砂土地基碾壓加密的模擬

   碾壓法和夯實法是常用的地基處理方式,碾壓法是采用碾壓、振動壓實機械,如壓路機、振動壓路機、推土機、羊足碾等機械,來回反復碾壓、震動使地基土密實、強度提高、壓縮性降低,從而使地基得到處理的一種密實方法。

砂土地基碾壓加密的模擬的圖1

 

    本文主要針對于砂土碾壓法進行建模,建模步驟主要分為兩步,首先生成一個比較松的砂土地基。之后在砂土地基上生成一個碾輪,并讓其來回滾動,使得砂土加密。

    先看一下地基的生成方式,為了使研究結果比較好,這里的砂土沒有經歷過成樣、預壓然后自重,而是直接生成帶有摩擦系數的顆粒,在自重下沉降。

new def par    rdmin=6e-3    rdmax=9e-3        width=4    height=width/3.0end@par

domain extent [-width] [width]

wall generate box [-width*0.5] [width*0.5] [-height*0.5] [height*0.5] expand 1.5

ball distribute porosity 0.5 radius [rdmin] [rdmax] box [-width*0.5] [width*0.5] [-height*0.5] [height*0.5]

cmat default model linear

cmat add 1 model linear method deformability emod 100e6 kratio 1.5 property fric 0.5 range contact type ball-ball

cmat add 2 model linear method deformability emod 100e6 kratio 1.5 range contact type ball-facet

ball attribute density 2.7e3 damp 0.7cycle 1000 calm 50cycle 2000set gravity 9.8solvesave sample

注意,需要使用calm命令清除一下顆粒的速度,沉降后的試樣如下圖所示:

砂土地基碾壓加密的模擬的圖2

    可以看到圖中的顆粒因為自重沉降,導致地面不是很平衡,所以我們對其進行削面處理,刪除表面的顆粒,然后平衡。

restore sample

[diding=height*0.5*0.22]ball delete range y [diding] [height*0.5]

cycle 1solvesave diji

這步運行完后如下圖所示:

砂土地基碾壓加密的模擬的圖3

    之后就是碾輪的生成了,我們使用wall來模擬碾輪,對碾輪施加豎向的伺服力來模擬碾輪對地基的重力??梢愿鶕芏纫约绑w積來計算重力的大小。這時候也可以刪除上部的墻了。這里使用wall sevro命令來施加伺服力,這其實是對之前伺服程序的一個包裝,里面的參數都可以在伺服程序中找到。

restore diji[nianlun_rad=height*0.1][force=3.8e3*9.8*math.pi*nianlun_rad^2]wall generate id 10 name nianlun circle position [-width*0.5+nianlun_rad] [diding+nianlun_rad*1.01] radius [nianlun_rad] wall delete range id 3wall servo activate on gainupdate 100 vmax [height] yforce [-force] range id 10ball property fric 0.5wall property fric 0.5 range id 5 68cmat modify 2 model linear method deformability emod 100e6 kratio 1.5  range contact type ball-facet

cycle 1000solve aratio 1e-5save create_nianlun

注意這里的碾輪和砂土地基間是有摩擦的,不然輪子會整個陷進地基中。

砂土地基碾壓加密的模擬的圖4

最后一步就是進行碾輪的反復碾壓了。

時間和位移場清零肯定是必須的。

    關鍵的一個點是根據移動速度去計算滾動速度,這樣保證輪子和顆粒間發生的是靜摩擦。還需要注意時刻更新碾輪的滾動中心,不然輪子就飛了。

    這里設置了測量圓去監測地基孔隙率的變化,并用history進行記錄。

    還需要注意這里的循環方式,速度有了,碾輪的居留我們也是有的,那么碾壓一次需要的時間是可以計算的。那么根據時間來實現循環碾壓也就是可行的了,每次到達碾壓時間后,反向移速和滾動速度即可,也可以順便保存個save文件進行后處理。

restore create_nianlunset mech age 0ball attribute displacement multiply 0

[yisu=0.2][spin=yisu/nianlun_rad][cishu=5][mea_rad=width*0.05]

wall attribute xvel [yisu] spin [-spin] range id 10

[wp_nianlun=wall.find(10)]def updata_center whilestepping wall.rotation.center(wp_nianlun)=wall.pos(wp_nianlun)end[onetime=(width-2*nianlun_rad)/yisu][timerecord=0][file_count=1]

measure deletemeasure create id 1 position [-width*0.5*0.2] [-height*0.5*0.3] radius [mea_rad]measure create id 2 position [-width*0.5*0.1] [-height*0.5*0.3] radius [mea_rad]measure create id 3 position [width*0.5*0.1] [-height*0.5*0.3] radius [mea_rad]measure create id 4 position [width*0.5*0.2] [-height*0.5*0.3] radius [mea_rad] def mp_get mp1 = measure.find(1) mp2 = measure.find(2) mp3 = measure.find(3) mp4 = measure.find(4) end@mp_getdef jiance whilestepping measure_poros1=measure.porosity(mp1) measure_poros2=measure.porosity(mp2) measure_poros3=measure.porosity(mp3) measure_poros4=measure.porosity(mp4) measure_av=(measure_poros1+measure_poros2+measure_poros3+measure_poros4)*0.25 forceLunY = wall.force.contact.y(wp_nianlun) forceLunX = wall.force.contact.x(wp_nianlun) time_now = mech.age weiyiX = yisu * mech.age nianlun_pos = wall.pos.x(wp_nianlun)end@jiancedef circle_nianya whilestepping if mech.age-timerecord>onetime then wall.vel.x(wp_nianlun)=-wall.vel.x(wp_nianlun) wall.spin(wp_nianlun)=-wall.spin(wp_nianlun) timerecord=mech.age filename=string.build("jieguo%1",file_count) command save @filename endcommand file_count+=1 endifendhistory delete history id 1 @time_nowhistory id 2 @weiyiXhistory id 3 @forceLunYhistory id 4 @forceLunXhistory id 5 @measure_poros1history id 6 @measure_poros2history id 7 @measure_poros3history id 8 @measure_poros4history id 9 @measure_avsolve time [cishu*onetime]

碾壓開始前狀態為:

砂土地基碾壓加密的模擬的圖5

圖中紅色圈圈為測量圓的位置。

第一次碾壓:

砂土地基碾壓加密的模擬的圖6

第二次碾壓:

砂土地基碾壓加密的模擬的圖7

第三次碾壓:

砂土地基碾壓加密的模擬的圖8

第四次碾壓

砂土地基碾壓加密的模擬的圖9

砂土地基碾壓加密的模擬的圖10

    可以看出隨著碾壓次數的提高,位移區域是在增加的。從位移場中也可以看出這個顆粒位移的趨勢。

砂土地基碾壓加密的模擬的圖11

顯示力鏈圖,可以看到碾輪向地基的力鏈延伸。

砂土地基碾壓加密的模擬的圖12

這里顯示記錄的孔隙率的變化:

砂土地基碾壓加密的模擬的圖13

    四個孔隙率隨著碾壓的進行都在減小,并且碾壓的越多,后面減小的量越小,也是比較常見的指數曲線。

這里受限于計算效率,只算了五次,讀者可以算十次或者二十次看看效果。

有的碾輪需要加激振力,只需要不停的改變碾輪伺服力的大小即可。

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