CN113962168A - 一种精确追踪沥青混合料颗粒的离散元压实模型建模方法 - Google Patents

一种精确追踪沥青混合料颗粒的离散元压实模型建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明具体涉及一种精确追踪沥青混合料颗粒的离散元压实模型建模方法，包括以下步骤：S1.利用PFC3D仿真模拟软件，根据真实沥青混合料的级配调用预先建立的粗集料模型库，生成虚拟沥青混合料中的粗集料；采用半径为0.7mm的球体单元模拟沥青混合料中的沥青砂浆和空隙，最终获得虚拟沥青混合料；S2.利用PFC3D仿真模拟软件导入虚拟沥青混合料，进行粗集料虚拟单轴贯入试验，并对真实沥青混合料进行单轴贯入试验，对比两个试验结果，确定矿料表面的摩擦系数；S3.在PFC3D仿真模拟软件中，在沥青砂浆间设置Burgers模型；S4.利用SPT试验仪对真实沥青混合料开展沥青砂浆动态模量试验，来确定PFC3D仿真模拟软件中的Burgers模型参数；S5.建立沥青混合料三维动态离散元压实模型。

Description

一种精确追踪沥青混合料颗粒的离散元压实模型建模方法
技术领域
本发明涉及道路工程领域，具体涉及一种精确追踪沥青混合料颗粒的离散元压实模型建模方法。
背景技术
沥青混合料是一种典型的颗粒性材料，在压实荷载的作用下，裹覆沥青的颗粒发生空间迁移，进行重新排列。深入分析矿料颗粒的迁移机制有助于揭示压实机理，进而对沥青混合料进行压实控制。
现有技术虽然能够从细观层面对沥青混合料的压实过程进行研究，但是由于缺乏相关试验验证，相关结论有待进一步验证。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种精确追踪沥青混合料颗粒的离散元压实模型建模方法，可开展真实矿料迁移追踪试验对压实模型进行验证。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
一种精确追踪沥青混合料颗粒的离散元压实模型建模方法，包括以下步骤：
步骤S1，利用PFC3D仿真模拟软件，根据真实沥青混合料的级配调用预先建立的粗集料模型库，生成虚拟沥青混合料中的粗集料；采用半径为0.7mm的球体单元模拟沥青混合料中的沥青砂浆和空隙，最终获得虚拟沥青混合料。
步骤S2，利用PFC3D仿真模拟软件导入虚拟沥青混合料，进行粗集料虚拟单轴贯入试验，并对真实沥青混合料进行单轴贯入试验，对比两个试验结果，确定矿料表面的摩擦系数。
步骤S3，在PFC3D仿真模拟软件中，在沥青砂浆间设置Burgers模型；
步骤S4，利用SPT试验仪对真实沥青混合料开展沥青砂浆动态模量试验，来确定PFC3D仿真模拟软件中的Burgers模型参数。
步骤S5，在PFC3D仿真模拟软件中，建立沥青混合料三维动态离散元压实模型。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过真实集料信息建立粗集料模型库，采用半径为0.7mm的球体单元模拟沥青砂浆和空隙，压实模型精度非常高；采用单轴贯入试验和动态模量试验确定模型的细观参数，压实模型参数更加准确；可开展真实矿料迁移追踪试验对离散元压实模型进行验证，解决了沥青混合料压实模型难以验证的技术难题。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
图1(a)为本发明的精确追踪沥青混合料颗粒的离散元压实模型建模方法中，建立粗集料模型库所用的真实集料示意图；
图1(b)为本发明的精确追踪沥青混合料颗粒的离散元压实模型建模方法的粗集料模型库中的部分虚拟集料示意图；
图2(a)为本发明的精确追踪沥青混合料颗粒的离散元压实模型建模方法中，不同填充参数下的clump模型示意图；
图2(b)为本发明的精确追踪沥青混合料颗粒的离散元压实模型建模方法中，不同pebble数量下的参数radio和参数distance的取值关系图；
图3为本发明的精确追踪沥青混合料颗粒的离散元压实模型建模方法中虚拟单轴贯入试验的过程示意图；
图4(a)为本发明的精确追踪沥青混合料颗粒的离散元压实模型建模方法的实施例中建立沥青混合料三维动态离散元压实模型的第一示意图；
图4(b)为本发明的精确追踪沥青混合料颗粒的离散元压实模型建模方法的实施例中建立沥青混合料三维动态离散元压实模型的第二示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
一种精确追踪沥青混合料颗粒的离散元压实模型建模方法，包括以下步骤：
步骤S1，利用PFC3D仿真模拟软件，根据真实沥青混合料的级配调用预先建立的粗集料模型库，生成虚拟沥青混合料中的粗集料；采用半径为0.7mm的球体单元模拟沥青混合料中的沥青砂浆和空隙，最终获得虚拟沥青混合料。
具体的，粗集料模型库的建立，使用蓝光三维扫描仪采集粒径4.75mm～9.5mm集料的三维轮廓信息，集料如图1(a)所示，将三维轮廓信息数据导入Geomagic Studio逆向工程软件生成真实集料的三维壳体结构，并保存为立体光刻(STL)文件，如图1(b)所示；为了提高测量精度，设计集料的样本个数为48。
利用PFC3D仿真模拟软件中的bubble pack算法，用球体(pebble)填充集料的三维壳体结构，从而生成刚性簇(clump)模拟2.36mm以上的集料颗粒；其中，填充球体的数量由radio和distance的取值决定；针对不同的radio-distance组合对粗集料进行了模拟，如图2(a)所示；从模型效率和运算时间角度考虑，如图2(b)所示，确定radio和distance分别取0.3和150。
步骤S2，利用PFC3D仿真模拟软件导入虚拟沥青混合料，进行粗集料虚拟单轴贯入试验，并对真实沥青混合料进行单轴贯入试验，对比两个试验结果，确定矿料表面的摩擦系数。
具体的，利用PFC3D仿真模拟软件，在虚拟沥青混合料的集料之间设置接触刚度滑移模型，设置粗集料泊松比为0.25，弹性模量为55Gpa；初始设置三个摩擦系数，分别为0.15、0.35、0.55；生成圆柱形墙体作为粗集料虚拟单轴贯入试验的加载压头，设置压头的加载速度为50mm/min，当贯入深度达到15mm时终止试验，检测加载压头的位移以及受力情况，如图3所示。
将粗集料虚拟单轴贯入试验结果和真实的单轴贯入试验结果进行对比，确定摩擦系数。
步骤S3，在PFC3D仿真模拟软件中，在沥青砂浆间设置Burgers模型；
步骤S4，利用SPT试验仪对真实沥青混合料开展沥青砂浆动态模量试验，来确定PFC3D仿真模拟软件中的Burgers模型参数。
具体的，采用静压法制作沥青砂浆试件，使用SPT试验机对沥青砂浆试件施加正弦波以测量其动态模量，荷载频率为0.1Hz、0.5Hz、1Hz、5Hz、10Hz、25Hz，试验温度为4.4℃、21.1℃、37.8℃；
以21.1℃为基准温度，基于时温等效原理，将动态模量试验结果沿着对数坐标平移，得到真实沥青砂浆的动态模量的主曲线，然后对动态模量的主曲线进行非线性回归分析，获取压实温度150℃下沥青砂浆的Burgers模型参数。
步骤S5，在PFC3D仿真模拟软件中，建立沥青混合料三维动态离散元压实模型。
具体的，利用PFC3D仿真模拟软件，导入步骤S1获得的虚拟沥青混合料，生成一个虚拟试件；然后利用步骤S2所确定的摩擦系数和步骤S4所确定的Burgers模型参数，为三维动态离散元压实模型的压实参数赋值；接着在虚拟试件顶部和底部生成两个墙体，通过调整墙体的速度使试件匀速旋转，直至旋转角达到要求；同时，在压实过程中，通过伺服机制控制顶部墙体对试件施加竖向荷载，并保持稳定，使墙体匀速转动。至此，沥青混合料三维动态离散元压实模型建立完毕。
实施例
对级配类型为AC-20Z的沥青混合料建立沥青混合料三维动态离散元压实模型。
级配类型为AC-20Z的沥青混合料的各筛孔通过率如表1所示。
表1 AC-20Z沥青混合料各筛孔通过率
Figure BDA0003319206430000051
步骤1，利用PFC3D仿真模拟软件,根据级配类型为AC-20Z的沥青混合料的各筛孔通过率调用预先建立的粗集料模型库，生成虚拟沥青混合料中的粗集料；采用半径为0.7mm的球体单元模拟沥青混合料中的沥青砂浆和空隙，最终获得虚拟沥青混合料。
步骤2，利用PFC3D仿真模拟软件导入虚拟沥青混合料，进行粗集料虚拟单轴贯入试验，并对真实沥青混合料进行单轴贯入试验，对比两个试验结果，确定集料之间的摩擦系数。
通过粗集料虚拟单轴贯入试验对集料的摩擦系数进行标定，当摩擦系数设置为0.35时与实际试验结果最为接近，确定集料之间的摩擦系数为0.35。
步骤3，在PFC3D仿真模拟软件中，在沥青砂浆间设置Burgers模型。
步骤4，利用SPT试验仪对真实沥青混合料开展沥青砂浆动态模量试验，确定PFC3D仿真模拟软件中的Burgers模型参数如表2所示。
表2 AC-20Z沥青混合料的Burgers模型参数
Figure BDA0003319206430000061
步骤5，在PFC3D仿真模拟软件中，建立沥青混合料三维动态离散元压实模型。
设置旋转压实仪的有效内旋转角为1.16°、垂直压力为600Kpa、旋转速率为30r/min，设计压实次数为100次。
首先生成一个尺寸为φ100mm*h100mm的虚拟试件，然后在试件顶部和底部生成两个墙体，通过调整墙体的速度使试件匀速旋转，直至旋转角达到1.16°，如图4(a)所示；在压实过程中，通过伺服机制控制顶部墙体对试件施加600Kpa的竖向荷载，并保持稳定，同时墙体以30r/min的速度匀速转动，如图4(a)、图4(b)所示。
最终在PFC3D仿真模拟软件中，追踪集料颗粒，统计不同压实率下的水平迁移指标。
统计了4.75mm～9.5mm集料的水平迁移指标Lxoy，如表3所示。
压实率(％) 40％ 50％ 60％ 70％ 80％ 100％
L<sub>xoy</sub> 0.61 0.8 1.37 2.41 4.37 15.61
可使用颗粒标记、分步压实以及CT跟踪扫描的方式，设计开展真实矿料迁移追踪试验，对真实的迁移结果与沥青混合料三维动态离散元压实模型的迁移结果进行对比，验证所建立的三维动态离散元压实模型的准确性和可靠性。
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种精确追踪沥青混合料颗粒的离散元压实模型建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，利用PFC3D仿真模拟软件，根据真实沥青混合料的级配调用预先建立的粗集料模型库，生成虚拟沥青混合料中的粗集料；采用半径为0.7mm的球体单元模拟沥青混合料中的沥青砂浆和空隙，最终获得虚拟沥青混合料；
步骤S2，利用PFC3D仿真模拟软件导入虚拟沥青混合料，进行粗集料虚拟单轴贯入试验，并对真实沥青混合料进行单轴贯入试验，对比两个试验结果，确定矿料表面的摩擦系数；
步骤S3，在PFC3D仿真模拟软件中，在沥青砂浆间设置Burgers模型；
步骤S4，利用SPT试验仪对真实沥青混合料开展沥青砂浆动态模量试验，来确定PFC3D仿真模拟软件中的Burgers模型参数；
步骤S5，在PFC3D仿真模拟软件中，建立沥青混合料三维动态离散元压实模型。
2.根据权利要求1所述的精确追踪沥青混合料颗粒的离散元压实模型建模方法，其特征在于，步骤S1中，预先建立的粗集料模型库，具体的，使用蓝光三维扫描仪采集粒径4.75mm～9.5mm集料的三维轮廓信息，将三维轮廓信息数据导入Geomagic Studio逆向工程软件生成真实集料的三维壳体结构，并保存为立体光刻(STL)文件；利用PFC3D仿真模拟软件中的bubble pack算法，用球体(pebble)填充集料的三维壳体结构，从而生成刚性簇(clump)模拟2.36mm以上的集料颗粒；决定填充球体的数量的radio和distance取值分别为0.3和150。
3.根据权利要求1所述的精确追踪沥青混合料颗粒的离散元压实模型建模方法，其特征在于，步骤S2中的粗集料虚拟单轴贯入试验，具体的，利用PFC3D仿真模拟软件，在虚拟沥青混合料的集料之间设置接触刚度滑移模型，设置粗集料泊松比为0.25，弹性模量为55Gpa；初始设置三个摩擦系数，分别为0.15、0.35、0.55；生成圆柱形墙体作为粗集料虚拟单轴贯入试验的加载压头，设置压头的加载速度为50mm/min，当贯入深度达到15mm时终止试验，检测加载压头的位移以及受力情况。
4.根据权利要求1所述的精确追踪沥青混合料颗粒的离散元压实模型建模方法，其特征在于，步骤S4中的沥青砂浆动态模量试验，具体的，采用静压法制作沥青砂浆试件，使用SPT试验机对沥青砂浆试件施加正弦波以测量其动态模量，荷载频率为0.1Hz、0.5Hz、1Hz、5Hz、10Hz、25Hz，试验温度为4.4℃、21.1℃、37.8℃；
以21.1℃为基准温度，基于时温等效原理，将动态模量试验结果沿着对数坐标平移，得到真实沥青砂浆的动态模量的主曲线，然后对动态模量的主曲线进行非线性回归分析，获取压实温度150℃下沥青砂浆的Burgers模型参数。
5.根据权利要求1所述的精确追踪沥青混合料颗粒的离散元压实模型建模方法，其特征在于，步骤S5中的建立沥青混合料三维动态离散元压实模型，具体的，利用PFC3D仿真模拟软件，导入步骤S1获得的虚拟沥青混合料，生成一个虚拟试件；然后利用步骤S2所确定的摩擦系数和步骤S4所确定的Burgers模型参数，为三维动态离散元压实模型的压实参数赋值；接着在虚拟试件顶部和底部生成两个墙体，通过调整墙体的速度使试件匀速旋转，直至旋转角达到要求；同时，在压实过程中，通过伺服机制控制顶部墙体对试件施加竖向荷载，并保持稳定，使墙体匀速转动。
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