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原文传递沥青混合料剪胀力学行为分析及数值模拟研究

论文题名：	沥青混合料剪胀力学行为分析及数值模拟研究
关键词：	道路工程;沥青混合料;剪胀现象;力学行为;数值模拟
摘要：	剪胀为沥青混合料在剪切变形过程中产生的体积膨胀现象。认识沥青路面剪胀现象是解决车辙问题的重点，也是本文的出发点和重点阐述的科学问题。本文依托国家自然科学基金项目，采用三轴压缩试验、局部三轴压缩试验全面系统地研究沥青混合料的抗剪强度以及体积变形特征，分析沥青混合料剪胀机理及变形规律;采用X-ray CT技术和图像处理技术分析沥青混合料剪切破坏过程中细观结构的变化，研究沥青混合料剪胀机制。沥青混合料剪胀行为的发生使得混合料由连续介质变成不连续介质体。根据不连续介质力学理论和离散元方法，建立了考虑剪胀变形特性的黏弹塑性本构模型，并进行三轴剪切试验细观数值仿真分析，评价沥青混合料剪胀变形及发展趋势，实现了沥青混合料剪胀行为的细观描述与宏观性能的有机结合，为有效地分析和预测沥青路面车辙提供理论基础和技术手段。论文开展了如下内容: 　　(1)通过剖析沥青混合料细观结构，分析颗粒与颗粒间互锁作用及颗粒与沥青胶浆的黏结作用方式，解释沥青混合料剪胀机理。　　(2)运用Reynolds剪胀理论、Drucker-Prager准则及细观组构理论，分析沥青混合料颗粒受荷平衡条件，并结合这几方面理论初步建立了沥青混合料剪胀模型。　　(3)采用UTM-25多功能材料系统及环状径向变形测试装置开展三轴等应变速率试验测量，并分析沥青混合料试件在不同试验温度及试验时间条件下的沥青混合料的轴向、径向、体积变形以及应力应变关系，分析沥青混合料剪胀行为特征及影响因素。　　(4)运用有限元方法设计了局部三轴压缩试验，并通过室内试验进行验证，建立了沥青混合料剪胀变形分析的局部三轴压缩试验方法及过程。　　(5)运用Reynolds剪胀理论以及stress-dilatancy理论，采用局部三轴试验，分析沥青混合料的剪胀行为，应力应变关系、泊松比以及剪胀梯度，以及沥青混合料剪胀变形规律。　　(6)采用X-ray CT技术进行断层扫描沥青混合料试件，通过环状OTSU图像处理方法、MATLAB软件及Image-ProPlus图像处理软件分析沥青混合料的细观结构并重构沥青混合料虚拟试件，分析沥青混合料空隙率分布情况并植入离散元数值模型。　　(7)利用X-ray CT断层扫描和图像处理技术，获得了沥青混合料试件在三轴试验前后的空隙率变化及试件的径向周长变化，分析了沥青混合料剪胀变形特性，并分析微裂纹从产生到扩展的细观行为以评价沥青混合料剪胀行为发生机制。　　(8)根据混合料筛分及沥青混合料X-ray CT断层扫描结果，研究多面体颗粒随机生成算法，通过离散元软件PFC3D建立了沥青混合料的空隙、沥青胶浆和粗集料三相。采用Burgers力学模型模拟沥青混合料的黏弹性特性，并通过蠕变试验与劈裂试验获取相关模型参数，同时进行宏细观参数关系转化以植入离散元模拟中。　　(9)对比分析离散元数值模拟与室内三轴压缩试验，结果显示数值模拟与室内试验结果具有很好的一致性，实现了宏细观描述沥青混合料裂纹及剪切带形成，解释了剪胀变形机制。
作者：	张建同
专业：	道路与铁道工程
导师：	杨军
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文