基于离散单元法的沥青混凝土路面车辙研究

摘要

随着高速公路的快速发展，沥青混凝土路面因其表面平整、无接缝、施工期短等优点得到广泛应用，但在使用期间，其高温病害表现日趋严重，其中车辙病害最为突出。车辙是指在行车荷载的反复作用下，路面发生的不可恢复的永久变形。在我国常见的是W型流动车辙，其特点是轮迹带的沥青混凝土在竖向车辆荷载作用下向下凹陷，同时轮迹带两侧的沥青混凝土向上隆起。车辙的产生使道路使用寿命下降，严重危害了行车的安全性和舒适性。本文采用宏观室内试验和离散单元方法，从材料组成及其相互作用的角度对沥青混凝土路面车辙破坏机理进行研究，进一步加深了对沥青混凝土路面车辙的认识。
　　本文从沥青混合料的结构类型和强度组成理论出发，分析了沥青混凝土路面车辙的影响因素。借用NCHRP项目中基本简单性能试验对SMA-13、AC-16和AC-20的沥青混合料进行动态模量试验，通过试验中车辙因子参数判断SMA-13抗车辙能力最佳，AC-16稍优于AC-20。另外也对国内沥青路面设计规范中的抗压回弹模量参数进行研究，与动态模量试验结论相符。最后采用了美国沥青路面分析仪APA对沥青混合料进行车辙测试，分析了不同的加载频率和荷载大小对车辙深度的影响，试验结果从宏观角度说明了车辙深度与荷载作用次数的关系。
　　同时，本文采用了离散单元法PFC-2D数值软件对沥青混合料进行了微观仿真，以圆盘颗粒代表集料，以接触模型代表沥青在混合料中的作用。对单轴压缩试验进行模拟，发现模拟结果与宏观试验中的应力—应变曲线匹配较好。另一方面对APA试验进行模拟，模拟结果同样符合室内试验结果。由此说明只要选取合适的接触模型和模型参数，采用离散单元法来研究沥青混合料是可行的。
　　本文采用离散单元法对沥青混合料抗车辙性能进行研究，研究成果为混合料抗车辙性能研究提供了新的思路，为沥青混合料的离散单元法研究提供了参考和借鉴。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题的意义及背景

1．2 国内外研究概况

1．2．1 沥青混合料高温性能试验方法

1．2．2 沥青混合料的高温稳定性能指标

1．2．3 车辙预估研究概况

1．2．4 离散单元法的发展

1．2．5 离散单元法在沥青混合料中的应用

1．3 主要研究内容和研究思路

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 研究思路

第二章 沥青混合料车辙性能的理论与试验基础

2．1 沥青混合料的组成结构与强度理论

2．1．1 沥青混合料的结构类型

2．1．2 沥青混合料的粘弹性

2．2 沥青混合料车辙性能的影响因素

2．2．1 内在因素

2．2．2 外在因素

2．3 试验方法

2．4 试验材料

2．4．1 沥青

2．4．2 集料

2．4．3 矿粉

2．5 本章小结

第三章 沥青混合料动态模量及主曲线研究

3．1 动态模量研究背景

3．1．1 动态模量定义

3．1．2 动态模量研究现状

3．2 动态模量测试

3．2．1 试件成型

3．2．2 动态模量试验过程

3．2．3 动态模量试验结果及分析

3．2．4 相位角试验结果及分析

3．3 动态模量主曲线研究

3．3．1 时间—温度换算原理

3．3．2 动态模量主曲线西格摩德模型

3．3．3 动态模量主曲线分析

3．4 本章小结

第四章 沥青混合料的离散元重构

4．1 离散元简介

4．1．1 PFC-2D的基本假设

4．1．2 PFC-2D的基本理论

4．1．3 PFC-2D的方法特点

4．2 PFC-2D的接触本构模型

4．2．1 接触刚度模型(Contact-Stiffness Models)

4．2．2 滑动模型(Slip Model)

4．2．3 粘结模型(Bond Model)

4．2．4 Burger’s模型

4．3 沥青混合料微观结构模型的生成

4．3．1 微观模型的离散化

4．3．2 离散化的基本假定

4．3．3 微观模型生成步骤

4．3．4 Fish语言

4．4 本章小结

第五章 单轴压缩试验及微观模拟

5．1 单轴压缩试验

5．1．1 试验过程

5．1．2 抗压强度试验结果分析

5．1．3 抗压回弹模量试验结果分析

5．2 微观模型校正

5．3 单轴试验微观模拟

5．3．1 单轴试验微观模型

5．3．2 模型参数的影响

5．3．3 微观模拟结果

5．4 本章小结

第六章 沥青混合料APA车辙研究及微观模拟

6．1 APA分析仪简介

6．2 APA车辙研究

6．2．1 试验方案

6．2．2 车辙试验及结果分析

6．3 APA车辙微观模拟

6．3．1 APA车辙微观模型

6．3．2 Burger’s模型参数取值

6．3．3 APA车辙微观模拟结果

6．4 车辙形成机理

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 展望

致谢

参考文献

在校期间发表的论著及参与的科研项目