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原文传递基于离散单元方法的沥青路面结构细观力学模型研究

论文题名：	基于离散单元方法的沥青路面结构细观力学模型研究
关键词：	离散单元方法;沥青路面结构;设计理念;沥青混合料;弹性层状体系理论;离散单元法;模拟;材料;有限元;应力;试验;路面碾压;路面设计;理论研究;聚合物改性沥青;车辙病害;本构行为;化设计;沥青混凝土路面;行驶
摘要：	改革开放以来，我国公路建设取得了前所未有的成绩，但沥青路面早期损坏的问题一直没有得到很好的解决。为了提高沥青混凝土路面的质量，人们在路面实践中采用了许多新的技术，如采用SHRP沥青评价技术、Superpave的混合料设计技术、聚合物改性沥青和纤维改性沥青等，这些技术的应用虽然在一定程度上改善了路面质量，但路面初期损坏依然存在。在这一背景下，改革沥青路面的设计理念，就路面结构的设计方法展开深入的理论研究是非常必要的。　　道路的设计理念是随着人们对道路认识的提高和相关研究手段的发展而不断地进步的。大致经过了如下几个阶段：早期的路面设计是完全建立在经验基础上的。由于缺少必要的理论依据，使其适用性受到限制。随着对道路结构认识的提高，人们又发展了力学一经验设计法。这种方法以弹性层状体系理论为基础，用实测数据修正理论计算结果，为沥青路面的设计发展作出了巨大贡献。但弹性层状体系理论是建立在一系列理想假定的前提下的，如忽略各组分的不均匀分布，假定沥青混合料为均匀实体等。类似重要特性的假设，导致研究结果与实际情况存在差异。随后，有限元数值分析方法的出现为路面力学分析提供了一个有力的工具，它能够解决非线性应力-应变关系以及复杂的边界条件等问题，使得沥青路面分析越来越接近真实情况。然而，有限元仍然是建立在连续理论上的，求解象沥青混合料这样具有明显非连续性的材料存在固有缺陷。　　上世纪70年代起，离散单元法得以产生和发展，这种方法允许颗粒单元之间发生接触和分离，尤其适用于非连续介质问题。如果能将这种方法应用于沥青路面的分析，将进一步突破有限元法基于连续理论的理想假设，有望实现无假设的真实模拟，推动路面设计理论的跨越式发展。　　本研究采用离散单元方法建立了沥青路面结构的细观模型，模拟从混合料试验、路面碾压施工一直到行驶中车辙病害形成的全过程，揭示其机理，为沥青路面结构和材料的整体化设计提供必要的理论依据，并为沥青路面的研究找到一种新的途径，具有重要的理论意义和工程实用价值。　　首先，对离散单元法及其应用程序PFC2D进行理论研究，论证离散元数值方法在本研究中的可行性，并建立沥青路面结构的离散元模型。　　本研究模拟了沥青混合料单轴压缩试验，给出与真实试验非常接近的本构行为。并通过模拟试验建立试件细观结构与其宏观本构行为之间的联系。　　在上述研究的基础上，利用PFC自带的FISH语言编写程序，建立沥青路面碾压分析的离散单元模型，对碾压过程及碾压效果进行仿真分析，再现压实轮和混合料颗粒相互作用性状的定性和定量结果。此外，还进行了压实引起沥青路面细裂缝的数值仿真，分析了这种裂缝产生和发展的可能性及影响因素。　　本研究还通过FISH程序的编制，模拟了动载作用下沥青路面车辙压密变形和流动变形状态的应力场、位移场、路面变形以及结构内部压应力和剪应力的分布情况。揭示了压密车辙和流动车辙的形成机理。　　研究实现了沥青路面在混合料设计、路面施工和行驶过程中形成车辙病害等情形的细观可视化。通过这一可视化过程，可以很容易地判断出路面结构在不同时刻，不同设计、施工和行驶条件下的细观力学状态及性能。这对于预防沥青路面早期破坏，改善其路用性能有着非常重要意义。　　最后，以车辙性能为例，建立路面结构性能指标与材料细观、宏观参数之间的关系，在沥青路面结构和材料设计之间建立起一个公共的研究平台，为实现沥青路面结构及材料的整体化设计奠定了良好的基础。
作者：	赵熙
专业：	结构工程
导师：	王端宜
授予学位：	博士
授予学位单位：	华南理工大学
学位年度：	2009
正文语种：	中文