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原文传递基于离散元方法的沥青混合料虚拟疲劳试验研究

论文题名：	基于离散元方法的沥青混合料虚拟疲劳试验研究
关键词：	沥青混合料;离散元方法;疲劳试验;沥青路面;沥青混凝土
摘要：	疲劳破坏是沥青路面的主要损坏型式之一，作为沥青路面主要组成材料的沥青混凝土的疲劳性能一直以来都是道路工作者研究的重要课题。考虑到沥青混凝土是一种多相复合材料，其疲劳行为既与沥青胶结料、集料和空隙的体积含量有关，又受到这些因素的空间分布影响，而这些因素在室内疲劳试验中很难得到体现。而且常规的室内实体疲劳试验过程复杂，尤其是针对长寿命路面材料的小应变疲劳试验，工作量更大。因此，从沥青混凝土微细观结构角度采用虚拟疲劳试验研究沥青混合料疲劳行为具有重要的现实意义。　　本文结合国家“863”项目“沥青路面结构疲劳仿真及其在长寿命路面中的应用技术研究”，采用离散元技术模拟集料颗粒的不规则形状和随机分布特征，在建立沥青混合料离散元模型和通过试验确定计算微观参数的基础上，建立了沥青混合料小梁试件的四点弯曲虚拟疲劳试验方法，并与室内疲劳试验进行了对比验证。然后，采用经验证的虚拟疲劳试验分析了沥青混合料的断裂机理，以及集料宏观特征（集料体积含量、集料粒径和集料空间分布）、集料细观结构（扁平率、长轴取向和棱角性）和空隙细观结构（整体空隙率大小、单个空隙大小和空间分布）等对混合料疲劳性能的影响，由此提出了沥青混合料设计的合理化建议。由于室内和虚拟疲劳试验在加载方式、边界条件等方面不完全符合车辆移动荷载下沥青路面的实际响应，本文建立了路面结构的多尺度力学分析模型，把材料疲劳性能纳入路面结构体系加以分析，提出了多次移动荷载下路面结构响应特征的分析方法。　　首先，依据概率理论，推导了沥青混合料二维截面上粗集料数量级配的计算式：运用计算机随机投放技术，并综合考虑集料不规则形状和级配特征，编写了由粗集料和小于2.36mm沥青砂浆所组成的沥青混合料二维数字试件生成程序，实现了混合料二维数字试件的生成，并运用图像处理技术验证了生成程序的正确性。考虑到集料空间形状的不规则性，利用离散元三维颗粒流程序PFC3D内的“Fish”语言编写了集料颗粒生成程序，并建立了可以考虑集料体积百分率、集料级配和空隙特征的沥青混合料三维离散元模型。　　其次，根据离散元方法中接触和粘结模型的特点，结合沥青混合料的力学特征，为沥青混合料离散元模型选择了合适的接触和粘结模式；根据离散元方法中各微观参数的物理意义，建立了沥青混合料宏观力学性能与各微观参数的关系，并结合室内宏观力学性能试验结果，确定了常用沥青混合料的各类微观参数，作为离散元计算的输入参数。　　然后，通过沥青混合料劈裂试验、动态蠕变试验和小梁中点弯曲断裂试验的离散元模拟，比较沥青混合料二维结构与三维结构在数值模拟过程中计算效率和精度的差异，以此选择二维结构模型进行混合料疲劳试验模拟；综合离散元方法和沥青混合料的材料特点，建立了沥青混合料小梁的四点弯曲虚拟疲劳试验方法；运用离散元方法进行了沥青混合料的一次断裂模拟和虚拟疲劳试验，获得了混合料的断裂机理，并通过与室内实际试验结果的比较，验证了虚拟试验方法的正确性。　　第四，通过图像处理技术，建立了描述集料扁平率、长轴取向、棱角性和空隙大小、分布的评价指标；并以沥青混合料虚拟疲劳试验为基础，研究了集料和空隙上述微观结构，以及混合料内集料体积含量、集料粒径、集料分布特征等宏观特征对沥青混合料疲劳性能的影响，由此提出了沥青混合料设计的合理化建议。　　最后，为了研究长寿命沥青路面的疲劳特征，本文采用PFC建立了柔性基层沥青路面典型结构的离散元模型，并比较了静止、振动和移动荷载形式下路面结构响应的差异；接着，分析了路面结构特征、荷载特征对移动荷载下路面结构响应的影响，说明了把材料疲劳性能纳入到路面结构体系中研究的必要性；最后，建立了跨越沥青混凝土细观结构到路面结构整体的多尺度模型，并进行了多次移动荷载下路面结构响应特征的初步分析和后续研究的展望，为移动荷载下沥青路面结构响应的后续研究工作奠定基础。
作者：	陈俊
专业：	交通运输工程;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：	2010
正文语种：	中文