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原文传递多孔沥青路面微观力学特性与空隙衰变行为研究

论文题名：	多孔沥青路面微观力学特性与空隙衰变行为研究
关键词：	多孔排水沥青路面;微观力学;连续介质力学;离散元方法;数值模拟;空隙衰变行为
摘要：	多孔排水沥青路面的主要特征是空隙率较高，一般在20％左右，高空隙率带来的路用性能表现为降噪效果良好、表面抗滑能力强、透水性好、安全性高。然而，高空隙率引起的不良结果为荷载作用后，该类型路面中的空隙会产生空间形态上的衰变，导致混合料中的结构空隙出现两种结果：一、结构空隙总量和分布均发生衰变；二、结构空隙总量未发生变化，而结构空隙的分布发生变化，前一种情况主要发生在施工阶段，后一种情况主要发生在运营阶段。尤其对于多孔排水路面，后一种情况更为重要，直接关系到其排水能力和功能的持续性问题，因此揭示多孔沥青路面中的空隙空间形态及分布、研究多孔沥青路面微观空隙的力学特性、分析空隙在荷载作用后的衰变行为具有重要意义。本文以多孔沥青路面的空隙衰变为主线，从微观角度给出了空隙的概念模型，借鉴多孔固体力学分析了简化空隙模型的力学形态，根据Betti互等定理推导了应用于多孔沥青路面的空隙体积模量，采用连续介质力学方法结合龚帕斯“生长”模型研究了空隙的衰变规律。此外，利用离散元方法数字重构了沥青结合料、骨料及混合料，数值模拟了有限空隙的衰变特性，分析了形成空隙结构的骨料颗粒的位移矢量及接触力矢量，从微观角度明确了空隙变形机理。经理论推导和离散元方法数值模拟，本文取得的具体成果如下： (1)提出了多孔沥青混合料的概念模型，并阐明了针对多孔沥青混合料的体积模量的概念，包括混合料的体积模量及空隙体积模量，完整推导了用于解释多孔沥青混合料体积模量的方程，包括干燥及饱和两种状态的求解过程，研究了空隙体积模量与温度之间的关系； (2)简化了多孔沥青混合料中的空隙模型，并对简化后的空隙模型进行了力学分析，根据具体实例得出了简化空隙模型的变形为0.05mm； (3)根据龚帕斯预测模型研究了空隙体积模量的衰变规律，比较了理论值与预测值之间的差异，误差率最大仅为9.25％，从而验证了龚帕斯模型在预测空隙体积模量方面具有可行性； (4)利用离散元方法对沥青结合料、集料及沥青混合料进行了数字重构，分别选取不同的微观接触模型，给出了不同空隙率下的骨架接触力矢量； (5)利用离散元方法数值模拟了三种空隙模型在荷载作用下的变形特性，其中等边三角形平行粘结模型的空隙模型变形最小、最稳定，并给出了组成空隙结构颗粒的位移和接触力矢量变化特征； (6)以三种沥青混合料结构模式(Fine Resolution Parallel-Bonded Material A(Afp)、Coarse Resolution Parallel-Bonded Material A(Acp)、Gross Resolution Parallel-BondedMaterial A(Agp))数值模拟了各自的间接拉伸试验，Afp模式的劈裂抗拉强度最大，内部产生的微裂缝最多，并分析了组成沥青混合料试件颗粒的接触力及位移矢量变化规律； (7)通过对Acp不同加载速率下间接拉伸试验的模拟，得到随着加载速率的增加劈裂抗拉强度增大的结论； (8)数值模拟了多孔沥青路面在荷载作用下路面结构的力学响应，得出了路面结构横向位置及沿深度方向的竖向位移，分析了各层路面结构在不同荷载下的变形特性。
作者：	常明丰
专业：	道路与铁道工程
导师：	裴建中
授予学位：	硕士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2009
正文语种：	中文