基于離散元方法的瀝青混合料虛擬疲勞試驗研究.pdf

1、疲勞破壞是瀝青路面的主要損壞型式之一，作為瀝青路面主要組成材料的瀝青混凝土的疲勞性能一直以來都是道路工作者研究的重要課題。考慮到瀝青混凝土是一種多相復(fù)合材料，其疲勞行為既與瀝青膠結(jié)料、集料和空隙的體積含量有關(guān)，又受到這些因素的空間分布影響，而這些因素在室內(nèi)疲勞試驗中很難得到體現(xiàn)。而且常規(guī)的室內(nèi)實體疲勞試驗過程復(fù)雜，尤其是針對長壽命路面材料的小應(yīng)變疲勞試驗，工作量更大。因此，從瀝青混凝土微細(xì)觀結(jié)構(gòu)角度采用虛擬疲勞試驗研究瀝青混合料疲勞行為

2、具有重要的現(xiàn)實意義。
　　 本文結(jié)合國家“863”項目“瀝青路面結(jié)構(gòu)疲勞仿真及其在長壽命路面中的應(yīng)用技術(shù)研究”，采用離散元技術(shù)模擬集料顆粒的不規(guī)則形狀和隨機(jī)分布特征，在建立瀝青混合料離散元模型和通過試驗確定計算微觀參數(shù)的基礎(chǔ)上，建立了瀝青混合料小梁試件的四點彎曲虛擬疲勞試驗方法，并與室內(nèi)疲勞試驗進(jìn)行了對比驗證。然后，采用經(jīng)驗證的虛擬疲勞試驗分析了瀝青混合料的斷裂機(jī)理，以及集料宏觀特征（集料體積含量、集料粒徑和集料空間分布）、集料

3、細(xì)觀結(jié)構(gòu)（扁平率、長軸取向和棱角性）和空隙細(xì)觀結(jié)構(gòu)（整體空隙率大小、單個空隙大小和空間分布）等對混合料疲勞性能的影響，由此提出了瀝青混合料設(shè)計的合理化建議。由于室內(nèi)和虛擬疲勞試驗在加載方式、邊界條件等方面不完全符合車輛移動荷載下瀝青路面的實際響應(yīng)，本文建立了路面結(jié)構(gòu)的多尺度力學(xué)分析模型，把材料疲勞性能納入路面結(jié)構(gòu)體系加以分析，提出了多次移動荷載下路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征的分析方法。
　　 首先，依據(jù)概率理論，推導(dǎo)了瀝青混合料二維截面上粗

4、集料數(shù)量級配的計算式：運用計算機(jī)隨機(jī)投放技術(shù)，并綜合考慮集料不規(guī)則形狀和級配特征，編寫了由粗集料和小于2.36mm瀝青砂漿所組成的瀝青混合料二維數(shù)字試件生成程序，實現(xiàn)了混合料二維數(shù)字試件的生成，并運用圖像處理技術(shù)驗證了生成程序的正確性。考慮到集料空間形狀的不規(guī)則性，利用離散元三維顆粒流程序PFC3D內(nèi)的“Fish”語言編寫了集料顆粒生成程序，并建立了可以考慮集料體積百分率、集料級配和空隙特征的瀝青混合料三維離散元模型。
　　 其

5、次，根據(jù)離散元方法中接觸和粘結(jié)模型的特點，結(jié)合瀝青混合料的力學(xué)特征，為瀝青混合料離散元模型選擇了合適的接觸和粘結(jié)模式；根據(jù)離散元方法中各微觀參數(shù)的物理意義，建立了瀝青混合料宏觀力學(xué)性能與各微觀參數(shù)的關(guān)系，并結(jié)合室內(nèi)宏觀力學(xué)性能試驗結(jié)果，確定了常用瀝青混合料的各類微觀參數(shù)，作為離散元計算的輸入?yún)?shù)。
　　 然后，通過瀝青混合料劈裂試驗、動態(tài)蠕變試驗和小梁中點彎曲斷裂試驗的離散元模擬，比較瀝青混合料二維結(jié)構(gòu)與三維結(jié)構(gòu)在數(shù)值模擬過程中

6、計算效率和精度的差異，以此選擇二維結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行混合料疲勞試驗?zāi)M；綜合離散元方法和瀝青混合料的材料特點，建立了瀝青混合料小梁的四點彎曲虛擬疲勞試驗方法；運用離散元方法進(jìn)行了瀝青混合料的一次斷裂模擬和虛擬疲勞試驗，獲得了混合料的斷裂機(jī)理，并通過與室內(nèi)實際試驗結(jié)果的比較，驗證了虛擬試驗方法的正確性。
　　 第四，通過圖像處理技術(shù)，建立了描述集料扁平率、長軸取向、棱角性和空隙大小、分布的評價指標(biāo)；并以瀝青混合料虛擬疲勞試驗為基礎(chǔ)，研究

7、了集料和空隙上述微觀結(jié)構(gòu)，以及混合料內(nèi)集料體積含量、集料粒徑、集料分布特征等宏觀特征對瀝青混合料疲勞性能的影響，由此提出了瀝青混合料設(shè)計的合理化建議。
　　 最后，為了研究長壽命瀝青路面的疲勞特征，本文采用PFC建立了柔性基層瀝青路面典型結(jié)構(gòu)的離散元模型，并比較了靜止、振動和移動荷載形式下路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)的差異；接著，分析了路面結(jié)構(gòu)特征、荷載特征對移動荷載下路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，說明了把材料疲勞性能納入到路面結(jié)構(gòu)體系中研究的必要性；最