基于离散元法的沥青混合料剪切变形数值模拟研究

摘要

一直以来，由于受研究工具的限制，沥青混合料的研究大都基于对试验现象的研究。随着研究的深入和研究工具的发展，对沥青混合料的研究也由现象到机理，由宏观到微观。运用离散元研究沥青混合料也是近些年的事。离散元理论由二维到三维的发展，计算机计算能力的大幅提升，最终使离散元理论也在道路工程领域得到极大地运用。使用离散元理论，能够弥补以往有限元理论分析的不足，它能够计算材料发生不连续的大变形，也能从细微观角度观察材料内部颗粒之间相互作用。本文主要是运用离散元软件研究沥青混合料高温剪切，再通过实体试验和工业CT扫描从宏观和细观角度验证离散元模拟。　　 本文所采用的离散元软件为PFC3.10版，采用三维建模，模拟沥青混合料在不同荷载、不同温度和不同作用时间下所发生的剪切情况。离散元建模的实体依据为车辙试验和CT扫描。实体试验为类似车辙板试验，但不是一块整体的混合料板而是经过切割以后重新拼装成的混合料板。为比较高温条件下混合料的剪切，本试验荷载分0.7MPa、0.8MPa和0.9MPa，温度为50℃、60℃和70℃，时间为1h、1.5h和2h，共7个试验。　　 用PFC建模时，集料是按混合料设计的级配生成的。先把集料缩小k倍，生成到指定区域，再放大k倍，模拟车辙板制作的碾压过程。再用Burgers模型，模拟沥青砂的作用。虚拟试验的温度也是通过对Burgers模型参数的控制来实现的。而Burgers模型的参数又是通过DSR试验来拟合的。虚拟试验的荷载通过460个(46×10)0.025mm的球来施加。作用的时间通过设置循环来实现，循环时间也是控制整个模型的开关。　　 通过虚拟模型表面颗粒的监控及追踪和与实体试验测试的结果比较，发现:在不同荷载、温度和时间作用下，虚拟模型计算的结果与实体试验测试的结果基本吻合，说明离散元建模是可信的。通过对车辙板中部试块CT扫描，观察到混合料内部的骨料流动状况，与虚拟试验内部设置的监测点所监测的骨料流动信息比较，说明虚拟试验所得到的规律与实际发生的情况相符。虚拟试验也从细观角度给出了沥青混合料内部颗粒的应力和位移情况。　　 离散元模拟的沥青混合料的剪切，用实体试验验证了其可行性，取得了预期的效果。也创新性的运用离散元PFC、车辙板试验、DSR试验、CT扫描等技术手段，实现了混合料剪切的数值模拟，为沥青混合料的剪切机理分析和细观分析提供的一个新的视角。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的背景及意义

1．2 国内外研究的概况

1．2．1 混合料剪切变形研究

1．2．2 离散元在混合料中的研究

1．4 研究的目标和内容

1．4．1 研究目标

1．4．2 研究内容

1．5 本文的主要工作和创新点

第二章 沥青混合料剪切变形离散元模型的构建

2．1 沥青混合料试验

2．1．1 原材料试验

2．1．2 车辙板试件的制作

2．1．3 试件切割

2．1．4 车辙试验

2．1．5 CT扫描

2．2 离散元法介绍

2．2．1 离散元的基本思想

2．2．2 离散元法的基本方程

2．3 PFC3D介绍

2．3．1 PFC的基本特点

2．3．2 PFC3D的求解步骤

2．3．3 PFC3D的计量原理

2．4 离散元理论模型的构建

2．4．1 构建模型的思路

2．4．2 模型的构建

2．4．3 监测球及测量信息

2．5 本章小结

第三章 参数的标定及虚拟试验车辙研究

3．1 引言

3．2 参数的标定

3．2．1 参数标定原则

3．2．2 宏观参数与细观参数之间的关系

3．2．3 沥青砂的DSR试验

3．3 虚拟试验结果与车辙试验比较

3．3．1 荷载影响

3．3．2 温度影响

3．3．3 作用时间影响

3．4 本章小结

第四章 虚拟试验骨料位移特性研究

4．1 骨料位移特性

4．1．1 位移矢量变化

4．1．2 速度矢量变化和接触力变化

4．2 CT扫描验证

4．2．1 CT技术原理介绍

4．2．2 CT扫描试验结果及验证

4．3 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 模型的评价与主要结论

5．1．1 模型评价

5．1．2 主要结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表学术论文情况及参与项目