CN116090257A - 一种压路机-土基材料系统的理论模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压路机‑土基材料系统的理论模型，包括整体系统模型，整体系统模型包括框架，设于框架内且与框架转动相连的滚筒，设于滚筒下部的土基材料；压路机‑土基材料系统的理论模型还包括振动模型；振动模型包括压路机滚筒振动模型和土基材料振动模型；压路机滚筒振动模型包括竖直振动模型和水平振动模型；建立竖直方向振动力学模型以分析滚筒在竖直方向振动情况，建立所述水平方向振动力学模型以分析滚筒水平方向的振动压实情况。与现有技术相比，本发明的压路机‑土基材料系统的理论模型结构完整，全面考虑了实际影响压实度的因素，符合工程实际，解决了现有理论模型过于理想化的问题。

Description

一种压路机-土基材料系统的理论模型

技术领域

本发明属于路基压实技术领域，尤其涉及一种压路机-土基材料系统的理论模型。

背景技术

在公路施工中，压实为必不可少的一道工序，压实度是否合格是判定工程质量优劣的一条重要标准。无论路基、底基层、基层和面层都需要很好的压实，以达到一定的密实度，实现提高道路的承载能力，防止沉陷及水分渗透等效果。在路基压实过程中，振动压路机作为压实工具，对压实结果具有重要影响。为了更好地提高压实程度，提高压实检测的准确率，有必要研究压实过程的力学模型，从理论角度探究影响压实度的因素。

通过现有技术的方法得到的压路机压实土基材料的力学模型只考虑竖直方向的振动，忽略水平方向振动对压实度的影响，还忽略了材料变形过程中弹塑性的过渡阶段。

现有技术的不足在于，现有技术中压路机压实土基材料的力学模型未能全面地考虑实际影响压实度的因素，不利于提高压实检测的准确率。

因此，实有必要提供一种新的压路机-土基材料系统的理论模型解决上述技术问题。

发明内容

（一）要解决的技术问题

基于此，本发明提供了一种压路机-土基材料系统的理论模型，旨在解决现有技术中的压路机压实土基材料的力学模型过于理想化，未能全面地考虑实际影响压实度的因素的技术问题。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出了一种压路机-土基材料系统的理论模型，包括整体系统模型，所述整体系统模型包括框架，设于所述框架内且与所述框架转动相连的滚筒，设于所述滚筒下部的土基材料；所述压路机-土基材料系统的理论模型还包括振动模型；所述振动模型包括压路机滚筒振动模型和土基材料振动模型；所述压路机滚筒振动模型包括竖直振动模型和水平振动模型；

所述竖直方向振动力学模型包括：框架、位于所述框架下方的滚筒和连接所述框架和滚筒的竖直弹簧阻尼部，建立所述竖直方向振动力学模型以分析所述滚筒在竖直方向振动情况；

所述水平方向振动力学模型包括沿水平方向间隔设置的框架和滚筒，所述水平方向振动力学模型还包括连接所述框架和滚筒的水平弹簧阻尼部；建立所述水平方向振动力学模型以分析滚筒水平方向的振动压实情况；

所述土基材料振动模型包括弹性部分、粘弹性部分和塑性部分，所述弹性部分由一个第三弹簧组成，所述粘弹性部分由一个第四弹簧和一个粘性阻尼组成，所述塑性部分由一个塑性弹簧和一个塑性阻尼组成。

优选的，所述竖直弹簧阻尼部包括间隔设置的一个第二弹簧和一个惯性阻尼器，所述惯性阻尼器包括一个第二弹性阻尼和一个强度为无穷的粘性粘结，所述第二弹簧、第二弹性阻尼及粘性粘结的两端均分别与所述框架和滚筒连接。

优选的，所述水平弹簧阻尼部包括间隔设置的一个第一弹簧和一个第一弹性阻尼，所述第一弹簧和第一弹性阻尼的两端均分别与所述框架和滚筒连接。

优选的，所述压路机-土基材料系统的理论模型还包括接触模型，所述接触模型包括竖直接触模型和水平接触模型；所述竖直接触模型包括滚筒和设于滚筒下方的土基材料。

优选的，通过如下方法分析滚筒与土基材料的相互作用：

竖直方向接触分析：根据竖直接触模型，将滚筒与土基材料接触面分成若干小块，将压路机滚筒与土基材料接触部分共分为块，其中第块体与滚筒间的作用力表示为：

  (1)

其中：为弹性刚度，为第块体在竖直方向的位移；为塑性阻尼系数；、为与土基材料有关的塑性参数，和为双曲函数的两个参数，参数控制着变形的极限，这是由土基材料的最松散和最密集状态决定的，一旦确定了参数，就能够用来控制双曲线的形状；为正对滚筒中心下方位置块体的顺序号；

滚筒与被压实材料间的总接触力为，为所有块体与滚筒间的作用力的总和:

  (2)

水平方向接触分析：认为接触发生在一个块体单元之上，并认为接触发生在材料基层的顶部；路基材料水平反力的计算表达式为：

  (3)

其中：为侧压力系数，用来表示压实过程中水平方向受力与竖向受力之比。

优选的，以所述竖直方向振动力学模型为对象，通过如下方法分析所述滚筒竖直方向振动情况：

计算由滚筒中的偏心块产生的垂向压实激振力，

  (4)

式中：为偏心块质量，为偏心距离，为滚筒旋转角速度，为振动频率，为压实时间，π为圆周率；

对于框架，由牛顿第二定律得：  (5)

式中：为框架的质量，为重力加速度，为弹簧刚度，为框架垂向位移，为等效阻尼系数，为滚筒垂向位移；

其中：  (6)

式中：为滚筒质量，为框架阻尼系数；

对于压路机滚筒，由动力学分析得：

  (7)。

优选的，以所述水平方向振动力学模型为对象，通过如下方法分析分析滚筒水平方向的振动压实响应情况：

计算由滚筒中的偏心块产生的水平激振力， (8)

对于框架，由牛顿第二定律得：  (9)

式中：为框架水平位移，为滚筒水平位移；

对于滚筒，由牛顿第二定律得：  (10)。

优选的，以所述土基材料振动模型为对象，通过如下方法分析土基材料的压实响应情况：为用于表示塑性弹簧的载荷-变形关系的双曲函数，的表达式为：

  (11)

式中：表示变形量。优选的，以所述土基材料振动模型为对象，还通过如下方法分析土基材料的压实响应情况：将所述土基材料振动模型作为一种同时考虑了基质吸力和孔隙率的影响弹性模量计算模型；土基材料的弹性模量的表达式如下：

  (12)

式中：为基质吸力，为最小体应力，为八面体剪应力，表示为大气压力，=101.3kPa，表示土基材料的孔隙率，为自然对数函数的底；、、、均为回归系数，取决于土基材料的特性。

优选的，还通过如下方法分析滚筒与土基材料的接触过程对压实结果的影响：

根据所述土基材料的振动模型，能够得到被压实材料的本构方程如下：

  (13)

  (14)

其中：为土基材料所受的压缩应力，、分别是粘弹性刚度和弹性刚度，、为粘弹性阻尼系数，、、、分别是总变形、粘弹性变形、塑性变形和弹性变形。

（三）有益效果

与现有技术对比，本发明的压路机-土基材料系统的理论模型具备如下优点：本发明的压路机-土基材料系统的理论模型结构完整，考虑全面，符合工程实际，具体如下：

(1)本发明的振动模型同时考虑了水平方向振动和竖直方向振动对压实结果的影响。

(2)本发明的路基材料振动模型中，提出一种新型弹性模量的计算模型，同时考虑孔隙率与基质吸力的影响。

(3)本发明的路基材料振动模型中，考虑了发生弹性变形与塑性变形之间的过渡状态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中：竖直方向振动力学模型示意图；

图3为本发明中：水平方向振动力学模型示意图；

图4为本发明中：土基材料振动模型示意图；

图5为本发明中：竖直接触模型示意图。

附图标记说明：1.框架，2.滚筒，3.土基材料。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

下面结合附图1-5对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明公开了一种压路机-土基材料系统的理论模型，包括整体系统模型（如图1），整体系统模型包括框架1，设于框架1内且与框架1转动相连的滚筒2，设于滚筒2下部的土基材料3；压路机-土基材料系统的理论模型还包括振动模型；振动模型包括压路机滚筒振动模型和土基材料振动模型（图4）；压路机滚筒振动模型包括竖直振动模型（如图2）和水平振动模型（如图3）；竖直方向振动力学模型包括：框架1、位于框架1下方的滚筒2和连接框架1和滚筒2的竖直弹簧阻尼部，建立竖直方向振动力学模型以分析滚筒2在竖直方向振动情况；水平方向振动力学模型包括沿水平方向间隔设置的框架1和滚筒2，水平方向振动力学模型还包括连接框架1和滚筒2的水平弹簧阻尼部；建立水平方向振动力学模型以分析滚筒2水平方向的振动压实情况；土基材料振动模型包括弹性部分、粘弹性部分和塑性部分，弹性部分由一个第三弹簧组成，粘弹性部分由一个第四弹簧和一个粘性阻尼组成，塑性部分由一个塑性弹簧和一个塑性阻尼组成。

根据本发明的具体实施方式，竖直弹簧阻尼部包括间隔设置的一个第二弹簧和一个惯性阻尼器，惯性阻尼器包括一个第二弹性阻尼和一个强度为无穷的粘性粘结，第二弹簧、第二弹性阻尼及粘性粘结的两端均分别与框架1和滚筒2连接。

根据本发明的具体实施方式，水平弹簧阻尼部包括间隔设置的一个第一弹簧和一个第一弹性阻尼，第一弹簧和第一弹性阻尼的两端均分别与框架1和滚筒2连接。

根据本发明的具体实施方式，压路机-土基材料系统的理论模型还包括接触模型，接触模型包括竖直接触模型（如图5）和水平接触模型；竖直接触模型包括滚筒2和设于滚筒2下方的土基材料3。

上述实施方式中，本发明的压路机-土基材料系统的理论模型包括振动模型和接触模型。其中，振动模型由压路机滚筒振动模型和路基材料振动模型组成。其中，压路机滚筒振动模型包括水平振动模型和竖直振动模型，同时考虑了压实作业过程中水平方向振动与竖直方向振动的影响。水平振动模型由框架1、滚筒2和弹簧阻尼构成，其中弹簧阻尼部分包括一个弹簧和一个弹性阻尼；竖直振动模型由框架1、滚筒2和弹簧阻尼构成，其中弹簧阻尼部分包括一个弹簧和一个惯性阻尼器，惯性阻尼器包括一个弹性阻尼和一个强度为无穷的粘性粘结。路基材料振动模型包括弹性部分、粘弹性部分和塑性部分。其中，弹性部分由一个弹簧组成，粘弹性部分由一个弹簧和一个粘性阻尼组成，塑性部分由一个塑性弹簧和一个塑性阻尼组成。路基材料振动模型中，提出一种新型的弹性模量计算模型，同时考虑了基质吸力和孔隙率的影响。接触模型包括竖直接触模型和水平接触模型。其中，竖直接触模型中，压实变形由弹性变形、粘弹性变形和塑性变形组成；滚筒2与材料接触部被分划分为若干小块，总接触力为所有块体的总和。水平接触模型中，引入侧压力系数描述水平接触力与竖直接触力的关系。

因此，与现有技术相比，本发明压路机-土基材料系统的理论模型中的振动模型同时考虑了水平方向振动和竖直方向振动对压实结果的影响；土基材料振动模型中，提出一种新型弹性模量的计算模型，同时考虑孔隙率与基质吸力的影响，土基材料振动模型中还考虑了发生弹性变形与塑性变形之间的过渡状态。因此，本发明的压路机-土基材料系统的理论模型结构完整，全面考虑了实际影响压实度的因素，符合工程实际，解决了现有理论模型过于理想化的问题。

本发明还公开了在建立如上力学模型后，分析滚筒2与土基材料3的相互作用的具体方法，详述如下。

通过如下方法分析滚筒2与土基材料3的相互作用。

竖直方向接触分析：根据竖直接触模型，将滚筒2与土基材料3接触面分成若干小块，将压路机滚筒2与土基材料3接触部分共分为块，其中第块体与滚筒2间的作用力表示为：

(1)

其中：为弹性刚度，为第块体在竖直方向的位移；为塑性阻尼系数。、为与土基材料3有关的塑性参数，和为双曲函数的两个参数，参数控制着变形的极限，这是由土基材料3的最松散和最密集状态决定的，一旦确定了参数，就能够用来控制双曲线的形状；为正对滚筒2中心下方位置块体的顺序号。

本实施方式中，表示块体恰好在滚筒2正下方时，即块体中心与滚筒2圆心的连线与水平垂直时，该块体的顺序号。

滚筒2与被压实材料间的总接触力为，为所有块体与滚筒2间的作用力的总和:

  (2)

水平方向接触分析：认为接触发生在一个块体单元之上，并认为接触发生在材料基层的顶部；路基材料水平反力的计算表达式为：

  (3)

其中：为侧压力系数，用来表示压实过程中水平方向受力与竖向受力之比。

需要说明的是，公式（1）中，因为接触反力不会小于零，所以当计算值小于等于零时认为此时恰好没有接触反力。

本发明中，上标一点表示一阶导数，上标两点表示二阶导数。如：位移的导数是速度，速度的导数是加速度。

本实施方式中，侧压力系数表示压实过程中水平方向受力与竖向受力之比，其数值可以通过实验来确定，现有文献中有记载，可直接参考现有文献中的数值，这里不再赘述。

根据本发明的具体实施方式，以竖直方向振动力学模型为对象，通过如下方法分析滚筒2竖直方向振动情况。

计算由滚筒2中的偏心块产生的垂向压实激振力。

  (4)

式中：为偏心块质量，为偏心距离，为滚筒2旋转角速度，为振动频率，为压实时间，π为圆周率。

对于框架1，由牛顿第二定律得：

  (5)

式中：为框架1的质量，为重力加速度，为弹簧刚度，为框架1垂向位移，为等效阻尼系数，为滚筒2垂向位移。

其中  (6)

式中：为滚筒2质量，为框架1阻尼系数。

对于压路机滚筒2，由动力学分析得：

  (7)

根据本发明的具体实施方式，以水平方向振动力学模型为对象，通过如下方法分析分析滚筒2水平方向的振动压实响应情况：

计算由滚筒2中的偏心块产生的水平激振力。

  (8)

对于框架1，由牛顿第二定律得：  (9)

式中：为框架1水平位移，为滚筒2水平位移。

对于滚筒2，由牛顿第二定律得：  (10)。

根据本发明的具体实施方式，以土基材料振动模型为对象，通过如下方法分析土基材料3的压实响应情况：为用于表示塑性弹簧的载荷-变形关系的双曲函数，的表达式为：

  (11)

式中：表示变形量。根据本发明的具体实施方式，以土基材料振动模型为对象，还通过如下方法分析土基材料3的压实响应情况：将土基材料振动模型作为一种同时考虑了基质吸力和孔隙率的影响弹性模量计算模型；土基材料3的弹性模量的表达式如下：

  (12)

式中：为基质吸力，为最小体应力，为八面体剪应力，表示为大气压力，=101.3kPa，表示土基材料3的孔隙率，为自然对数函数的底；、、、均为回归系数，取决于土基材料3的特性。

本实施方式中：土基材料3内部结构决定了材料的刚度，而被压实材料的刚度与压路机所受的材料反力密切相关，进一步影响着压实响应。、、、，这四个系数均来自于现有模型，已有研究验证了每个系数对应的参数与弹性模量的量化关系，故该系数取值按照现有文献提供的数据即可。

根据本发明的具体实施方式，还通过如下方法分析滚筒2与土基材料3的接触过程对压实结果的影响：

根据土基材料的振动模型，能够得到被压实材料的本构方程如下：

  (13)

  (14)

其中：为土基材料3所受的压缩应力，、分别是粘弹性刚度和弹性刚度，、为粘弹性阻尼系数，、、、分别是总变形、粘弹性变形、塑性变形和弹性变形。

在实际操作中，滚筒2与土基材料3的接触是一个非常复杂的过程。这个过程可以看成无数个产生相同结果的压实周期的循环，所以在分析接触过程对压实结果的影响时，研究单个周期内的压实过程即可。在接触过程的初期，随着压路机滚筒2的压实作用，材料首先进入弹性阶段，产生弹性变形。但随着滚筒2的持续作用，颗粒间的孔隙不断减小，材料本身也会发生一些形变，整体会产生一个较大的塑性变形，这个变形在压实结束后不可恢复，这一阶段被称为塑性阶段。为了更全面的分析接触过程的作用，在弹性与塑性过程间引入一个粘弹性过渡阶段，需要说明的是这一阶段产生的变形是不可恢复的。当滚筒2离开被压实材料时，弹性变形恢复，塑性变形导致残余沉降。

本实施方式中，压路机滚筒振动模型包括水平振动模型和竖直振动模型，同时考虑了压实作业过程中水平方向振动与竖直方向振动的影响。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，也可以是“传动连接”，即通过带传动、齿轮传动或链轮传动等各种合适的方式进行动力连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

Claims (10)

1.一种压路机-土基材料系统的理论模型，其特征在于，包括整体系统模型，所述整体系统模型包括框架，设于所述框架内且与所述框架转动相连的滚筒，设于所述滚筒下部的土基材料；所述压路机-土基材料系统的理论模型还包括振动模型；所述振动模型包括压路机滚筒振动模型和土基材料振动模型；所述压路机滚筒振动模型包括竖直振动模型和水平振动模型；

所述竖直方向振动力学模型包括：框架、位于所述框架下方的滚筒和连接所述框架和滚筒的竖直弹簧阻尼部，建立所述竖直方向振动力学模型以分析所述滚筒在竖直方向振动情况；

所述水平方向振动力学模型包括沿水平方向间隔设置的框架和滚筒，所述水平方向振动力学模型还包括连接所述框架和滚筒的水平弹簧阻尼部；建立所述水平方向振动力学模型以分析滚筒水平方向的振动压实情况；

所述土基材料振动模型包括弹性部分、粘弹性部分和塑性部分，所述弹性部分由一个第三弹簧组成，所述粘弹性部分由一个第四弹簧和一个粘性阻尼组成，所述塑性部分由一个塑性弹簧和一个塑性阻尼组成。

2.根据权利要求1所述的压路机-土基材料系统的理论模型，其特征在于，所述竖直弹簧阻尼部包括间隔设置的一个第二弹簧和一个惯性阻尼器，所述惯性阻尼器包括一个第二弹性阻尼和一个强度为无穷的粘性粘结，所述第二弹簧、第二弹性阻尼及粘性粘结的两端均分别与所述框架和滚筒连接。

3.根据权利要求2所述的压路机-土基材料系统的理论模型，其特征在于，所述水平弹簧阻尼部包括间隔设置的一个第一弹簧和一个第一弹性阻尼，所述第一弹簧和第一弹性阻尼的两端均分别与所述框架和滚筒连接。

4.根据权利要求3所述的压路机-土基材料系统的理论模型，其特征在于，所述压路机-土基材料系统的理论模型还包括接触模型，所述接触模型包括竖直接触模型和水平接触模型；所述竖直接触模型包括滚筒和设于滚筒下方的土基材料。

5.根据权利要求4所述的压路机-土基材料系统的理论模型，其特征在于，通过如下方法分析滚筒与土基材料的相互作用：

竖直方向接触分析：根据竖直接触模型，将滚筒与土基材料接触面分成若干小块，将压路机滚筒与土基材料接触部分共分为块，其中第块体与滚筒间的作用力表示为：

  (1)

其中：为弹性刚度，为第块体在竖直方向的位移；为塑性阻尼系数；、为与土基材料有关的塑性参数，和为双曲函数的两个参数，参数控制着变形的极限，这是由土基材料的最松散和最密集状态决定的，一旦确定了参数，就能够用来控制双曲线的形状；正对滚筒中心下方位置块体的顺序号；

滚筒与被压实材料间的总接触力为，为所有块体与滚筒间的作用力的总和:

  (2)

水平方向接触分析：认为接触发生在一个块体单元之上，并认为接触发生在材料基层的顶部；路基材料水平反力的计算表达式为：

  (3)

其中：为侧压力系数，用来表示压实过程中水平方向受力与竖向受力之比。

6.根据权利要求5所述的压路机-土基材料系统的理论模型，其特征在于，以所述竖直方向振动力学模型为对象，通过如下方法分析所述滚筒竖直方向振动情况：

计算由滚筒中的偏心块产生的垂向压实激振力，

  (4)

式中：为偏心块质量，为偏心距离，为滚筒旋转角速度，为振动频率，为压实时间，π为圆周率；

对于框架，由牛顿第二定律得：

  (5)

式中：为框架的质量，为重力加速度，为弹簧刚度，为框架垂向位移，为等效阻尼系数，为滚筒垂向位移；

其中：  (6)

式中：为滚筒质量，为框架阻尼系数；

对于压路机滚筒，由动力学分析得：

  (7)。

7.根据权利要求6所述的压路机-土基材料系统的理论模型，其特征在于，以所述水平方向振动力学模型为对象，通过如下方法分析分析滚筒水平方向的振动压实响应情况：

计算由滚筒中的偏心块产生的水平激振力，  (8)

对于框架，由牛顿第二定律得：  (9)

式中：为框架水平位移，为滚筒水平位移；

对于滚筒，由牛顿第二定律得：  (10)。

8.根据权利要求7所述的压路机-土基材料系统的理论模型，其特征在于，以所述土基材料振动模型为对象，通过如下方法分析土基材料的压实响应情况：为用于表示塑性弹簧的载荷-变形关系的双曲函数，的表达式为：  (11)

式中：表示变形量。

9.根据权利要求8所述的压路机-土基材料系统的理论模型，其特征在于，以所述土基材料振动模型为对象，还通过如下方法分析土基材料的压实响应情况：将所述土基材料振动模型作为一种同时考虑了基质吸力和孔隙率的影响弹性模量计算模型；土基材料的弹性模量的表达式如下：  (12)

式中：为基质吸力，为最小体应力，为八面体剪应力，表示为大气压力，=101.3kPa，表示土基材料的孔隙率，为自然对数函数的底；、、、均为回归系数，取决于土基材料的特性。

10.根据权利要求9所述的压路机-土基材料系统的理论模型，其特征在于，还通过如下方法分析滚筒与土基材料的接触过程对压实结果的影响：

根据所述土基材料的振动模型，能够得到被压实材料的本构方程如下：

  (13)

  (14)

其中：为土基材料所受的压缩应力，、分别是粘弹性刚度和弹性刚度，、为粘弹性阻尼系数，、、、分别是总变形、粘弹性变形、塑性变形和弹性变形。

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