论文总字数：44291字

摘 要

智能压实是一种无损、实时、全面的压实工艺，但目前对于其原理、实施方法的研究还处于尝试阶段。本文借助PFC2D平台，主要从振动压实的微观响应以及压实质量指标进行了讨论和研究。

本文提出了生成不规则形状的二维颗粒单元以及球体-刚性簇的混合模型的方法，并讨论二维仿真孔隙率的问题，指出在二维仿真试验中，压实度无法作为判断压实质量的指标。

借助测量圆的命令，分析得出：在振动作用下，振动轮中心以下竖向应力的分布在深度范围内基本呈现递减的趋势，下部结构的应力幅值不断加大，上部结构的应力大小有所下降；处于振动轮中心以下区域的水平应力的分布类似于劈裂试验的应力分布；处于表面的土体推挤作用明显，水平应力的传递距离较竖向应力大，加上一定程度的剪切作用，使得振动轮周围的土体有一定的隆起变形等。

本文选用弹性模量作为压实质量指标，通过仿真模拟，发现弹性模量与CMV值随着压实的进行逐渐增大，但由于颗粒的重排存在一定的波动；将弹性模量E与对应的CMV值进行拟合，发现二者相关系数可达0.74。

关键词：振动压实，路基土，离散元，微观机理，压实指标

ABSTRACT

Intelligent compaction is a non-destructive, real-time and comprehensive compaction process, but the research on its principle and implementation method is still in the trial stage. With the help of PFC2D platform, this paper mainly studies the Micro-response of vibration compaction and compaction quality index.

In this paper, a method of generating irregular two-dimensional particle element and a mixed model of ball-clump is presented. The problem of porosity in two-dimensional simulation is discussed. It is pointed out that compactness can’t be used as an index to judge compaction quality in two-dimensional simulation test.

With the command of measure, it is concluded that under the action of vibration, the vertical stress distribution below the center of the vibrating wheel tends to decrease in the depth range, the stress amplitude of the lower structure increases continuously, and the upper decreases. The horizontal stress distribution below the center of the vibrating wheel is similar to that of the splitting test. The soil pushing effect is obvious on the surface, the transfer distance of horizontal stress is larger than that of vertical stress, and a certain degree of shear action makes the soil around the vibration wheel have some uplift deformation, etc.

In this paper, elastic modulus is selected as compaction quality index. Through simulation, it is found that the elastic modulus and CMV value increase with time, but there is a certain fluctuation due to the rearrangement of particles. It is found that the correlation coefficient between the elastic modulus and CMV is 0.74.

KEY WORDS: vibration compaction, subgrade soil, discrete element method, microscopic mechanism, compaction index

目 录

摘 要 Ⅰ

ABSTRACT Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2国内外研究现状 3

1.2.1离散元仿真研究 3

1.2.2压实质量评价指标的研究 6

1.3研究方法与内容 8

1.3.1研究内容 8

1.3.2本文技术路线 8

第二章 基于PFC构建振动压实体系离散元模型的研究 9

2.1PFC软件对砂石颗粒形态构建的研究 9

2.1.1离散元颗粒形状的选用 9

2.1.2不规则形状生成颗粒模型的研究 11

2.2离散元方法的基本原理 15

2.3接触模型及参数选定的研究 16

2.4本章小结 21

第三章 振动作用下的微观机理研究 23

3.1振动压实理论 23

3.2振动轮原地振动仿真试验 25

3.3振动作用下的颗粒微观状态 26

3.3.1振动轮中心以下区域的应力分布特点 27

3.3.2土体表面应力分布特点 30

3.3.3关于振动压实理论的讨论 32

3.4本章小结 33

第四章 振动压实质量指标的研究 34

4.1以模量为压实质量评价指标的研究 34

4.2仿真建模与数据处理分析 35

4.2.1加速度信号的处理 35

4.2.2瞬时弹性模量的测定 39

4.2.3弹性模量与CMV的关系 41

4.3指标合理性分析 42

4.4本章小结 44

第五章 结论与展望 45

5.1主要结论 45

5.2创新点 46

5.3进一步研究建议 46

参考文献 48

致 谢 51

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

压实是道路工程施工中重要的工序之一，它主要是将松散的路基、基层或面层材料，通过机械的碾压、振动、振荡等作用，将其密实度提高，防止路面结构在自重作用或者车辆荷载的作用下发生破坏。在宏观尺度下，压实的作用可将被压实材料的强度、刚度以及稳定性提高，所以压实效果将直接影响道路的质量和耐久性。传统工程中对于压实质量的控制主要是通过压实度来表征，检测的装置和方法有很多，如灌砂法、环刀法、蜡封法、核子密度仪法等^[1]，但此类检测均属于工后检测，无法实时对压实的工艺进行调整。并且，许多检测手段如灌砂法、环刀法属于破坏性检测，它需要在完成压实的结构上进行钻孔取样，虽然试验后会进行回填，但在一定程度上破坏了路面结构的连续性，是后期破坏可能发展的源头之一。此外，道路是一个多层的结构，每一层力学响应的不同就对各层的材料特性提出了不同的要求，传统检测方法对于某些材料压实度的调整有一定局限性，例如对于像沥青混合料一类对温度和施工时间有严格控制的材料而言，它的力学性能与温度关系紧密，而工后检测常常会耗费大量的时间，使得压实度不合格的区域失去了返工的可能。

在众多学者探究讨论压实度检测方法的历程中，智能压实的概念被提出了。1974年，来自瑞典的Heinz Thurner博士将加速度传感器装在一台单钢轮振动压路机上，并在粒状土壤上进行压实作业，由此振动轮的振动谐波与土壤压实特性第一次被联系起来^[2]。智能压实（Intelligent Compaction）指的是使用配备现场测量系统与反馈控制功能的振动压路机，对土壤、骨料基层或者沥青路面材料等进行的压实。常用的手段就是将加速度传感器、温度传感器等设备直接安装在压实作业的压路机上（通常加速度传感器安装在振动轮上），通过车载GPS等设备将作业时采集的信号发送至监测站处，进行数据处理分析。因此，它能进行实时的压实质量监测，及时地对压实工艺进行调整，使得在压实结束后，压实质量能够直接满足要求，无需再次检测。

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