基于离散元法均匀性对沥青混合料力学性能影响研究

摘要

沥青混合料是一种复杂的强粘结颗粒体系，具有明显的非线性力学特征。较连续介质力学法而言，离散单元法考虑到了沥青混合料的颗粒体系与非线性特征，同时可以量化沥青混合料受载过程中的内部应力，更适合模拟沥青混合料的力学行为。当前大多数问题已经可以通过二维离散元模型来解决，但二维离散元法难以模拟沥青混合料复杂的内部结构，也无法真实地反应其粘弹性性质。本文基于CT技术和数字图像处理手段，采用三维离散元软件PFC3D对沥青混合料高低温性能及抗剪性能进行数值模拟研究，同时结合沥青混合料整体均匀性指标，探究沥青混合料细微观结构对其力学性能的影响效应。
　　本文基于CT技术和数字图像处理手段，介绍并实现了沥青混合料三维离散元重构及数值模拟过程。其中集料采用实际边界，并赋予接触粘结模型及Burgers粘弹性模型，分别模拟了沥青混合料低温劈裂试验、高温单轴压缩试验、单轴贯入试验以及单轴静态蠕变试验，同时结合沥青混合料整体均匀性指标，分析了沥青混合料细微观结构特征与宏观力学性能之间的关系，并通过室内试验加以验证。然后基于室内试验结果，对比分析了三维离散元模拟与二维离散元模拟的不同，并对其各自的适用性进行了分析。本文最后分析了三维离散元模拟过程中几何模型、模型参数以及荷载边界条件对数值模拟结果的影响。研究结果表明：通过CT技术及数字图像处理手段可以方使地获取沥青混合料的内部结构信息，三维离散单元法可以用于模拟沥青混合料的宏观力学试验，结合沥青混合料整体均匀性指标，可以建立沥青混合料细微观结构与宏观力学性能变异性之间的联系。沥青混合料的整体均匀性与其高低温力学性能的变异性具有正相关性。相比于二维离散元法，三维离散元法更适合对沥青混合料的力学性能进行研究。在三维离散元建模过程中，几何模型、模型参数以及荷载边界条件均会对模拟结果有不同程度的影响。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 CT技术在沥青混合料性能研究中的应用

1．2．2 均匀性在沥青混合料性能研究中的应用

1．2．3 二维离散元法在沥青混合料性能研究中的应用

1．2．4 三维离散元法在沥青混合料性能研究中的应用

1．3 主要研究思路

1．4 主要研究内容

2 CT技术及数字图像处理与沥青混合料均匀性

2．1 CT技术简介

2．1．1 CT技术发展史

2．1．2 CT机工作原理

2．2 CT图像处理

2．2．1 图像数字化与增强

2．2．2 图像分割

2．2．3 边界检测

2．2．4 信息输出

2．3 沥青混合料均匀性

2．3．1 沥青混合料截面均匀性及其评价指标

2．3．2 沥青混合料整体均匀性评价指标

2．3．3 实例计算

2．4 本章小结

3 颗粒流离散元基础

3．1 离散元法的发展由来

3．2 PFC3D的基本简介

3．2．1 基本假设

3．2．2 PFC3D软件的特点

3．3 PFC3D应用的基本原理

3．3．1 力与位移定律

3．3．2 运动定律

3．3．3 接触本构模型

3．3．4 荷载条件与边界条件

3．3．5 时步的确定

3．3．6 阻尼作用

3．3．7 伺服控制机制

3．3．8 时温等效原理

3．4 PFC3D细微观计量原理

3．4．1 空隙率

3．4．2 配位数

3．4．3 应力

3．5 PFC3D基本求解步骤

3．6 本章小结

4 沥青混合料力学性能三维离散元模拟

4．1 沥青混合料劈裂试验三维离散元模拟

4．1．1 劈裂试验概述

4．1．2 劈裂试验三维离散元模拟

4．1．3 沥青混合料整体均匀性对劈裂强度的影响分析

4．1．4 劈裂试验二维与三维离散元模拟对比分析

4．1．5 试验验证

4．2沥青混合料单轴压缩试验三维离散元模拟

4．2．1 单轴压缩试验概述

4．2．2 单轴压缩试验三维离散元模拟

4．2．3 沥青混合料整体均匀性对无侧限抗压强度的影响分析

4．2．4 单轴压缩试验二维与三维离散元模拟对比分析

4．2．5 试验验证

4．3 沥青混合料单轴贯入试验三维离散元模拟

4．3．1 单轴贯入试验概述

4．3．2 单轴贯入试验三维离散元模拟

4．3．3 沥青混合料整体均匀性对单轴贯入强度的影响分析

4．3．4 单轴贯入试验二维与三维离散元模拟对比分析

4．3．5 试验验证

4．4 沥青混合料单轴静态蠕变试验三维离散元模拟

4．4．1 单轴静态蠕交试验概述

4．4．2 单轴静态蠕交试验三维离散元模拟

4．4．3 沥青混合料整体均匀性对稳态蠕变速率的影响分析

4．4．4 单轴静态蠕交试验二维与三维离散元模拟对比分析

4．4．5 试验验证

4．5 本章小结

5 建模要素对三维离散元模拟结果的影响

5．1 几何模型影响因素分析

5．1．1 母体颗粒大小影响分析

5．1．2 集料性质影响分析

5．1．3 空隙率影响分析

5．2 模型参数影响分析

5．2．1 刚度效应

5．2．2 粘结效应

5．3 荷载条件影响分析

5．3．1 加载速率影响分析

5．3．2 应力级位影响分析

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 展望

参考文献

作者简历及在学期间所取得的科研成果