CN110849726B - 一种获取压实作用下路基土压实度的方法 - Google Patents

一种获取压实作用下路基土压实度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种获取压实作用下路基土压实度的方法，包括以下步骤：（1）路基土最大干密度测试试验模拟，根据路基土的类型，可分为细粒土击实试验模拟和粗粒土振动台试验模拟两类；（2）路基土压实过程模拟，根据压实类型，可分为静力压实和振动压实两类；（3）路基土压实度获取，考虑到所建路基土离散元模型最大干密度与路基土实测最大干密度的差异，本步中压实度用路基土模拟压实后的密度与步骤（1）中模拟试验中所得的最大干密度之比计算得到。本发明所公开的一种获取压实作用下路基土压实度的方法，在离散元软件PFC3D中导入建模软件SolidWorks所建模型，通过对压实过程的仿真，最终获取路基土压实度。

Description

一种获取压实作用下路基土压实度的方法
技术领域
本发明涉及一种获取压实作用下路基土压实度的方法,属于道路工程领域。
背景技术
离散元法适用于各类不连续介质的数值仿真，对于路基土此类不连续介质，能更好地模拟其在外部作用下的变化情况。压实度表征是道路压实质量的指标，实际工程中道路各层位达到设计压实度，是道路承载能力的基本保证。在实际工程中，对不同的路基土(细粒土、粗粒土等)，应采用不同的压实类型(静力压实、振动压实等)，选用不同的压实参数，但这一选取有很大的经验性。
发明内容
发明目的：本发明公开了一种获取压实作用下路基土压实度的方法，通过对压实过程的仿真，最终获取路基土压实度，可为路基土压实前制定压实类型、压实参数提供参考，改善当前路基土压实过程中较为依赖以往经验的情况，进一步指导路基土压实工作。
技术方案：一种获取压实作用下路基土压实度的方法，1、一种获取压实作用下路基土压实度的方法，其特征在于：在离散元软件 PFC3D中导入建模软件SolidWorks所建模型，通过对压实过程的仿真，最终获取路基土压实度；包括以下步骤：
(1)路基土最大干密度测试试验模拟；根据路基土的类型，可分为细粒土击实试验模拟和粗粒土振动台试验模拟两类；步骤(1)中所述的路基土最大干密度测试试验模拟，在PFC3D软件中进行；在 PFC3D软件中，参考实际土体级配曲线，用ball分档模拟土粒，ball的密度等于土体实测土粒比重；由于实际土体粒径过小，模拟时应在实际级配曲线各档基础上扩大10倍及以上，减少细小颗粒含量，以确保模拟计算效率；
在此基础上，采用试错法标定土体的微观参数，其中细粒土采用线性接触模型；在此基础上，采用试错法标定土体的微观参数，其中细粒土采用线性接触模型、接触粘结模型、粗粒土采用线性接触模型和滑动模型；其中线性接触模型包含接触法向刚度kn和接触切向刚度ks两参数；接触粘结模型包含法向强度σ和切向强度τ两参数，粗粒土采用线性接触模型包含接触法向刚度kn和接触切向刚度ks两参数；滑动模型包含摩擦系数fric一个参数；试错法标定微观参数时所用的细粒土实际土样，其含水率应当满足击实试验实测获得的最佳含水率。
(2)路基土压实过程模拟；根据压实类型，可分为静力压实和振动压实两类；
(3)路基土压实度获取；考虑到所建路基土离散元模型最大干密度与路基土实测最大干密度的差异，本步中压实度用路基土模拟压实后的干密度与步骤(1)中模拟试验中所得的最大干密度之比计算得到。
本发明进一步改进在于：步骤(1)中所述的路基土最大干密度测试试验模拟，应用已标定微观参数的路基土材料，在PFC3D软件中模拟细粒土击实试验或粗粒土振动台试验，完成后测量此时土样总体积V1，并获取模拟土颗粒用的ball的总体积V0，则模拟试验中路基土最小孔隙率
Figure BDA0002291558190000031
本发明进一步改进在于：步骤(2)中所述的路基土压实过程模拟，应在PFC3D软件中构建适当尺寸的路基土模型：以wall围成长方体区域，其尺寸应显著大于压轮的尺寸以避免边界效应,路基土初始孔隙率与路基土实测孔隙率一致；路基土以ball模拟，ball在wall 围成区域内生成其级配、密度、微观参数与步骤(1)的数据一致，路基土模型生成完毕后删除顶面的wall；在SolidWorks软件中按实际尺寸构建圆柱形压轮模型，将压轮模型作为wall导入PFC3D软件中，并完成网格划分，确定各面法向，选定压轮轴线即圆柱体几何轴线；路基土模型各边界wall的kn和ks值均与土体kn和ks值一致，压轮模型导入后所生成wall的kn和ks值取为土体kn和ks值的10 倍
本发明的进一步改进在于：步骤(2)中所述的路基土压实过程模拟，分为静力压实和振动压实两类；在模拟两类压实时，均设置模拟环境中重力方向为grav 0 0-9.81，压轮模型位于路基土模型表面；在压轮轴线上设置角速度，使压轮绕轴线旋转，并为压轮整体设置向前的线速度，从而模拟压轮在静压时的滚动前进过程；模拟时压轮应距离路基土模型四面的边界wall有一定距离，避免边界效应。
本发明的进一步改进在于：步骤(2)中所述的路基土压实过程模拟，模拟两类压实时，由于在以wall形式导入的压轮上无法施加力，仅能设置其速度，故应对压轮模拟压实过程中压轮在竖直方向上的位移，此速度为变量，编写以下循环算法，在模拟的每时步中对此速度赋予不同值：
①速度初值设置：设置竖直速度v0＝0.001，方向竖直向下，进行第一个时步(step)的运算：
②压轮反力获取：运行一个时步后，编写程序选出路基土模型中与压轮有接触的ball，计算其对压轮反力，并求出以上反力竖直向上的分量之和，即为路基土对压轮的反力F反力；
③压轮加速度计算：运用以下公式计算压轮在此时步末应有的加速度。若模拟静力压实，以下公式不需加上F激振力一项；若模拟振动压实，则应加上此项；
Figure BDA0002291558190000041
④压轮速度计算：运用以下公式计算压轮在下一时步中的竖向速度，其中v0为本时步中设置的压轮竖向速度，time_step为时步长度；
v＝v0+a×time_step
⑤循环：反复运行上述②③④步，直至压实过程仿真结束。
本发明的进一步改进在于：步骤(3)中路基土压实度指标获取时，由于路基土离散元模型中含水量已通过微观参数表征，模型中并不直接含水，故全体ball的总质量即为路基土的干质量，故路基土模拟压实后的干密度可用路基土模型中全体ball的总质量除以压实后路基土的总体积得到；而压实度用路基土模拟压实后的干密度与步骤(1)中模拟试验中所得的最大干密度之比计算得到；路基土离散元模型用于压实模拟时或有一定误差，而路基土压实后的干密度基于离散元模拟而来，求压实度时不用实测最大干密度而用亦有误差的模拟所得最大干密度，此处用于求压实度的数据均为模拟所得，有利于减小最终误差。
有益效果：本发明的优点在于：发明创新地提出了一种获取压实作用下路基土压实度的方法,在离散元软件PFC3D中导入建模软件 SolidWorks所建模型，通过对压实过程的仿真，最终获取路基土压实度，可为压实前制定压实类型、压实参数提供参考，改善当前路基土压实过程中较为依赖以往经验的情况，进一步指导路基土压实工作。
附图说明
图1为本发明的技术路线；
图2为PFC3D软件中路基土压实过程的模拟图；
图3为PFC3D软件中实现路基土压实过程(静力、振动)模拟的算法框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，本方法包括以下步骤：(1)路基土最大干密度测试试验模拟。根据路基土的类型，可分为细粒土击实试验模拟和粗粒土振动台试验模拟两类；(2)路基土压实过程模拟。根据压实类型，可分为静力压实和振动压实两类；(3)路基土压实度获取。考虑到所建路基土离散元模型最大干密度与路基土实测最大干密度的差异，本步中压实度用路基土模拟压实后的干密度与步骤(1)中模拟试验中所得的最大干密度之比计算得到。本发明所公开的一种获取压实作用下路基土压实度的方法，在离散元软件PFC3D中导入建模软件SolidWorks所建模型，通过对压实过程仿真，最终获取路基土压实度。
如图1所示，步骤(1)中所述的路基土最大干密度测试试验模拟，在PFC3D软件中进行。在PFC3D软件中，参考实际土体级配曲线，用ball分档模拟土粒，ball的密度等于土体实测土粒比重。由于实际土体粒径过小，模拟时应在实际级配曲线各档基础上扩大10倍及以上，减少细小颗粒含量，以确保模拟计算效率。在此基础上，采用试错法标定土体的微观参数，其中细粒土采用线性接触模型(含接触法向刚度kn、接触切向刚度ks两参数)和接触粘结模型(含法向强度σ，切向强度τ两参数)，粗粒土采用线性接触模型(含接触法向刚度kn、接触切向刚度ks两参数)和滑动模型(含摩擦系数fric 一个参数)。试错法标定微观参数时所用的细粒土实际土样，其含水率应当满足击实试验实测获得的最佳含水率。
如图1所示，步骤(1)中所述的路基土最大干密度测试试验模拟，应用已标定微观参数的路基土材料，在PFC3D软件中模拟细粒土击实试验或粗粒土振动台试验，完成后测量此时土样总体积V1，并获取模拟土颗粒用的ball的总体积V0，则模拟试验中路基土最小孔隙率
Figure BDA0002291558190000061
如图1所示，步骤(2)中所述的路基土压实过程模拟，应在PFC3D 软件中构建适当尺寸的路基土模型：以wall围成长方体区域，其尺寸应显著大于压轮的尺寸以避免边界效应,路基土初始孔隙率与路基土实测孔隙率一致；路基土以ball模拟，ball在wall围成区域内生成其级配、密度、微观参数与权利要求2中一致，路基土模型生成完毕后删除顶面的wall。在SolidWorks软件中按实际尺寸构建圆柱形压轮模型，将压轮模型作为wall导入PFC3D软件中，并完成网格划分，确定各面法向，选定压轮轴线即圆柱体几何轴线。路基土模型各边界wall的kn和ks值均与土体kn和ks值一致，压轮模型导入后所生成wall的kn和ks值取为土体kn和ks值的10倍
如图2所示，步骤(2)中所述的路基土压实过程模拟，分为静力压实和振动压实两类。在模拟两类压实时，均设置模拟环境中重力方向为grav 0 0-9.81，压轮模型位于路基土模型表面。在压轮轴线上设置角速度，使压轮绕轴线旋转，并为压轮整体设置向前的线速度，从而模拟压轮在静压时的滚动前进过程。模拟时压轮应距离路基土模型四面的边界wall有一定距离，避免边界效应。
如图3所示，作为本发明的一种优选技术方案，步骤(2)中所述的路基土压实过程模拟，模拟两类压实时，由于在以wall形式导入的压轮上无法施加力，仅能设置其速度，故应对压轮模拟压实过程中压轮在竖直方向上的位移，此速度为变量，编写以下循环算法，在模拟的每时步中对此速度赋予不同值：
①速度初值设置：设置竖直速度v0＝0.001，方向竖直向下，进行第一个时步(step)的运算：
②压轮反力获取：运行一个时步后，编写程序选出路基土模型中与压轮有接触的ball，计算其对压轮反力，并求出以上反力竖直向上的分量之和，即为路基土对压轮的反力F反力；
③压轮加速度计算：运用以下公式计算压轮在此时步末应有的加速度。若模拟静力压实，以下公式不需加上F激振力一项；若模拟振动压实，则应加上此项；
Figure BDA0002291558190000071
④压轮速度计算：运用以下公式计算压轮在下一时步中的竖向速度，其中v0为本时步中设置的压轮竖向速度，time_step为时步长度；
v＝v0+a×time_step
⑤循环：反复运行上述②③④步，直至压实过程仿真结束。
如图1所示，步骤(3)中路基土压实度指标获取时，由于路基土离散元模型中含水量已通过微观参数表征，模型中并不直接含水，故全体ball的总质量即为路基土的干质量，故路基土模拟压实后的干密度可用路基土模型中全体ball的总质量除以压实后路基土的总体积得到。而压实度用路基土模拟压实后的干密度与步骤(1)中模拟试验中所得的最大干密度之比计算得到。路基土离散元模型用于压实模拟时或有一定误差，而路基土压实后的干密度基于离散元模拟而来，求压实度时不用实测最大干密度而用亦有误差的模拟所得最大干密度，此处用于求压实度的数据均为模拟所得，有利于减小最终误差。
实施例：
本发明所述的方法已在应用中证实可行，以下为本发明的两个实施例。
实施例一：
某路基土为粗粒砂土，实测级配见表1所示，最佳含水率10.5％。在PFC3D软件中建立0.3m×2.5m×2.5m的离散元路基土模型，其模型级配与微观参数见表2和表3所示，压实前初始孔隙率为43％。路基土模型各边界wall的kn和ks值均与土体kn和ks值一致，压轮模型导入后所生成wall的kn和ks值取为土体kn和ks值的10倍
表1粗粒砂土实际级配
Figure BDA0002291558190000081
表2粗粒砂土离散元模型中ball级配
粒径(mm) 15 22 28/ 25 44
比例(％) 1.4 21.7 45.6 29.0 2.3
表3粗粒砂土离散元模型中微观参数
Figure BDA0002291558190000082
由表3可见，由于此路基土为粗粒砂土，故此处离散元模型采用线性接触模型(含接触法向刚度kn、接触切向刚度ks两参数)和滑动模型(含摩擦系数fric一个参数)。表3中各参数在路基土满足最佳含水率下标定。
对已标定表3中微观参数的砂土离散元模型，按振动台试验的要求生成试样，在PFC3D软件中进行模拟振动台试验，测得其最模拟大干密度为1.95g/cm3。
根据发明中所述模拟方法，对粗粒砂土路基土模型进行1遍静压—1遍强振—1遍弱振—1遍静压。在SolidWorks中建立圆柱体压轮，其半径为0.75m，轮宽1.5m，静压力为100kN，弱振峰值压力为290kN，频率35Hz，强振峰值压力为374kN,频率35Hz。即静压时静压力始终为100kN，弱振时时间为t时压力为100+290sin(207.35t)，强振时时间为t时压力为100+374sin(207.35t)，将以上压力代入图3所示算法中，运行程序，各遍压实后测量粗粒砂土路基土模型的密度，并将各密度与模拟振动台试验所得的最大干密度作比，得出各遍压实后的压实度。结果见表4所示。
表4各遍压实后粗粒砂土路基土离散元模型密度与压实度
Figure BDA0002291558190000091
实施例二：
某路基土为粉质粘土，实测级配见表5所示，最佳含水率13.5％。在PFC3D软件中建立0.3m×2.5m×2.5m的离散元路基土模型，其模型级配与微观参数见表6和表7所示，压实前初始孔隙率为48％。路基土模型各边界wall的kn和ks值均与土体kn和ks值一致，压轮模型导入后所生成wall的kn和ks值取为土体kn和ks值的10倍
表5粉质粘土实际级配
粒径(mm) 0.075以下 0.075-0.25 0.25-0.5 0.5—1 1—2 2—5
比例(％) 56.6 13.9 12.7 7.7 7.2 1.9
表6粉质粘土离散元模型中ball级配
粒径(mm) 15 22 28/ 25 44
比例(％) 1.4 21.7 45.6 29.0 2.3
表7粉质粘土离散元模型中微观参数
Figure BDA0002291558190000092
由表7可见，由于此路基土为细粒粉质粘土，故此处离散元模型采用线性接触模型(含接触法向刚度kn、接触切向刚度ks两参数) 和接触粘结模型(含法向强度σ，切向强度τ两参数)。表7中各参数在路基土满足最佳含水率下标定。
对已标定表7中微观参数的细粒粉质粘土离散元模型，按击实试验的要求生成试样，在PFC3D软件中进行模拟击实试验，测得其最模拟大干密度为1.88g/cm3。
根据发明中所述模拟方法，对细粒粉质粘土路基土模型进行4遍静压。在SolidWorks中建立圆柱体压轮，其半径为0.75m，轮宽1.5m，静压时静压力始终为100kN，将以上静压力代入图3所示算法中，运行程序，各遍压实后测量细粒粉质粘土路基土模型的密度，并将各密度与模拟击实试验所得的最大干密度作比，得出各遍压实后的压实度。结果见表8所示。
表8各遍压实后粉质粘土路基土离散元模型密度与压实度
Figure BDA0002291558190000101

Claims (3)

1.一种获取压实作用下路基土压实度的方法，其特征在于：在离散元软件PFC3D中导入建模软件SolidWorks所建模型，通过对压实过程的仿真，最终获取路基土压实度；包括以下步骤：
(1)路基土最大干密度测试试验模拟；根据路基土的类型，可分为细粒土击实试验模拟和粗粒土振动台试验模拟两类；步骤(1)中所述的路基土最大干密度测试试验模拟，在PFC3D软件中进行；在PFC3D软件中，参考实际土体级配曲线，用ball分档模拟土粒，ball的密度等于土体实测土粒比重；由于实际土体粒径过小，模拟时应在实际级配曲线各档基础上扩大10倍及以上，减少细小颗粒含量，以确保模拟计算效率；
在此基础上，采用试错法标定土体的微观参数，其中细粒土采用线性接触模型；在此基础上，采用试错法标定土体的微观参数，其中细粒土采用线性接触模型、接触粘结模型、粗粒土采用线性接触模型和滑动模型；其中线性接触模型包含接触法向刚度kn和接触切向刚度ks两参数；接触粘结模型包含法向强度σ和切向强度τ两参数，粗粒土采用线性接触模型包含接触法向刚度kn和接触切向刚度ks两参数；滑动模型包含摩擦系数fric一个参数；试错法标定微观参数时所用的细粒土实际土样，其含水率应当满足击实试验实测获得的最佳含水率；
(2)路基土压实过程模拟；根据压实类型，可分为静力压实和振动压实两类；
(3)路基土压实度获取；考虑到所建路基土离散元模型最大干密度与路基土实测最大干密度的差异，本步中压实度用路基土模拟压实后的干密度与步骤(1)中模拟试验中所得的最大干密度之比计算得到；
步骤(1)中所述的路基土最大干密度测试试验模拟，应用已标定微观参数的路基土材料，在PFC3D软件中模拟细粒土击实试验或粗粒土振动台试验，完成后测量此时土样总体积V1，并获取模拟土颗粒用的ball的总体积V0，则模拟试验中路基土最小孔隙率
Figure FDA0003606294010000021
步骤(2)中所述的路基土压实过程模拟，应在PFC3D软件中构建适当尺寸的路基土模型：以wall围成长方体区域，其尺寸应显著大于压轮的尺寸以避免边界效应,路基土初始孔隙率与路基土实测孔隙率一致；路基土以ball模拟，ball在wall围成区域内生成其级配、密度、微观参数与步骤(1)的数据一致，路基土模型生成完毕后删除顶面的wall；在SolidWorks软件中按实际尺寸构建圆柱形压轮模型，将压轮模型作为wall导入PFC3D软件中，并完成网格划分，确定各面法向，选定压轮轴线即圆柱体几何轴线；路基土模型各边界wall的kn和ks值均与土体kn和ks值一致，压轮模型导入后所生成wall的kn和ks值取为土体kn和ks值的10倍；
步骤(2)中所述的路基土压实过程模拟，分为静力压实和振动压实两类；在模拟两类压实时，均设置模拟环境中重力方向为grav 00-9.81，压轮模型位于路基土模型表面；在压轮轴线上设置角速度，使压轮绕轴线旋转，并为压轮整体设置向前的线速度，从而模拟压轮在静压时的滚动前进过程；模拟时压轮应距离路基土模型四面的边界wall有一定距离，避免边界效应。
2.根据权利要求1所述的一种获取压实作用下路基土压实度的方法，其特征在于：步骤(2)中所述的路基土压实过程模拟，模拟两类压实时，由于在以wall形式导入的压轮上无法施加力，仅能设置其速度，故应对压轮模拟压实过程中压轮在竖直方向上的位移，此速度为变量，编写以下循环算法，在模拟的每时步中对此速度赋予不同值：
①速度初值设置：设置竖直速度v0＝0.001，方向竖直向下，进行第一个时步(step)的运算：
②压轮反力获取：运行一个时步后，编写程序选出路基土模型中与压轮有接触的ball，计算其对压轮反力，并求出以上反力竖直向上的分量之和，即为路基土对压轮的反力F反力；
③压轮加速度计算：运用以下公式计算压轮在此时步末应有的加速度；若模拟静力压实，以下公式不需加上F激振力一项；若模拟振动压实，则应加上此项；
Figure FDA0003606294010000031
④压轮速度计算：运用以下公式计算压轮在下一时步中的竖向速度，其中v0为本时步中设置的压轮竖向速度，time_step为时步长度；
v＝v0+a×time_step
⑤循环：反复运行上述②③④步，直至压实过程仿真结束。
3.根据权利要求1所述的一种获取压实作用下路基土压实度的方法，其特征在于：步骤(3)中路基土压实度指标获取时，由于路基土离散元模型中含水量已通过微观参数表征，模型中并不直接含水，故全体ball的总质量即为路基土的干质量，故路基土模拟压实后的干密度可用路基土模型中全体ball的总质量除以压实后路基土的总体积得到；而压实度用路基土模拟压实后的干密度与步骤(1)中模拟试验中所得的最大干密度之比计算得到；路基土离散元模型用于压实模拟时或有一定误差，而路基土压实后的干密度基于离散元模拟而来，求压实度时不用实测最大干密度而用亦有误差的模拟所得最大干密度，此处用于求压实度的数据均为模拟所得，有利于减小最终误差。
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