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原文传递振动压实对道路材料空间组构及其力学性能演化的离散元模拟

论文题名：	振动压实对道路材料空间组构及其力学性能演化的离散元模拟
关键词：	道路工程;路基摊铺;颗粒材料;振动压实;离散元模拟
摘要：	道路材料在宏观上是离散颗粒的组合体，单个颗粒的尺寸、形状、物理性质以及颗粒分布决定了整个颗粒体的力学性质。颗粒材料的力学特征为离散性和流动性，用传统的宏观连续介质理论已经不能合理地分析其散体过程。上述“散、动”特征都与传统的均匀、连续等假定冲突，导致理论与实际的偏离。离散单元方法克服了传统连续介质力学模型的宏观连续性假设的局限性，可以从细观角度对道路材料的工程力学特性进行数值模拟，并通过颗粒细观参数的研究来分析材料的宏观力学行为，进而研究微观与宏观之间的定量关系。与室内试验比较，离散元法的优点在于，它可以比较简单地生成任意级配、形状、表面性质、多种材料配比的试样，研究各种粒径组构对整个颗粒体的力学性能的影响，使材料的力学性能达到最优化。基于研究问题的复杂性，本文将施工时摊铺的路基填料、级配碎石排水垫层、稳定土、稳定级配碎石、水泥稳定土、水泥稳定碎石、沥青稳定碎石、沥青混凝土等忽略其具体材料的特征属性，统一简化为抽象的离散不规则的颗粒材料。本文主要针对简化的松散颗粒材料在振动荷载作用的几何形态和力学演化进行研究。　　本文主要研究四个方面的工作：1)通过离散元程序的二次开发，基于元胞自动机演化机理编写了离散元子程序，首次生成了可以准确控制其固相、液相、气相组成比例的不规则颗粒数值模拟体。2)研究了振动压实中干颗粒的空间组构和力学性能的演化过程。3)研究了含水道路材料空间组构和力学性能的演化过程。4)通过大量的数值计算，优化出了不同面层压实厚度和不同密实状态下减缓半刚性基层开裂的振动荷载频率、振幅的值。具体内容为：　　基于元胞自动机演化机理编写了离散元子程序，首次生成了可以准确控制其固相、液相、气相组成比例的不规则颗粒数值仿真模拟体。针对振动压实中的颗粒组构的变化，提出了离散元数值模拟中细观参数的确定方法，通过核磁共振试验，验证了该细观参数确定方法的合理性与正确性。表明了离散元在颗粒材料的研究中具有其它数值方法和实验手段所不具备的优越性。　　针对含有固、液、气三相的道路散体颗粒，从颗粒的微观结构入手，研究了振动压实对材料组构和力学性能演化的影响。数值计算结果表明：干颗粒，通过滑移、旋转而重新排列不断向着新的结构状态转化，直至出现与振动荷载处于动态平衡的稳定结构。被压实材料中，水起到了润滑的作用。在最佳含水量下，颗粒更易于滑移、旋转而重新排列形成新的结构状态。动态平衡下，颗粒和水形成“涡”结构进行消能。　　由于振动压实颗粒频繁发生自组织，整体的塑性变形与法向正应力具有线性关系，表明不规则颗粒材料整体力学响应却遵循着应变相似性的规律，说明了细观力学性能的增长具有分形特征。这样也为分形几何学研究复杂颗粒体动态力学机理提供了保障，使分形几何的严格数学推导有了力学演化机理上的证明。　　振动压实过程中，振动荷载引起的有效压实区域由竖向长轴的椭圆，逐步演化为水平向长轴的椭圆。随着密实度的提高，振动荷载的扩散角渐渐变大，振动压实过程中振动应力的扩散角由初始的22.24°～26.57°，扩散到振动压实动平衡状态下的68.72°～72.92°。振动荷载的竖向传递深度随着密实度的增加，逐渐减小，水平传递范围随着密实度的增加逐渐扩大。运用激光全息光弹法试验和焦散线法试验验证了本论文离散元模拟结果的正确可靠。　　由于半刚性基层抗开裂的力学参数与其内部级配颗粒的空间分布密切相关。每一点的抗开裂强度的高低也具有离散型，振动施工荷载和抗开裂强度在空间上是高度非线性的。所以本文采用半刚性基层抗开裂强度为1.32MPa的单值参数，是简化了结果。从目前研究的深度上，还不能准确判断高速公路施工中，面层振动荷载会不会引起半刚性基层的开裂。所以只能粗略得出高频振动时基层承受的拉应力σｄ可能大于其材料的抗弯拉强度，可能会导致基层的开裂。　　最后总结全文，并展望进一步的研究内容和工作。
作者：	黄宝涛
专业：	道路与铁道工程
导师：	黄晓明
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2009
正文语种：	中文