一种基于离散元的沥青混合料压实模拟方法

摘要

本发明公开了一种基于离散元的沥青混合料压实模拟方法，步骤为：用PFC3D软件中的“wall”命令生成给定的空间区域，并随机填充由粗集料、沥青砂浆组成的颗粒体系；随机删除部分沥青砂浆；对沥青混合料中的粗集料内部、沥青砂浆内部、粗集料与沥青砂浆之间赋予相应的接触类型；设置由基本单元颗粒聚集成PFC3D软件中的“clump”视为压路机滚动轮，压路机滚动轮在重力作用下实现对沥青混合料的静压作用；对“clump”赋予激振力，将“clump”体系激振力与重力耦合，模拟振动压实作用；通过fish语言编程控制压实路滚动轮对沥青混合料的压实。该方法使用简便，经济有效，对沥青混合料路面的施工具有一定的意义。

说明书

技术领域

本发明涉及沥青混合料离散元数值仿真技术，尤其涉及一种基于离散元 的沥青混合料压实模拟方法。

背景技术

沥青混合料的压实是路面施工的关键工序。大量的研究表明：路面的 早期破坏与路面的压实质量直接相关。若压实度不足，路面的空隙率偏大， 雨水经空隙渗人路面结构内部，路面易发生水损害与车辙等早期破坏。若 压实度太大，致使路面结构内部空隙过小，在高温条件下常发现泛油和失 稳等现象。路面压实对道路力学性能的重要影响也引起了道路工作者的极 大关注，其中对沥青混合料的压实机理展开了深入的研究并取得了一定的 成果。比如分析振动压路机、轮胎压路机等的压实机理，研究各种压实机 械的组合与碾压遍数、有效碾压时间等。然而，这些研究都是基于宏观的 表象学，非直接的，且试验成本高，花费时间长，无法从本质上深入理解 沥青混合料的压实机理。

基于分子动力学的离散法能从细观层次研究颗粒物质的本质特征。沥 青混合料是一种典型的多相颗粒物质，近年来，国内外采用离散元建立虚 拟试验研究沥青混合料的力学性能。然而，运用离散元研究沥青混合料的 压实机理研究较少，已有的二维模型只是用简单的圆盘来表示集料，沥青 混合料的粘弹塑特性只是简单的用接触粘结或平行粘结等这些弹性接触模 型来表示，仅能简单模拟静压过程，无法真实反映沥青混合料的压实机理。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于离散元的 沥青混合料压实模拟方法，能够从细观层次反映沥青混合料压实机理。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于离散元的沥青混合料压实模拟方法，包括以下步骤：

步骤1，用PFC^3D软件中的“wall”命令生成给定的空间区域，并在此区域 内随机填充由粗集料、沥青砂浆组成的颗粒体系；

步骤2，根据实际的沥青混合料的空隙率，通过删除步骤1所述的颗粒体系 中相应的颗粒来模拟空隙率，此时，沥青混合料视为由粗集料、沥青砂浆 及空隙组成的三相复合材料；

步骤3，对沥青混合料中的粗集料内部、沥青砂浆内部、粗集料与沥青砂浆 之间赋予相应的接触类型；

步骤4，设置由基本单元颗粒聚集成PFC^3D软件中的“clump”视为压路机 滚动轮，根据与实际压路机等重力作用原则，并对基本单元颗粒体系赋予 密度，压路机滚动轮在重力作用下实现对沥青混合料的静压作用；

步骤5，对“clump”赋予激振力，将“clump”体系激振力与重力耦合，模 拟振动压实作用；

步骤6，通过fish语言编程控制压实路滚动轮对沥青混合料的压实。

进一步的，步骤1给定的空间区域的尺寸大小为实际施工的压实尺寸缩 小若干倍，且不小于最大公称粒径的3倍。

进一步的，步骤2中，根据集料的粒径，将小于2.36mm颗粒与沥青视 为沥青砂浆；将大于或等于2.36mm的集料视为粗集料；空隙在沥青混合料 中为随机分布。

进一步的，步骤3所述的粗集料内部的接触类型采用线弹性模型表示， 沥青砂浆内部的接触类型运用伯格斯模型和接触粘结模型表示，粗集料与 沥青砂浆之间的接触类型运用伯格斯模型和接触粘结模型表示。。

进一步的，步骤4中，通过fish编程对压路机滚动轮中颗粒的内部接触 力，位移、应力及能量进行跟踪。

进一步的，步骤5所述激振力是根据振动压路机偏心块的工作原理，将 离心力进行竖直方向分解而获得，振动作用力随时间的变化规律近似为正 弦曲线，将振动力与压路机滚动轮的重力进行耦合可得到振动压路机对沥 青混合料的作用力。

有益效果：本发明提供的一种基于离散元的沥青混合料压实模拟方法， 用不规则的颗粒单元能够很好地反映集料的三维形态特征，可以有效模拟 静压与振动压实对沥青混合料的压实机理，操作简单，实用性强，将沥青 混合料在压实过程的压实机理直观形象地表现出来，这是基于表观现象学 的传统试验方法所无法获取的。

附图说明

图1为实施例中空间区域三维尺寸示意图；

图2为实施例中区域内生成的级配圆球集料示意图；

图3为实施例中区域内生成的沥青混合料示意图；

图4为实施例中沥青混合料路面压实模型的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明所述的一种基于离散元的沥青混合料压实模拟方法包括以下步 骤：

步骤1，用PFC^3D软件中的“wall”命令生成给定的空间区域，并在此区 域内随机填充由粗集料、沥青砂浆组成的颗粒体系；

步骤2，根据实际的沥青混合料的空隙率，通过删除步骤1所述的颗粒 体系中相应的颗粒来模拟空隙率，即空隙率是多少，就删除多少砂浆颗粒； 此时，沥青混合料视为由粗集料、沥青砂浆及空隙组成的三相复合材料；

步骤3，对沥青混合料中的粗集料内部、沥青砂浆内部、粗集料与沥青 砂浆之间赋予相应的接触类型；

步骤4，设置由基本单元颗粒聚集成PFC^3D软件中的“clump”视为压路 机滚动轮，根据与实际压路机等重力作用原则，并对小颗粒单元体系赋予 密度，压路机滚动轮在重力作用下实现对沥青混合料的静压作用；

步骤5，对“clump”赋予激振力，将“clump”体系激振力与重力耦合， 模拟振动压实作用；

步骤6，通过fish语言编程控制压实路滚动轮对沥青混合料的压实。

步骤1给定的空间区域应根据模拟对象的要求及计算机效率尺寸不能过 大；一般为实际施工的压实尺寸缩小若干倍，且不小于最大公称粒径的3 倍。

步骤2中，根据集料的尺寸，将小于2.36mm颗粒与沥青等视为沥青砂 浆；将大于或等于2.36mm的集料视为粗集料；空隙在沥青混合料中为随机 分布。

步骤3中，粗集料内部的接触类型采用线弹性模型表示，沥青砂浆内 部的接触类型运用伯格斯模型和接触粘结模型表示，粗集料与沥青砂浆之 间的接触类型运用伯格斯模型和接触粘结模型表示。

步骤4所述的压路机滚动轮是由基本单元颗粒组成的“clump”，因为 “clump”不考虑内部接触，可提高运算效率，且在压实过程中，压路机滚 动轮不至于因内部接触力过大发生破坏。

步骤5所述激振力是根据振动压路机偏心块的工作原理，将离心力进 行竖直方向分解而获得，振动作用力随时间的变化规律近似为正弦曲线， 将振动力与压路机滚动轮的重力进行耦合可得到振动压路机对沥青混合料 的作用力。

实施例

以沥青混合料SMA13的压实为例并结合附图详细说明本发明的实施 步骤。沥青混合料SMA13的级配见表1。

表1沥青混合料SMA13级配表

具体的沥青混合料建模过程如下：

1)空间区域确定

根据表1，沥青混合料中粗集料(大于或等于2.36mm)的百分比占优 势，细集料(小于2.36mm)颗粒所占集料的百分比虽少，但是由于其体积 小，颗粒数量却远多于粗集料的数量。根据沥青混合料的分散理论，从宏 观尺度上将沥青混合料视为由粗集料、沥青砂浆(细集料与沥青)及空隙 率组成的多相复合材料。另外，考虑到计算效率问题，因而在建立沥青混 合料离散元虚拟试件时常根据上述的分散理论。

沥青混合料压实模型的空间区域需考虑沥青混合料类型和运行效率。 对于沥青混合料实际施工的压实厚度都有一定的要求，为了便于计算，空 间区域尺寸的不能严格按照实际施工的压实尺寸进行建模，一般应缩小若 干倍，且不宜小于最大公称粒径的3倍。如图1所示，本实施案例采用的 尺寸为150mm×50mm×50mm。

2)沥青混合料包括不规则粗集料、砂浆与空隙率的生成

在PFC^3D软件中，圆球单元为颗粒物质的基本单元。单纯采用理想的 圆球颗粒表示具有棱角、纹理、破碎面等形态特征的集料显然差异较大。 本发明采用不规则的多面体颗粒来模拟集料具有良好的相似性。

空隙率对沥青混合料的路用性能影响重大，路面压实施工控制的关键 就是通过压实度来降低沥青混合料的空隙率。本发明所述的沥青混合料是 指经摊铺机的振动梁压实整平后具有一定强度和稳定性的沥青混合料。研 究表明，此时沥青混合料的压实度在80％-90％即空隙率相对较小。

在PFC^3D软件中，通过膨胀法生成的颗粒体系的中不能同时控制空隙 率和初始应力。沥青混合料在压实状态下的强度较低，简单的通过设置重 力作用很难达到目标空隙率。虽然通过“wall”命令施加一定的速度能实现 目标空隙率，但是此时颗粒间的接触应力较大，若超过颗粒粘结强度，会 发生颗粒的逃逸。因此，本发明采用替代法即首先按照表1的级配在所述 空间区域内生成理想圆球颗粒，在“fix”命令经过若干循环后，颗粒体系 的接触力足够小从而达到了静态平衡。其次，对所述的具有一定级配特征 的理想圆球按照一定的规则进行切割(如图2所示)，用切割的平面表示破 碎面，切割平面之间或切割平面与圆球曲面表示棱角，对颗粒表面设置摩 擦系数表示纹理特征。再次，由于PFC^3D软件的圆球均为刚性球即球不可 分，上述切割为虚拟切割，在上述的空间域内生成小粒径的离散元单元颗 粒，通过fish编程实现若所述的小粒径离散元单元颗粒在虚拟切割的圆球 颗粒内部，则属于粗集料，否则属于沥青砂浆。最后，设置随机函数通过 删除沥青砂浆中的部分颗粒来模拟空隙率。图3为在所述区域内生成的沥 青混合料。

3)沥青混合料内部细观接触本构及参数

粗集料内部的接触类型采用线弹性模型表示，沥青砂浆内部的接触类 型运用伯格斯模型和接触粘结模型表示，粗集料与沥青砂浆之间的接触类 型运用伯格斯模型和接触粘结模型表示。并选取合适的细观参数。由于宏 观参数与细观参数没有直接的转换公式，也不存在一一对应的关系，细观 参数的通过“反算”确定即离散元模拟结果的宏观指标与试验的宏观指标 相同时，所选的细观参数就是模型中的细观参数。

4)压路机静压加载模型

模型中压路机滚动轮的尺寸应与路面压实区域尺寸相协调，本发明实 施案例为30mm。压路机的滚动轮用基本单元颗粒通过fish编程聚集为 “clump”，所述的“clump”不考虑内部的接触数，颗粒的接触力忽略不计， 有利于改善计算效率。图4为沥青混合料路面压实模型图。对基本单元颗 粒赋予足够大的密度来模拟静压作用，本实施案例为270000kg/m³。在重力 作用下，沥青混合料的内部粗集料位置发生迁移，集料与砂浆发生相对滑 动，内部接触数显著提高。通过fish编程可对颗粒的内部接触力，位移、 应力及能量等跟踪。

5)压路机振动压实模型

根据振动压路机偏心块的工作原理，将离心力进行竖直方向分解而获 得，振动作用力随时间的变化规律近似为正弦曲线，将振动力与压路机滚 动轮的重力进行耦合可得到振动压路机对沥青混合料的作用力。在激振力 和重力作用下颗粒发生重新排列，沥青混合料内部接触力增大，集料的骨 架结构增强，通过fish编程可分析颗粒的内部接触力，位移、应力及能量 等变量信息，从细观层次深入研究沥青混合料的压实机理。

6)压实控制

沥青混合料的压实分为初压、复压和终压，在不同压实阶段碾压的速 度不同。不同类型的沥青混合料、施工环境及目标压实度不同，碾压的遍 数不同。通过fish编程以压实时间或压实度等为指标控制压实的进行。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的 普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进 和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。