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原文传递基于离散元法的水泥稳定碎石细观结构和疲劳性能研究

论文题名：	基于离散元法的水泥稳定碎石细观结构和疲劳性能研究
关键词：	水泥稳定碎石;离散元法;仿真模拟;细观分析;疲劳性能;参数标定
摘要：	水泥稳定碎石材料在我国的半刚性基层道路结构中得到了广泛使用，其使用性能与孔隙率、集料颗粒的分布、集料之间的接触状态等内部组成结构密切相关，同时水泥稳定碎石的疲劳性能直接影响其耐久性。为此学者们对水泥稳定碎石的结构和力学性能开展了大量的理论和试验研究，但大多数都采用宏观试验的方法，不但费时费力、重现性较差，而且无法深入探究混合料内部结构的变化规律和力学作用机理。同时，水泥稳定碎石是由级配碎石、水泥胶浆和孔隙组成的三相非均质性材料，结构和力学性能较为复杂，在宏观试验中通常假定其为均质材料，有一定的局限性。近些年来，国内学者开始对离散元法进行研究，并将其逐渐引入道路材料研究中，在弥补室内试验方法不足的同时，也为材料内部结构的细观分析和力学损伤机理的研究提供了新的途径。本文在离散单元法的基础上，结合CT扫描技术和AVIZO三维重构方法，对水泥稳定碎石的内部组成结构和疲劳耐久性能从模型构建到仿真试验进行了初步探索。　　首先，将水泥稳定碎石试件的CT断层扫描图片导入了三维重构软件AVIZO中，获取了水泥稳定碎石中不同粒径集料的真实形态，并在离散元软件中生成了与集料真实轮廓对应的颗粒簇模板，综合考虑还原度和运算效率，给出了本文所用离散元集料模板的参数，提高了水泥稳定碎石离散元模型与室内试件的相似度。　　其次，建立了由不规则颗粒组成的离散元模型，进行了水泥稳定碎石无侧限抗压强度室内试验和仿真试验，验证了离散元模型的可靠性，将得到的应力应变曲线与实际试验结果对比进行参数标定，确定了模型的细观接触参数，为后续水泥稳定碎石仿真试验的参数设定提供了依据。　　再次，在已获取的水泥稳定碎石集料真实形态和细观接触参数的基础上，建立了考虑集料形态的水泥稳定碎石成型试验模型，并通过与室内重型击实成型试验过程中混合料高度变化的对比验证了细观参数的合理性，进而对重型击实成型和振动成型两种方法的成型效果和混合料力链演化规律进行了研究，从细观颗粒运动及相互作用角度解释不同成型方式对水泥稳定碎石内部组成结构的影响，研究发现，采用振动法成型的试件具有更好的均匀性和骨料嵌挤效果。　　最后，建立了水泥稳定碎石的中梁离散元模型，对其四点弯拉试验和疲劳试验进行仿真模拟，通过弯拉仿真试验的极限破坏载荷与室内试验结果对比，对标定的参数进行修正，最终得到了合理的二维细观接触参数。通过监测仿真过程中混合料内部的颗粒运动状态、裂隙发展以及力链的演化过程，从细观角度探究水泥稳定碎石的破坏机理和疲劳损伤的发生发展规律。结果表明，水泥稳定碎石的弯拉破坏首先出现在试件跨中部位的底部，进而沿集料轮廓由下向上发展；疲劳破坏是由量变到质变，连续到不连续的损伤积累问题，是由集中拉应力导致的破坏，首先发生水泥砂浆和集料的连接薄弱处，疲劳破坏根据裂隙的发展状态可分为四个阶段，能量分析能在一定程度上解释疲劳破坏过程中试件发生的变化。
作者：	张昊
专业：	交通运输
导师：	梁春雨
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2023