路面振动压实系统动力学仿真分析

黄志福，梁乃兴，赵 毅，3，樊文胜，樊友伟

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2.安徽省交通控股集团有限公司，安徽 合肥 230088；3.河北交通职业技术学院，河北 石家庄 050091；4.江西省高速集团抚吉项目办，江西 南昌 330025；5.江西交通咨询公司，江西 南昌 330008)

路面振动压实系统动力学仿真分析

黄志福1,2，梁乃兴1，赵 毅1，3，樊文胜4，樊友伟5

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2.安徽省交通控股集团有限公司，安徽 合肥 230088；3.河北交通职业技术学院，河北 石家庄 050091；4.江西省高速集团抚吉项目办，江西 南昌 330025；5.江西交通咨询公司，江西 南昌 330008)

从振动压路机垂直加速度和路面压实度的动力学关系出发，建立了路面振动压实系统模型。基于Simulink的仿真结果表明：在振动压路机合理工况范围内，激振力和振动频率保持不变，振动轮加速度随着路面材料的刚度系数的增大而增大，随着阻尼系数的减小而增大。利用有限元分析软件ABAQUS，建立振动轮-路面三维有限元模型。结果表明：在路面材料允许情况下，采用强振和一挡行驶速度压实的效果最好，随着碾压遍数的增加，密实度提高；在进行复压和终压时，振动压路机的碾压速度应适当提高，可以选择二挡行驶速度进行压实，有利于提高生产效率，降低施工成本。

道路工程；路面压实度；振动轮加速度；动力学模型；仿真模拟

0 引 言

目前，我国公路建设质量和水平大幅提高，公路路面的投资费用占工程总投资的30 %～50 %，特别是高等级公路，其路面的投资比重更大。路面一旦破坏，不仅经济损失非常巨大，同时也严重影响了公路的正常使用和交通秩序。

振动压实是目前公路工程中常用的压实方法之一，也是提高路面填料强度和稳定性最有效的方法。振动压路机依靠振动轮的高频振动，产生冲击波，使被压实材料产生共振以降低材料的内摩擦阻力，然后再利用压路机的自重和冲击力将材料压实，不仅提高了压路机的压实效果和压实速度，而且使深层的材料也能得到很好地压实。随着振动压路机向高效节能、人-机环境协调和智能控制方向的发展，人们对振动压路机的动力学分析日益关注。有效地建立振动压路机-压实材料动力学模型，可以为振动压实智能控制提供科学依据，为振动压路机结构参数优化和压实作业参数选择提供理论依据。

国外对路面振动压实系统动态特性的研究最早开始于20世纪50年代。前苏联学者Н．Я．哈尔胡塔[1]最早建立“振动压路机-压实材料”系统模型，认为采用振动法进行压实时，压实材料的压实度取决于压路机的参数，并且与压实材料的各项物理参数有关。美国学者E．T．Selig[2]和Yoo Tai-sung等[3]基于完全弹性振动理论，建立了“振动压路机-压实材料”系统的二自由度动力学模型，对光轮振动压路机的影响因素和压实机理作了较为详细的分析和研究。德国学者D．Pietzsch等[4]将压路机和压实材料假设为闭环系统，模拟研究了其振动特性和压实效果。

我国对振动压实系统的研究始于20世纪80年代初。1986年，张仲甫等[5]首次对“振动压路机-压实材料”的系统模型进行研究，研究结果认为振动压路机的压实效果和本身的参数有关，且最佳振动参数与压实材料的参数有关。张青哲等[6]根据机械系统动力学理论，结合土基振动压实过程，建立了“振动压路机-土”系统的二自由度动力学模型。向亮等[7]通过神经网络的识别很好地映射了振动加速度和土壤压实度之间的关系。邱声等[8]建立了振动轮-土体有限元模型，很好地仿真了振动压实过程的非线性响应。

笔者从振动压路机和压实材料的动力学关系出发，建立振动压路机-路面材料仿真模型，对振动轮和压实度之间的关系及振动压实效果进行分析，为路面压实度自动连续检测技术的开发奠定理论基础。

1 理论研究

易飞等[9]和严世榕等[10]对路面振动压实过程进行了划分，而压实自动检测则只针对A阶段(弹塑性应变阶段)和B阶段(弹性应变阶段)。其振动轮-路面系统动力学模型如图1。

m1—车架质量；m2—振动轮质量；k1—振动轮减振器刚度；c1—振动轮减振器阻尼；k2—沥青混合料弹性刚度；c2—振动轮与沥青混合料的阻尼；F0=meω2，me—偏心块的静偏心矩，ω—偏心块旋转角速度；x1—车架瞬时位移；x2—振动轮瞬时位移。

图1 振动轮-路面系统动力学模型
Fig.1 The vibration model of vibratory wheel-pavement system

由易飞等[9]得到振动轮的垂直加速度为与路面压实材料之间的刚度和阻尼有关的变量，其表达式可表示为

(1)

通过式(1)以及压实材料的刚度和阻尼与压实度之间的关系可以得到：振动轮的垂直加速度与路面压实度是正相关的，所以选取测定车轮加速度来计算压实度理论上是可行的。

2 路面振动压实系统模型仿真

2.1 基于Simulink的压实系统仿真

2.1.1 仿真意义

振动压路机与沥青路面的相互作用中，即使是相同的数学模型，随着频率、振幅、刚度等参数的不同，动力学特性也会产生较大差异，因此对振动压路机-沥青路面动力学过程进行仿真，研究其动力学系统的频率响应特性，一方面可以分析在压实过程中，随着路面刚度、阻尼等的变化，振动轮自身参数的变化情况；另一方面，通过分析振动参数如速度、加速度、位移的变化情况，得到振动压路机振动压实时振动变化规律，从而更深刻地了解振动压路机的动力学特性，对提高压实效果及合理选择振动压路机参数有着重要意义。

2.1.2 仿真方法

依托安徽泗许、济祁两条高速使用的沃尔沃DD138 HF压路机；其运行重量13 752 kg；钢轮宽度2 135 mm；振动频率53.3 Hz；振动离心力97.1～188 kN。压路机各参数：m1=2 320 kg；m2=4 500 kg；k1=1.9×105N/m；c1=2 000 N·s/m，F0=1.2×105kN；a=35～45 m/s2。

首先，在Simulink Library Browser各模块库中选取合适的模块；其次，根据动力学方程构建系统的仿真框图；最后，在各模块参数修改框中输入初值，保存、运行[11]。

2.1.3 仿真结果

由仿真结果可知，随着沥青路面刚度增大，振动轮加速度、速度、位移幅值均增大；随着沥青路面阻尼系数的增大，振动轮振动加速度、振动速度、振动位移均减小。

2.2 路面振动压实系统有限元模拟

振动轮-路面动力学模型是平面应变问题，是二自由度模型，但在实际的振动压实过程中，振动轮与路面材料的接触区域是一个面压力，此问题的解析解难以求出。故借助有限元分析软件ABAQUS建立三维仿真模型，对振动压实过程进行仿真与数值计算。

2.2.1 振动轮有限元模型

振动轮直径为1.6 m，厚0.046 m，长为2.1 m的空心轮，材质是Q235号钢，密度7 800 kg/m3，泊松比为0.3，弹性模量为211 GPa，得到的模型如图2。

图2 振动轮模型Fig.2 The finite element model of the vibratory wheel

2.2.2 路面材料有限元模型

路面压实材料为半空间结构，取长方体代替，并在5个面(接触面除外)施加约束和黏性边界，垫层采用级配砂砾，厚度20 cm，采用线弹性模型，基层为水泥稳定碎石，厚度36 cm，采用Drucker-Prager弹塑性模型，面层为沥青混合料，厚度18 cm，采用非线性弹塑性模型。

2.2.3 划分网格及施加荷载

振动轮与路面材料之间采用面面接触，同时根据压实的实际情况进行约束，将激振力沿竖直方向施加在振动轮模型的质心上，振动轮采用四面体实体单元进行网格划分，共划分12 866个单元，路面压实材料采用六面体实体单元进行网格划分，将面层划分为898个单元，基层划分成1 568个单元，垫层划分成144个单元，建好的振动轮-路面模型如图3 。

图3 振动轮-路面网格模型Fig.3 The finite element model of the vibration wheel and pavement

2.2.4 振动压实系统模拟结果

1)振动压实时程分析

振动压实时程分析如图4。由图4(a)可以看出，振动刚开始时，振动轮中心处的路面塑性变形最大，逐渐向四周扩散，离振动轮越远，变化越不明显，其变形成椭圆形。这是由于偏心块高速旋转产生激振力，强迫振动轮产生强大的冲击力，而这个激振力就在振动轮的中心处。

从图4(b)可以看出，随着振动轮的行驶，路面逐步压实，但在路面中心处变形量也不是一样，这是由于激振力是正弦变化的缘故。

从图4(c)中则可以看出，振动压实结束后，路面材料表面的变形并没有消失，这是由于振动压实过程中路面材料产生塑性变形，不可恢复。

图4 振动压实过程中路面变化Fig.4 The changes of the pavement during vibratory compacting

2)激振力对压实效果的影响

图5为静压、弱振、强振时和过大激振力时的路面材料有效塑性变形。从图5中可以看出，它们的有效塑性变形量，依次增大，但静压时路面材料表面有效塑性变形不是很连续，且压实效果很不好，而当激振力过大时，可能直接导致路面损坏，压碎骨料;弱振和强振时，压实的效果都比较好，且强振时的有效塑性变形更大，在工况允许的情况下采用强振，更能提高生产效率。

图5 激振力对压实效果的影响Fig.5 Effect of exciting force on compaction result

3)行驶速度对压实效果的影响

为了研究振动压路机的行驶速度对压实效果的影响，在强振模式下，只改变压路机的工作速度进行仿真，分别选择其一挡速度(2 km/h)、二挡速度(4 km/h)、三挡速度(10.5 km/h)为行驶速度。

图6是压路机不同工作速度下路面的有效塑性变形结果。从图6可以看出：一挡行驶速度时，压实效果是最好的，二挡行驶速度的压实效果比较好，但以三挡行驶时，路面材料表面有效塑性变形不是很连续且变形量小，不宜采用。但是考虑压路机振动碾压时，行驶速度低必然导致生产效率低下，成本费用增加。从以上分析结果可以发现，压路机分别在一档和二档行驶时效果差异并不是很大，故可初压选择一档进行，在进行复压和终压时，可以选择二档进行，这样有利于提高生产率，降低施工成本。

图6 不同速度时路面有效塑性变形Fig.6 The effective plastic deformation of pavement at speed vairation

3 结 论

1)基于SIMULINK的仿真分析，在振动压路机在合理工况范围内，激振力和频率不变时，振动压路机振动轮的加速度随着被压实材料刚度系数的增大而增大，随着被压实材料阻尼系数的减小而增大。

2)利用有限元软件ABAQUS，建立振动轮-路面三维有限元模型。仿真分析结果表明，在路面材料允许情况下采用强振，更能提高生产效率。

3)采用强振和一挡行驶速度进行压实的效果最好。随着碾压遍数的增加，密实度提高，在进行复压和终压时，可以选择二挡行驶速度进行压实，有利于提高生产率，降低施工成本。

[1] 哈尔胡塔Н Я．压实土壤的理论及机械[M]．曹相云，译．北京:水利出版社，1957． ХAPXYTA Н Я.SoilCompactionTheoryandMechanical[M].CAO Xiangyun,translation. Beijing: Water Conservancy Press,1957.

[2] SELIG E T. Fundamentals of vibratory compaction of soil[C]∥Proeeedingsof9thInternationalConferenceonSoilMechanicsandFoundationEngineering. Japan,1977:375-380.

[3] YOO Tai-sung,SELIG E T. Dynamics of vibratory-roller compaction[J].JoumalofTheGeotechnicalEngineeingDivision,1979,105(10): 1211-1231.

[4] PIETZSCH D,POPPY W. Simulation of soil compaction with vibratory rollers[J].JoumalofTerramechanics,1992,29(6):585-597.

[5] 张仲甫，饶明太，万世宏，等．振动压实过程中的土壤-机械系统相似模型的实验研究[J]．武汉工学院学报，1986(3):1-11. ZHANG Zhongfu,RAO Mingtai,WAN Shihong,et al. Experimental research of the similitude model of soil-machine system during vi-bratory campaction[J].JournalofWuhanInstituteofTechnology,1986(3): 1-11.

[6] 张青哲，杨人凤，戴经梁．黄土振动压实试验研究[J]．郑州大学学报(工学版)，2010，31(3):92-95． ZHANG Qingzhe,YANG Renfeng,DAI Jingliang. Loess property and vibrating compaction test[J].JournalofZhengzhouUniversity(EngineeringScience),2010,31(3): 92-95.

[7] 向亮，曹源文，易飞.基于神经网络的振动压路机土壤压实度数据处理[J]．重庆交通大学学报(自然科学版)，2012,31(2):261-263. XIANG Liang，CAO Yuanwen，YI Fei. Data processing of soil compaction degree of vibratory roller based on neural network[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience),2012,31(2):261-263.

[8] 邱声,曹源文.非线性有限元在振动压实中的应用[J]．重庆交通大学学报(自然科学版)，2011,30(2):270-272. QIU Sheng,CAO Yuanwen. Application of nonlinear finite elementin vibration compaction[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience),2011,30(2):270-272.

[9] 易飞，曹源文．小波去噪在振动压路机振动信号处理中的应用[J]．重庆交通大学学报(自然科学版)，2011，30(1) :162-165． YI Fei,CAO Yuanwen. Application and research of wavelet de-noising in the data processing of vibratory roller[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience),2011,30(1) :162-165.

[10] 严世榕，闻邦椿．振动压路机的一种非线性动力学特性研究[J]．福州大学学报(自然科学版)，2000，28(5):64-67． YAN Shirong,WEN Bangchun. Investigation of characteristics of one kind of nonlinear dynamics of a vibratory roller[J].JournalofFuzhouUniversity(NaturalScience),2000,28(5):64-67.

[11] 吴梁．路基土压实度检测技术研究[D]．重庆:重庆交通大学，2008． WU Liang.ResearchontheCompactionDegreeDetectionTechnologyofSubgradeSoil[D]. Chongqing: Chongqing Jiaotong University,2008.

Dynamic Simulation Analysis on Vibration Compaction System of Pavement

HUANG Zhifu1,2, LIANG Naixing1, ZHAO Yi1,3, FAN Wensheng4, FAN Youwei5

(1.School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P. R. China;2.Anhui Transportation Holding Group Co.Ltd，Hefei 230088, Anhui, P. R. China;3.Hebei Jiaotong Vocational & Technical College, Shijiazhaang 050091,Hebei,P. R. China;4.Jiangxi Expressway Group Fuzhou to Ji’an Project Office, Nanchang 330025, Jiangxi, P. R. China;5.Jiangxi Traffic Consulting Company, Nanchang 330008,Jiangxi, P. R. China)

A dynamic model of pavement vibratory compaction system was established based on the relationship between the vertical acceleration of vibratory roller and pavement compactness. The results of simulation by Simulink show that if the vibratory roller is in reasonable conditions within the scope of work and on the basis of the constant exciting force and vibrating frequency, the accelerating speed of roller wheel increases with increased stiffness coefficient of pavement material and decreases with the increased damping coefficient. The three-dimensional vibratory-pavement simulating model was established with finite element analysis software ABAQUS to simulate the pavement vibratory compaction system. Analysis results show that if pavement materials permit, use of strong vibration and first gear speed generates optimum compaction result. With the increased rounds of compaction, the pavement material density is improved. During re-compacting and final compacting the higher speed of vibratory roller should be applied and second gear of driving speed can be applied in compacting to improve production efficiency and reduce works cost.

highway engineering; pavement compaction; vibration wheel acceleration; dynamic model; simulation

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.02.12

2015-04-06；

2015-04-26

安徽省交通运输厅科技项目(2013SSLMJK)；江西省交通运输厅重点科技项目(2012C0019)

黄志福(1963—)，男，安徽六安人，博士研究生，教授级高级工程师，主要从事高速公路建设管理方面的研究。E-mail:sxqlyi@163.com。

U415.51

A

1674-0696(2016)02-050-04