平行粘结强度、以及簇颗粒与单颗粒之间的平行粘结强度均为2.45Mpa。

步骤4)中压路机滚动轮的半径设置为0.15m，压路机滚动轮的密度设置为7850kg/m³。

压路机滚动轮的转动角速度v_r设置为：v_x＝v_r·R，其中，v_x为压路机滚动轮沿水平方向的平移速度，R为压路机滚动轮的半径。

实施例一

本文中利用的回收沥青路面材料(RAP)是从山东省菏泽市境内黄安路(黄集一安陵)试验路段中取得，原道路结构层为：4cm沥青贯入碎石+15cm石灰土+15cm石灰土，石灰掺量为12％。旧路沥青混合料和旧石灰土基层经铣刨后运至长安大学公路学院实验室，进行道路冷再生的相关试验。冷再生混合料在击实和压实过程中确实发生了颗粒的破碎现象，导致了冷再生混合料的级配产生变化见表1。

表1

由表1可知冷再生混合料击实前的级配相比，无论加入或是不加入无机结合料进行击实，粒径为19mm～26.5mm和粒径为9.5mm～19mm集料的质量百分比都会减少。

实际模型试验中冷再生混合料的颗粒级配分为7档(见表2)。

表2

筛孔(mm)	31.5	26.5	19.0	9.5	4.75	2.36	0.6	0.075
									通过率(％)	100	96.2	78.9	49.8	31.4	22.0	14.5	7.0

由试验可知产生破碎的颗粒主要是粒径为19mm～26.5mm和粒径为9.5mm～19mm这两档颗粒。因此，在PFC^2D建模过程中，将这两档颗粒设置为多个颗粒聚集在一起的簇颗粒(即cluster)。PFC^2D中簇颗粒建模示意图如图1所示，以核颗粒为核心，在其外围生成6个与核颗粒粒径相等的外颗粒，并采用菱形排列，均匀分布在核颗粒周围。7个颗粒之间采用PFC^2D中的平行粘结键进行粘结，使得7个颗粒粘结在一起从而形成一个整体的簇颗粒。每个簇颗粒的强度直接受颗粒间平行粘结键的控制，包括平行粘结切向强度：Array clust_pbs(clust_dsN)和平行粘结法向强度：Array clust_pbn(clust_dsN)。通过这种建模方法，就形成了可以模拟大颗粒受碾压破碎的簇颗粒。

为了计算方便，先假设各级颗粒密度相同。由于粒径为26.5mm～31.5mm的颗粒比较少，建模时可将其视为簇颗粒。粒径为9.5mm以下的颗粒在PFC^2D中采用单颗粒进行建模，而不形成簇颗粒，在碾压过程中它们可以传递力，但不会产生破坏。通过试验性建模发现，当7档颗粒全部按照实际粒径进行建模后，模型的颗粒数量远远超过了程序运行的能力，其中粒径小于0.6mm的颗粒的体积只占冷再生混合料总体积的14.5％，但其颗粒数量却占到颗粒总数量的90％以上，严重影响到了计算机的运行速度和计算效率，甚至会造成电脑死机。通过对实际试验的分析可以得知，击实试验过程中粒径小于0.6mm的颗粒对破碎过程的影响很小，可以忽略不计，因此在实际建模过程中，忽略了粒径小于0.6mm的颗粒，并将其所占体积归入粒径为0.6mm～2.36mm这一档颗粒中，从而得到模型的颗粒总数量约为3万，既保证了模拟试样的合理性，也保证了模拟计算的效率。

具体建模之前，首先要确定冷再生混合料结构层离散元模型的长度和宽度，冷再生混合料结构层离散元模型的长度既不能太小也不能太大。振动压路机的最佳压实层厚度为0.3～0.6m，同时考虑到孔隙率和颗粒数目两方面的因素，故拟定冷再生混合料结构层离散元模型的长度为2m、宽度为0.6m。

具体的建模过程如下：

1)使用PFC^2D中的wall模块建立矩形方框，长度为2m，宽度为0.6m。该矩形方框的面积大于实际冷再生混合料结构层离散元模型的横截面积，目的是为了给颗粒的生成创造更大的空间，避免颗粒间形成初始的接触力，方便后续的模型自重应力平衡步骤。

2)按照冷再生混合料的合成级配首先生成可破碎颗粒的核颗粒，颗粒位置随机设置。

3)在每个核颗粒四周自动生成6颗与核颗粒等粒径的外颗粒，并用平行粘结键相互粘结，从而形成簇颗粒。

4)按照冷再生混合料的合成级配生成后续的3档单颗粒。

5)为单颗粒和簇颗粒赋予物理力学参数。由旧灰土的劈裂强度的模拟试验可得到旧灰土颗粒之间的平行粘结法向与切向强度的合理取值为2.45MPa，

6)给系统赋予自重应力，使颗粒实现自重应力平衡。

7)删除0.5m以上的多余颗粒。

由于试验条件和时间有限，参考材料细观参数的设定，同时经过程序的试运行后，簇颗粒和单颗粒的颗粒密度均取为1700kg/m³，颗粒摩擦系数取为0.5，颗粒法向与切向刚度比、颗粒间平行粘结法向与切向刚度比取为1.0；取颗粒法向与切向刚度为8.0×108N/m；颗粒间平行粘结强度取为2.45Mpa，平行粘结半径比为1.0。

冷再生混合料结构层离散元模型中级配颗粒生成时的示意图如图2所示，达到自重应力平衡后的模型如图3所示，从图3中可以看出，模型中的簇颗粒实现了随机均匀分布，其周围分布着不可破碎颗粒。

当冷再生混合料结构层离散元模型建立后，需要在PFC^2D中建立模拟压路机碾压的试验环境。对于本模拟的二维材料来说，压路机滚动轮可以用半径为0.15m，密度为7850kg/m³的大型颗粒来近似模拟。通过FISH语言编程，来实现对滚动轮滚动速度和循环碾压路径的自动控制。压路机滚动轮从左往右运动至最右边时，对其设置一个方向往左大小一样的速度，压路机滚动轮由右往左运动至最左边时，再对其设置方向往右大小一样的速度，以达到循环碾压的目的。

具体的加载建模步骤如下：

1)在模型路径的左上方生成半径为0.15m，密度为7850kg/m³的大型颗粒作为压路机滚动轮，并在自重应力条件下运算，使滚动轮颗粒与冷再生混合料的模型实现接触，并达到自重应力平衡。

2)PFC^2D中对压路机滚动轮速度的控制通过FISH语言编程实现，设置速度变量为滚动轮颗粒中心的转动角速度v_r，以及颗粒沿水平方向的平移速度v_x由物理学基本运动原理公式(1)可知：

v_x＝v_r·R (1)

式中：R为滚动轮颗粒半径。

3)将冷再生混合料结构层离散元模型的左右两侧墙体设置为滚动轮循环碾压的左右边界，在FISH中编写代码，实现滚动轮在左右边界范围内的循环匀速碾压；图4为滚动轮作用在冷再生混合料结构层离散元模型上的初始加载图；图5为初始加载时的力链图。

压路机滚动轮以设定的速度往返碾压时，其和冷再生混合料结构层模型表面的颗粒直接接触，随着碾压遍数的增加，滚动轮对颗粒的作用就会往下传递，但强力链往下传递的深度有限，位于模型底部的簇颗粒所受的接触力较小，弱力链对颗粒的作用又非常有限。因此，位于模型顶部的簇颗粒更容易发生分离，位于模型底部的簇颗粒相对而言较难发生分离。图5为冷再生混合料结构层离散元模型在初始加载时簇颗粒内部的力链图。

当冷再生混合料的模型经过第1遍碾压时，位于模型顶部的簇颗粒的部分平行粘结键发生了断裂，同一簇颗粒中的部分颗粒发生了分离，即颗粒发生了破碎，由于此时颗粒粘结处的接触力并不是很大，所以发生分离的颗粒并不多；随着碾压遍数的增多，颗粒之间粘结处的法向接触力或切向接触力会变大，当接触力大于粘结强度2.45Mpa时，簇颗粒中颗粒间的平行粘结键就会发生断裂，簇颗粒中发生分离的颗粒数量会增多，即冷再生混合料中发生破碎的颗粒数量越来越多。

Claims (5)

1.一种冷再生混合料在压实过程中破碎的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定冷再生混合料的结构层离散元模型的长度及宽度，使用PFC^2D中的wall模块建立的矩形方框，其中，矩形方框的面积大于冷再生混合料结构层离散元模型的横截面积；

2)根据粒径的大小将冷再生混合料分为若干级，将粒径小于预设阀值的冷再生混合料记作单颗粒，将粒径大于等于预设阀值的冷再生混合料记作簇颗粒，其中，簇颗粒由核心颗粒及六个外颗粒组成，六个外颗粒均匀分布在核心颗粒周围，且六个外颗粒之间以及与核心颗粒之间均通过平行粘结键相互粘结，在碾压过程中，单颗粒只传递力，不产生破坏；簇颗粒发生破坏；

3)根据实验要求为单颗粒和簇颗粒赋予相应的物理力学参数；

4)设置压路机滚动轮的半径和密度，各单颗粒和簇颗粒在自重应力条件下运动，使压路机滚动轮与冷再生混合料的结构层离散元模型实现接触，并达到自重应力平衡；

5)设置压路机滚动轮的转动角速度v_r，在PFC^2D中通过FISH语言编程控制压路机滚动轮的运动；

6)用FISH语言编写代码，使冷再生混合料结构层离散元模型的左右两侧墙体分别设置为压路机滚动轮循环碾压的左右边界；

7)在FISH语言的控制下通过压路机滚动轮在冷再生混合料的结构层离散元模型上方进行滚动，实现冷再生混合料在压实过程中破碎的模拟。

2.根据权利要求1所述的冷再生混合料在压实过程中破碎的模拟方法，其特征在于，步骤2)中的预设阀值为9.5mm。

3.根据权利要求1所述的冷再生混合料在压实过程中破碎的模拟方法，其特征在于，步骤3)中根据实验要求为单颗粒和簇颗粒赋予相应的物理力学参数的具体过称为：将单颗粒及簇颗粒的密度均设置为1700kg/m³，单颗粒及簇颗粒的摩擦系数均设置为0.5，簇颗粒及单颗粒的法向与切向刚度均为8.0×108N/m，簇颗粒之间的平行粘结强度、单颗粒之间平行粘结强度、以及簇颗粒与单颗粒之间的平行粘结强度均为2.45Mpa。

4.根据权利要求1所述的冷再生混合料在压实过程中破碎的模拟方法，其特征在于，步骤4)中压路机滚动轮的半径设置为0.15m，压路机滚动轮的密度设置为7850kg/m³。

5.根据权利要求1所述的冷再生混合料在压实过程中破碎的模拟方法，其特征在于，压路机滚动轮的转动角速度v_r设置为：v_x＝v_r·R，其中，v_x为压路机滚动轮沿水平方向的平移速度，R为压路机滚动轮的半径。