基于颗粒间相互作用的高性能级配碎石基层结构与性能研究

摘要

本文基于颗粒物质间的相互作用,采用室内试验、有限元模型分析和离散元模型分析等手段,在宏观和细观尺度上对高性能级配碎石基层的结构与性能进行系统研究。
　　基于颗粒材料自锁的形成条件,提出采用逐级填充法和最大密度曲线理论进行级配碎石设计;对比分析了7种常见级配设计方法对级配碎石密度及空隙率的影响;提出了i法和逐级填充法能够使级配碎石具有较高的密度和合理的空隙率的级配。
　　对不同空隙率的级配碎石材料进行渗透性能试验,提出基于渗透性能的最小空隙率要求;通过动态循环三轴试验,并根据轴向塑性应变提出了级配碎石材料的最大空隙率要求;对空隙率范围内的级配碎石材料的CBR进行了试验分析,提出了基于永久变形和渗透性能的高性能级配碎石材料的推荐级配;采用安定性理论对变荷载条件下级配碎石材料进行了安定性评价。
　　采用室内试验获取的各种级配碎石的性能参数,建立级配碎石混合料的弹塑性连续介质有限元模型,从宏观尺度模拟分析了级配混合料的整体应力、变形的传递及分布,并对比了顶面荷载对模型内部应力及变形的影响。采用均匀化理论方法,建立级配碎石混合料的力学性能、变形特性等宏观动力响应与微观的颗粒间接触力、颗粒的位移等指标之间的联系,提出了级配碎石材料的多尺度关联方法。
　　建立三维弹塑性有限元模型,在不同的荷载水平、结构层厚度、结构层模量等条件下,分别对设置高性能级配碎石过渡层和基层的沥青路面结构要应力指标进行了计算分析,并建立了影响因素与应力指标的回归方程;基于应力指标最小化,提出了设置高性能级配碎石过渡层和基层的沥青路面结构组合形式。采用带弯拉反射裂缝的基层和温缩裂缝的面层两种开裂方式建立仿真模型,对路面开裂前后级配碎石过渡层对应力指标的影响进行了对比计算,分析级配碎石层对路面裂缝扩展的影响。
　　基于试验研究及模型的模拟分析,提出了具有较高的强度、抗变形能力以及良好的排水性能的高性能级配碎石基层的设计目标、设计指标、设计标准及设计方法,并从级配碎石的均匀性实现、施工厚度与结构层厚度关系、压实方法及压实度控制、施工质量检验等方面提出了对高性能级配碎石的施工工艺要求。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

第二章 基于级配碎石密度及空隙率的级配设计方法

2.1颗粒材料的自锁现象

2.2 石料的基本指标

2.3 基于逐级填充试验的粗集料骨架形成

2.4 基于最大密实曲线理论的细集料级配设计

2.5 级配碎石粗、细集料间的质量比

2.6 级配与碎石混合料空隙率的关系

2.7 级配与碎石混合料密度的关系

2.8 考虑密度与空隙率的级配碎石的设计方法

2.9 本章小结

第三章 高性能级配碎石的力学性能及变形特性的试验分析

3.1击实后级配碎石材料的级配重组

3.2 渗透性能

3.3 变化围压时的轴向永久变形

3.4 变化围压时的动态弹性模量

3.5 CBR

3.6 变荷载条件下级配碎石材料的安定性评价

3.7 本章小结

第四章 高性能级配碎石基层的力学及变形特性的宏观模拟分析

4.1 有限元模型的建立

4.2 重复动态荷载作用下级配碎石材料内部的应力、变形状况

4.3 不同顶面荷载水平下的应力、变形比较

4.4 级配碎石材料的不规则应力和变形机理

4.5 本章小结

第五章 高性能级配碎石基层的力学及变形特性的多尺度关联

5.1 细观尺度的应力及变形

5.2 高性能级配碎石材料的多尺度分析

5.3 级配碎石材料的自锁

5.4 级配碎石材料的多尺度关联方法

5.5 本章小结

第六章 高性能级配碎石基层的结构力学分析及设计成型工艺

6.1 高性能级配碎石基层的结构力学分析

6.2 级配碎石过渡层对路面裂缝扩展的影响

6.3 高性能级配碎石的设计方法

6.4 高性能级配碎石的成型效果控制

6.5 高性能级配碎石的成型质量管理

6.6 本章小结

第七章 主要结论与进一步研究建议

7.1 主要结论与创新点

7.2 进一步研究的建议

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢