一种基于离散元的沥青混合料抗剪强度分析方法

摘要

本发明公开了一种基于离散元的沥青混合料抗剪强度分析方法，属于沥青混合料数值计算技术领域。主要包括以下步骤：通过处理室内沥青混合料试件图像，建立二维不规则集料库；参照试验规范，进行离散元试样生成；将圆形集料替换成不规则集料颗粒簇；用等大的圆形颗粒均匀填充试样空间，将与不规则颗粒簇重合的颗粒转换为新的不规则集料，再保留所有不规则集料的轮廓部分，删除内部的填充颗粒；对不同的颗粒间接触类型赋予特定的接触模型，同时施加对应的接触参数；通过伺服机制对试样施加围压，进行固结；控制侧向围压，向下移动上部墙体，对试样进行抗剪强度试验。本发明方法亦可以用于三维模型，分析不同级配对沥青混合料抗剪强度的影响，研究沥青混合料剪切变形微观机理，具有较高的准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及道路工程数值计算领域，具体涉及一种基于离散元的沥青混合料抗剪强度分析方法。

背景技术

随着我国交通强国战略的提出，全国的道路建设迅速发展，截止2019年底，我国公路总里程达到501.25万公里，同时养护里程达到495.31万公里，占全国公路总里程比重达98.8％，其中沥青路面是最主要的路面形式。但是沥青路面由于沥青材料的特性，需要承受长期的自然环境，如高温、紫外线、雨水及空气氧化等环境因素作用，同时直接承受车辆荷载作用，极易产生各种病害，导致路面结构性能下降，影响行车舒适度。其中车辙是沥青路面的最典型的一种病害形式，诸多研究表明，车辙的形成主要是由于车辆荷载产生的剪应力导致的，当结构的剪应力超过了沥青混合料的剪切强度，剪切变形加深，就会产生车辙。因此沥青混合料的抗剪强度是反映抗车辙性能的重要指标。

沥青混合料的抗剪强度指标通常通过室内三轴试验来获得，而三轴试验对试件和仪器操作要求较高，成本消耗大，同时由于试件本身的离散性、试验操作误差等因素的影响，需要进行多组重复试验，工作量大，且结果难以复现，不便于进行深入研究。

随着计算机技术的发展，越来越多的学者采用数值分析方法来研究材料的变形特征。离散单元法作为非连续介质力学方法，由于其可以考虑颗粒材料在不同条件下的应力不连续、大变形等方面的优势，被广泛应用于沥青混合料的研究。目前大多的研究集中在沥青混合料的疲劳破坏，压缩变形等性能上，对抗剪性能的研究较少。申请人将采用离散元方法对沥青混合料的抗剪性能进行分析，研究材料的剪切破坏机理。

发明内容

针对现有的研究所存在的局限和不足，本发明的目的在于提出一种基于离散元的沥青混合料抗剪强度分析方法，考虑集料的形状，采用合适的接触模型，去研究沥青混合料的抗剪性能，分析其剪切破坏机理。

一种基于离散元的沥青混合料抗剪强度分析方法，包括以下步骤：

(1)离散元试样生成：按照沥青混合料抗剪强度试验规范在软件中建立对应尺寸的二维长方形刚性墙体作为模型边界，形成试样区域，按照所需的级配和空隙率生成圆形集料颗粒和圆形沥青胶浆颗粒；

(2)建立离散元模拟的二维不规则颗粒库：切割实际沥青混合料试样，获得该试样的剖面图像，识别剖面图像，得到二维不规则颗粒库；

所述的二维不规则颗粒库为DXF文件格式；

(3)不规则颗粒替换：导入步骤(2)得到的二维不规则颗粒库文件，生成具有不同形状的颗粒簇，替换步骤(1)得到的不同粒径范围的圆形集料颗粒；

(4)模型颗粒均一化处理：采用等大的圆形颗粒均匀填充到步骤(1)得到的整个试样区域中，将其与具有不同形状的颗粒簇重叠的部分进行分组，重叠的部分作为新的集料颗粒，未重叠的颗粒作为新的沥青胶浆颗粒，再删除圆形颗粒以达到目标空隙率，得到新的试样；

(5)添加接触模型并设定参数：设置步骤(1)得到的二维长方形刚性墙体以及步骤(4)得到的新的集料颗粒和新的沥青胶浆颗粒的接触模型；

其中，新的集料颗粒与刚性墙体之间、各个新的集料颗粒之间的接触采用线性接触模型，新的集料颗粒和新的沥青胶浆颗粒之间的接触采用线性接触粘结模型，同时各个新的沥青胶浆颗粒之间接触采用Burgers模型，并给每个模型设定参数。

(6)试样固结压实：完成接触模型设置之后，开始抗剪强度实验，通过伺服控制机制，将上下和两侧刚性墙体(即二维长方形刚性墙体的上下和两侧)向步骤(4)获得的试样中心进行压缩，直至其达到设定的围压，得到固结压实后的试样；

围压由沥青混合料抗剪强度试验规范规定。

(7)进行抗剪强度试验：维持固结压实后的试样两侧的围压不变，保持底部刚性墙体静止，以设定的速率使顶部刚性墙体向试样运动，直至达到峰值应力后试样发生破坏，完成抗剪强度试验。

步骤(1)中，采用公式(1)按照所需的级配和空隙率生成圆形集料颗粒和圆形沥青胶浆颗粒；

式中S

为了实现上述目标，本发明的技术方案包括以下步骤：

(1)建立离散元二维不规则颗粒库：切割实际沥青混合料试样，得到剖面图像，在此基础上通过识别处理，得到不规则集料颗粒形状的二维DXF文件库；

(2)离散元试样生成：按照沥青混合料抗剪强度试验规范建立对应尺寸的二维长方形刚性墙体。所有颗粒以圆形考虑，按照指定级配和空隙率生成集料和沥青胶浆颗粒；

(3)不规则颗粒替换：导入DXF多面体颗粒库文件，生成具有不同形状的颗粒簇，替换不同粒径范围的圆形集料颗粒；

(4)模型颗粒均一化处理：采用等大的圆形颗粒均匀填充整个试样区域，将其与不规则集料颗粒簇重叠的部分进行分组，生成新的集料颗粒，其余的颗粒作为沥青胶浆考虑，再删除特定数量的圆形颗粒以达到目标空隙率；

(5)集料颗粒轮廓生成：通过自编写的软件程序，判断步骤(4)中所有不规则集料颗粒的边界颗粒，删除内部的颗粒，使得每个集料颗粒只保留外围轮廓颗粒，大幅减少模型中的单元数量。

(6)添加接触模型并设定参数：赋予墙体和颗粒一定的物理参数，集料颗粒与墙体和集料颗粒之间的接触采用线性接触模型，集料和沥青胶浆颗粒之间的接触数设定为线性接触粘结模型，同时沥青胶浆颗粒之间接触采用Burgers模型，并给每个模型赋予特定的参数。

(7)试样固结压实：通过伺服控制机制，将上下和两侧墙体向试样中心进行压缩，直至其达到特定的围压。

(8)进行三轴抗剪试验：维持试样两侧的围压不变，保持底部墙体静止，以一定的速率使顶部墙体向试样运动，直至达到峰值应力后试样发生破坏。

进一步地，步骤(2)中，粒径在2.36mm以下的集料颗粒与沥青颗粒一起考虑，假设为半径1mm的沥青胶浆圆形颗粒，其余每档集料颗粒按照上下筛孔尺寸的平均值作为粒径，数量通过密度和质量分数换算成面积分数去确定，面积分数计算公式如下：

式中S

进一步地，步骤(3)中，DXF文件导入为模板，通过软件处理成与步骤(2)中的每个表示集料的圆形颗粒面积相同的颗粒簇。

进一步地，步骤(4)中采用等大圆形颗粒均匀填充试样空间，采用的是半径为0.3mm的按照长方形均匀排列的圆形颗粒，与颗粒簇重叠部分将会被标记为颗粒簇单元，替代原颗粒簇。需要删除以满足空隙率要求的颗粒数量根据空隙面积进行计算，在通过算法随机删除指定数量的颗粒。

进一步地，步骤(6)中，新的集料颗粒与刚性墙体之间、各个新的集料颗粒之间的接触采用线性接触模型，新的集料颗粒和新的沥青胶浆颗粒之间的接触采用线性接触粘结模型，同时各个新的沥青胶浆颗粒之间接触采用Burgers模型，并给每个模型设定参数。

进一步地，步骤(8)中上部墙体所设定的速度设定为0.5m/s，此速度可根据实际需要进行调整，但是不能影响结果的稳定性。

本发明所采用的不规则集料生成方法，可用作于三维模型的使用，可通过三维扫描设备获得集料的三维图像，建立三维不规则颗粒库，其余步骤中的具体操作方法与二维模型中基本相同。

与现有相关技术比较，本发明具有以下有益效果：

沥青混合料的抗剪性能对其承受车辆荷载有着至关重要的作用，强度主要来自于沥青胶浆粘聚力和集料颗粒之间的摩擦。本发明采用了离散元方法对考虑不规则形状集料和沥青胶浆的沥青混合料进行抗剪强度分析，对不同组分采用了合适的接触模型和成型方式，可以有效地反映集料之间的嵌挤所产生的摩擦作用，沥青胶浆的粘结作用以及粘弹特性。同时沥青混合料的抗剪强度有很大一部分是来自于不规则集料间的嵌挤作用，不规则集料的考虑可以很好的反映沥青混合料内部结构的复杂性和随机性，有着优于传统有限元方法结构单元划分过于均一，无法反映结构微观接触作用的特点。粘结模型和burgers模型的使用反映了沥青混合料粘弹性的特点，可以有效地表征材料的力学行为。通过用均一化的小半径颗粒去对整个模型进行替换，使得模拟颗粒精度得到提高，同时使得模拟计算的迭代速度得到提高。在此基础上，本发明还通过编写的程序将不规则集料颗粒簇进行简化处理，只保留了不规则集料的外围轮廓，在减少颗粒量的同时又可以保持模型计算的准确性，进一步地大幅提高计算效率，据发明人对同一模型的计算对比发现，采用外围轮廓法考虑不规则形状集料与采用填充法相比，模型中总的颗粒数量减少了接近50％，有效提高了计算效率。此外，本发明中的方法可以用于二维模拟分析，亦可以用于三维模拟分析，只需要通过三维扫描装置获得集料的三维图像，即可实现对三维不规则集料的随机投放，其余步骤的实施方式与二维建模分析过程基本相同，根据计算机计算能力的不同可以做出选择。

附图说明

图1为本发明实例中真实集料与离散元模型中不规则集料的转换过程；

图2为本发明实例中模型在替换不规则集料前的试样颗粒分布；

图3为本发明实例中模型在替换不规则集料并均一化处理后，只保留轮廓的颗粒分布；

图4为本发明实例中模型的三轴抗压试验应力应变曲线；

图5为本发明实例中模型在不同围压下的莫尔应力圆，包络线，以及计算得出的粘聚力c和摩擦角

具体实施方式

为了更详细的说明本发明的具体操作方法，下面以一个二维模型的例子对发明的实施方式进行说明，具体步骤如下：

(1)建立二维不规则集料集料库：拍照获得室内试验标准试样切割截面的图像，通过处理转换成软件可识别的二维图像文件，如图1(a)所示。

(2)离散元试样生成：生成沥青混合料试验空间，尺寸为直径100mm*高度150mm。将粒径在2.36mm以下的集料与沥青部分一起作为沥青胶浆考虑，用半径为0.3mm的圆形颗粒表示。其余每档集料将采用上下筛孔尺寸的平均值作为实际粒径，按照下式计算：

式中S

(3)不规则颗粒替换：导入不规则集料库的文件，将其处理成软件可识别的颗粒簇模板，然后替换表示集料的圆形颗粒，保持每个集料的面积不变，如图1(b)所示。

(4)模型颗粒均一化处理：采用半径为0.3mm的圆形颗粒按照长方形排列均匀填充整个试样区域，将其与不规则集料颗粒簇重叠的部分进行识别分组，作为新的集料颗粒，删除原来的颗粒簇集料，剩下的颗粒作为沥青胶浆考虑。通过空隙率计算空隙的总面积，再删除特定数量的沥青胶浆颗粒以达到目标空隙率；该步骤中单个不规则集料如图1(c)所示。

(5)集料颗粒轮廓生成：通过自编写的软件程序，判断步骤(4)中所有不规则集料颗粒的边界颗粒，删除内部的颗粒，使得每个集料颗粒只保留外围轮廓颗粒，大幅减少模型中的单元数量。处理后的模型如图3所示。

(6)添加接触模型并设定参数：赋予墙体和颗粒一定的物理参数，包括墙体与颗粒的刚度，摩擦系数，颗粒的密度和阻尼系数，重力加速度等。集料颗粒与墙体和集料颗粒之间的接触采用线性接触模型，集料和沥青胶浆颗粒之间的接触数设定为线性接触粘结模型，同时沥青胶浆颗粒之间接触采用Burgers模型，参数主要包括接触模量和接触刚度比，以及法向切向粘结强度，以及粘壶的法向、切向粘滞系数等，参数主要通过室内试验结果进行标定，本例中各个参数如下表1所示。

表1

(7)试样固结压实：通过伺服控制机制，将上下和两侧墙体向试样中心进行压缩，直至其达到特定的围压。本实例中采用三种围压，分别为138kPa，276kPa，414kPa。其中138kPa围压时的应力应变曲线如图4所示。

(8)进行抗剪强度试验：维持试样两侧的围压不变，保持底部墙体静止，以0.5m/s的速率使顶部墙体向试样运动，直至达到峰值应力后试样发生破坏。根据每组试验的峰值主应力以及围压绘制出对应的莫尔圆，作出包络线，得到沥青混合料的粘聚力c和摩擦角