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东南大学博士学位论文 振动压实对道路材料空间组构及其力学性 能演化的离散元模拟 摘要 研究生：黄宝涛 指导教师：黄晓明 道路材料在宏观上是离散颗粒的组合体，单个颗粒的尺寸、形状、物理性质 以及颗粒分布决定了整个颗粒体的力学性质。颗粒材料的力学特征为离散性和流 动性，用传统的宏观连续介质理论已经不能合理地分析其散体过程。上述“散、 动 特征都与传统的均匀、连续等假定冲突，导致理论与实际的偏离。离散单元 方法克服了传统连续介质力学模型的宏观连续性假设的局限性，可以从细观角度 对道路材料的工程力学特性进行数值模拟，并通过颗粒细观参数的研究来分析材 料的宏观力学行为，进而研究微观与宏观之间的定量关系。与室内试验比较，离 散元法的优点在于，它可以比较简单地生成任意级配、形状、表面性质、多种材 料配比的试样，研究各种粒径组构对整个颗粒体的力学性能的影响，使材料的力 学性能达到最优化。基于研究问题的复杂性，本文将施工时摊铺的路基填料、级 配碎石排水垫层、稳定土、稳定级配碎石、水泥稳定土、水泥稳定碎石、沥青稳 定碎石、沥青混凝土等忽略其具体材料的特征属性，统一简化为抽象的离散不规 则的颗粒材料。本文主要针对简化的松散颗粒材料在振动荷载作用的几何形态和 力学演化进行研究。 本论文主要研究四个方面的工作：1 ) 通过离散元程序的二次开发，基于元 胞自动机演化机理编写了离散元子程序，首次生成了可以准确控制其固相、液相、 气相组成比例的不规则颗粒数值模拟体。2 ) 研究了振动压实中干颗粒的空间组 构和力学性能的演化过程。3 ) 研究了含水道路材料空间组构和力学性能的演化 过程。4 ) 通过大量的数值计算，优化出了不同面层压实厚度和不同密实状态下 减缓半刚性基层开裂的振动荷载频率、振幅的值。具体内容为： 基于元胞自动机演化机理编写了离散元子程序，首次生成了可以准确控制其 固相、液相、气相组成比例的不规则颗粒数值仿真模拟体。针对振动压实中的颗 粒组构的变化，提出了离散元数值模拟中细观参数的确定方法，通过核磁共振试 验，验证了该细观参数确定方法的合理性与正确性。表明了离散元在颗粒材料的 研究中具有其它数值方法和实验手段所不具备的优越性。 针对含有固、液、气三相的道路散体颗粒，从颗粒的微观结构入手，研究了 振动压实对材料组构和力学性能演化的影响。数值计算结果表明：干颗粒，通过 滑移、旋转而重新排列不断向着新的结构状态转化，直至出现与振动荷载处于动 态平衡的稳定结构。被压实材料中，水起到了润滑的作用。在最佳含水量下，颗 粒更易于滑移、旋转而重新排列形成新的结构状态。动态平衡下，颗粒和水形成 “涡 结构进行消能。 由于振动压实颗粒频繁发生自组织，整体的塑性变形与法向正应力具有线性 关系，表明不规则颗粒材料整体力学响应却遵循着应变相似性的规律，说明了细 观力学性能的增长具有分形特征。这样也为分形几何学研究复杂颗粒体动态力学 机理提供了保障，使分形几何的严格数学推导有了力学演化机理上的证明。 振动压实过程中，振动荷载引起的有效压实区域由竖向长轴的椭圆，逐步演 化为水平向长轴的椭圆。随着密实度的提高，振动荷载的扩散角渐渐变大，振动 压实过程中振动应力的扩散角由初始的2 2 2 4 0 2 6 5 7 0 ，扩散到振动压实动平衡状 态下的6 8 7 2 0 7 2 9 2 0 。振动荷载的竖向传递深度随着密实度的增加，逐渐减小， 水平传递范围随着密实度的增加逐渐扩大。运用激光全息光弹法试验和焦散线法 试验验证了本论文离散元模拟结果的正确可靠。 由于半刚性基层抗开裂的力学参数与其内部级配颗粒的空间分布密切相关。 每一点的抗开裂强度的高低也具有离散型，振动施工荷载和抗开裂强度在空间上 是高度非线性的。所以本文采用半刚性基层抗开裂强度为1 3 2 m p a 的单值参数， 是简化了结果。从目前研究的深度上，还不能准确判断高速公路施工中，面层振 动荷载会不会引起半刚性基层的开裂。所以只能粗略得出高频振动时基层承受的 拉应力d d 可能大于其材料的抗弯拉强度，可能会导致基层的开裂。 最后总结全文，并展望进一步的研究内容和工作。 关键词：道路工程；离散元；颗粒体；振动压实；空间组构；力学性能 n 东南大学博士学位论文 t h ed e mn u m e r i c a ls i m u l a t i o na b o u tr o a dm a t e r i a l s f a b r i ca n d m e c h a n i c a ip r o p e r t i e se v o l u t i o nu n d e rv i b r a t i o nc o m p a c t i o n a b s t r a c t g r a n u l a rm a t e r i a l sa r ee n c o u n t e r e dw i d e l yi nn a t u r ea n de n g i n e e r i n g p a v e m e n tm a t e r i a l sc a nb er e g a r d e da sac o l l e c t i o no fd i s c r e t ep a r t i c l e s t h e m e c h a n i c a ib e h a v i o ro fg r a n u l a rm a t e r i a l si sd e p e n d e n to nt h ep a r t i c u l a t e p r o p e r t i e si n c l u d i n gs i z e 。s h a p e 。p h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i ca n dd i s t r i b u t i o no f p a r t i c l e s t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr o a d m a t e r i a l sa r ed i s c r e t ea n df l o w i n g c o n t i n u u mt h e o r yi sk n o w nt ob ei n e f f i c i e n ti nd e a l i n gw i t hg r a n u l a rm a t e r i a l s d u et oi t sd i s a b i l i t yt oc h a r a c t e r i z et h ed i s p e r s i n go ft h ep h y s i c a lp r o p e r t i e s h o w e v e r d e mc a na v o i dt h ei i m i t a t i o n sa n dp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h e n u m e r i c a im o d e l i n go fr o a d b e da n dp a v e m e n tp r o j e c te n g i n e e r i n g i tc a nb e u s e dt oa n a l y z et h em a c r o m e c h a n i c a ib e h a v i o rb yi n v e s t i g a t i n gt h e m i c r o s c o p i cp a r a m e t e r so ft h ep a r t i c l es t r u c t u r ea n dt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e n t h em i c r o - a n dm a c r o - q u a n t i t i e sc a nb eo b t a i n e d c o m p a r e dw i t hp h y s i c a l e x p e r i m e n t s ，t h ea d v a n t a g eo fd e mi st h a td i f f e r e n ts p e c i m e n sw i t hr a n d o m p a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n ，d i v e r s ep a r t i c l es h a p e s ，s u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c sc a n b eg e n e m t e de a s i l yu s i n gd e m t h ee m p h a s e so ft h i st h e s i sf o c u so nf o u ra s p e c t s 1 ) d e mt h r o u g ht h e p r o c e s so fs e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ，b a s e do nc e l l u l a ra u t o m a t at h e o r yo ft h e e v o l u t i o n 。t h es u b r o u t i n ef i s hw a sb e e nw r o t e t h r o u g ht h i sf i s h ，f o rt h ef i r s t t i m et h ep r e c i s ec o n t r o io fi t ss o l i d - p h a s e ，l i q u i d 。g a sc o m p o s i t i o no ft h e p r o p o r t i o no fi r r e g u l a rp a r t i c l e sn u m e r i c a is i m u l a t i o nb o d y c a nb eg e n e r a t e d 2 ) t h ed r i e sp a r t i c l e s f a b r i co fs p a c ea n dm e c h a n i c a ip r o p e r t i e so fe v o l u t i o n u n d e rv i b r a t i o nc o m p a c t i o nw e r es t u d i e d 3 ) t h ew a t e r - b e a r i n gm a t e r i a l so f p a v e m e n tm a t e r i a l s f a b r i ca n dm e c h a n i c a ip r o p e r t i e so fe v o l u t i o nw e r e s t u di e d s p e c i f i cd e t a i l sa r ea sf o i l o w s ： t h r o u g hf a b r i co ft h ep a r t i c l e se v o l u t i o nu n d e rv i b r a t i o nc o m p a c t i o nt h i s p a p e rp u tf o r w a r dam e t h o dt od e t e r m i n et h ep a r a m e t e r so fm i c r o - p a r a m e t e r s t h r o u g hm a g n e t i c r e s o n a n c ei m a g i n gt e s tt ov e r i f yt h a tt h em e t h o di s r e a s o n a b l e t h ep a p e rr e s e a r c ht h ef a b r i ca n dm e c h a n i c a ip r o p e r t i e s e v o l u t i o nu n d e r t h ev i b r a t i o nc o m p a c t i o n t h en u m e r i c a ir e s u l t ss h o wt h a t ：p a r t i c l e ss l i p p i n g ， r o t a t i n g a n d r e a r r a n g i n g t h es t r u c t u r ei n t oan e wc o n s t a n ts t a t eo f t r a n s f o r m a t i o n w a t e rp l a y e dar o l ei nt h ei u b r i c a t i o n i nt h eb e s tw a t e rc o n t e n t ， t h ep a r t i c l e se a s i e rt os l i p ，s p i na n dr e a r r a n g e dt of o r man e ws t a t es t r u c t u r e t h ew a t e ra n dp a r t i c l e sw a sf o r m a t i o no fv o r t e xs t r u c t u r ei no r d e rt oe n e r g y d i s s i p a t i o nu n d e rt h ed y n a m i ce q u i l i b r i u m t h em i c r o p a r t i c l em e c h a n i c a i p r o p e r t i e sg r o w t h h a saf 陷c t a i c h a r a c t e r i s t i c t h i si sa l s of o rt h ef r a c t a lg e o m e t r yo fc o m p l e x d y n a m i cp a r t i c l e i i i 摘要 m e c h a n i c sp r o v i d e sam e c h a n i s mo fp r o t e c t i o ns ot h a tt h ef r a c t a lg e o m e t r yo f t h es t r i c tm a t h e m a t i c a ld e r i v a t i o nm e c h a n i c sh a v ep r o v e dt h a tt h em e c h a n i s m o fe v o l u t i o n u n d e rv i b r a t i o n c o m p a c t i o np r o c e s s 。t h ev i b r a t i o ni o a d c a u s e dt h e e f f e c t i v ec o m p a c t i o nr e g i o nw a sc h a n g e dv e r t i c a ll o n ga x i so v a li n t ot h el e v e l i o n ga x i so v a l t h ek o k p r o l i f e r a t i o no fv i b r a t i o ns t r e s sa n g l ef 怕mt h ei n i t i a i 2 2 2 4 。一2 6 5 7o s p r e a di n t o6 8 7 2o 一7 2 9 2 oa s t h ev i b r a t i o nc o m p a c t i o n s t a t eb e i n gi n t od y n a m i cb a l a n c e v i b r a t i o nc o m p a c t i o nm a yh a v el e d t ot h e c r a c k i n g o ft h e s e m i - r i g i d i n t h i sa r t i c l e ，t h ec a u s t i c sm e t h o da n d h o l o p h o t o e l a s t i c i t ym e t h o da r eu s e dt oi n v e s t i g a t et h ed i s t r i b u t i o no fc o n t a c t f o r c e si n s i d eap a c k i n go fd i s c r e t es q u a r ec e l l ss u b m i t t e dt oa c o m p r e s s i v e i o a d t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ed e mn u m e r i c a is i m u l a t i o ni sr i g h t a tt h ee n do ft h ed i s s e r t a t i o n t h em a i nc o n c l u s i o n sa r es u m m a r i z e da n d t h ef a t h e rw o r ki ss u g g e s t e d k e yw o r d s ：h i g h w a ye n g i n e e r i n g ；g r a n u l a rm a t e r i a l s ；d i s c r e t ee l e m e n t m e t h o d ；v i b r a t i n gi o a d ；s p a c ef a b r i c ；m e c h a n i c a ip r o p e r t i e s i v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生躲董兰：盎眺蝉“ 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 仅授权东南大学研究生院办理。其它未经本论文作者的书面授权，依法收 存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容 进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用( 但纯学术 性使用不在此限) 。否则，应承担侵权的法律责任。 黜签名赳翮始匆期： i i i 东南大学博士学位论文 第一章绪论 路基填土、水泥稳定级配碎石、沥青稳定碎石、沥青混凝土等道路建筑材料 是由固体颗粒堆积体和颗粒间的气体、孔隙流体等形成的一种多孔介质材料。在 高速公路振动压实施工中，压路机的振动荷载将在颗粒材料中形成致密压实波， 致密压实波是道路材料内部孔隙闭合和颗粒材料挤压而形成的行进波。道路材料 中致密压实波的形成、结构和传播是当今国内外最热门的研究前沿之一，它已经 成为一个新颖的研究方向。它一方面可以对道路材料的力学特性从离散介质的角 度进行分析和讨论，为路基路面设计和施工提供重要的参考依据：另一方面还可 以以道路材料为研究对象对颗粒介质在动荷载作用下的基本力学行为进行理论 分析，促进颗粒介质力学规律的发展。目前，国内外有关道路材料的离散元研究 是一个新颖的研究方向，并受到工程部门和科学研究者的关注。本论文基于研究 问题的复杂性，本文将施工时摊铺的路基填料、级配碎石排水垫层、稳定土、稳 定级配碎石、水泥稳定土、水泥稳定碎石、沥青稳定碎石、沥青混凝土等忽略其 具体材料的特征属性，统一简化为抽象的离散不规则的颗粒材料。本文主要针对 简化的松散颗粒材料在振动荷载作用的几何形态和力学演化进行研究。 1 1 研究背景和问题的提出 颗粒材料是有一系列颗粒组成的堆积体系。颗粒材料有着许多与其它物质不 同的特性，其力学特征可概括为“散和“动 ，前者指颗粒物性、粒度和形状 的分散性，后者指运动的瞬态、波动、碰撞、颗粒凝聚以及团聚破裂和粉碎。由 于颗粒堆积体是由大量的个体颗粒组成，颗粒材料的物理性质介于固体和液体之 间，它的行为在二者之间转变，具有固液相变行为【1 1 ，在静止状态时，它的行 为像固体，有一定的形状，可以承受较大的剪切力；在流动状态时，它的行为像 流体。因此，颗粒材料堆也具有液态物质的特性，具有流动性，但比液态物质 的流动性差。颗粒之间只是在接触时，才有力的作用，颗粒之间存在压应力和剪 应力，但其规律性比固态物质复杂的多，具有对边界面产生压力的性质，难以抵 抗拉力，抗剪强度取决于围压的大小，无围压时，理想的颗粒系统无抗剪强度， 具有压硬性、剪胀性。 颗粒材料有着许多与连续介质材料不同的力学特性【2 叫：( 1 ) 从细观分析来看， 颗粒系统的变形是由颗粒移动所产生的结构变形和颗粒体的自身变形所引起，结 构变形不可恢复，且在加载和卸载时都会产生，这与理想的连续介质材料卸载时 只有弹性变形有很大的区别；( 2 ) 理想的连续介质材料在常规压力作用下只产生 弹性变形而不产生不可恢复的体积变形，而颗粒材料系统恰恰相反；( 3 ) 理想的 线性连续介质材料的压力与剪应变、剪应力与体应变之间无耦合关系，颗粒材料 系统则具有压硬性和剪胀性；( 4 ) 同一种颗粒系统在不同初始密度情况下可表现 第一章绪论 出硬化特性或软化特性，其软化特性是一种结构软化；( 5 ) 理想的连续介质材料 的弹塑性有明显的分界面，而颗粒集合体则没有明显的弹塑性阶段，因此，颗粒 的“散 和“动”特征常与均匀连续等假定冲突，导致理论与实际的偏离。 振动波激发下道路材料堆积体内颗粒的碰撞一般是非弹性碰撞，每次碰撞都 伴随着能量的损失，当外界干扰超过一个临界值时，颗粒物就会象流体一样运动， 而颗粒之间的非弹性碰撞使外界输入的能量耗散后，颗粒物又会立刻停止行动， 因此，颗粒系统是个耗散系统，它使得基于弹性的相互作用和能量守恒的一些理 论不再适用。颗粒之间存在典型的非弹性相互作用，其作用力也不同于原子和分 子之间的作用力而是以摩擦力为主，摩擦力的大小和颗粒体系如何堆积密切相 关。颗粒之间发生的相对运动是粘滑运动，需要克服颗粒之间摩擦强度( 颗粒表 面的摩擦力及颗粒爬越阻力) 。当系统处于随遇平衡的非稳定静止状态时，颗粒 之间的摩擦为静摩擦，静摩擦系数为以，当一些颗粒之间发生相对运动时，局部 不稳定开始，一部分静摩擦变为动摩擦，动摩擦系数为心，其中心7p d 。 颗粒之间力传递是不均匀，当受到外力的作用时，颗粒系统中处于同一层上 的颗粒，有的接触到的力相对于其他颗粒受到的平均力大的多，甚至大到使这些 颗粒自身变形带有塑性变形的性质，而另一些接触不到力，同时颗粒之间接触面 随着力的增加而增大，因此，作用在颗粒上的力、变形和位移之间的关系具有非 线性特征。由于颗粒之间能量的耗散相当强烈，使颗粒材料可以具有无穷多的随 遇平衡状态。 颗粒系统的变形由体积和形状的改变表现出来，其变形由结构变形和颗粒自 身变形两种基本形态构成。结构变形由颗粒系统的可变性引起，为颗粒之间位置 相互调整的结果，不可恢复，它与连续介质材料的塑性变形不同。它可以在体积 不变的情况下发生。颗粒自身变形是指颗粒自身的可恢复或不可恢复的变形，因 为颗粒自身是连续介质。连续介质必须满足平衡方程、变形协调方程、本构方程 和边界条件。变形协调方程保证介质的变形连续，本构方程显示了应力和应变之 间的关系。而颗粒系统中颗粒与颗粒之间没有变形协调的约束，只是通过表面的 接触传递作用力，至于静与动，只需满足平衡方程，当不平衡力或不平衡力矩( 合 力或合力矩不为零) 作用在颗粒上时，颗粒开始运动，它的运动可以是线性的， 也可以是非线性的，直到得到的能量耗散尽为止。 在道路工程中通常以经典的连续材料或连续介质力学作为理论指导，采用传 统的定值设计法，所有的变量和参数都是被考虑为定值计算模式即许多不确定的 对象均被视为确定不变的。但实际上，计算中的许多参数是可变的和随机的，同 时在计算中引入的许多假定也往往具有不确定性。通常所采用的定值法在大量的 不确定因素中，不能真实反映实际情况。现实工程中道路材料是由固体、液体、 气体三部分组成的三相介质体【_ 7 1 。在宏观上离散颗粒堆积体构成路基路面的骨 2 东南大学博士学位论文 架，骨架间有许多孔隙，为水和气所填充。单个颗粒的尺寸、形状、物理性质 以及颗粒分布决定了固体骨架的细观力学性质。固体、液体、气体三个组成部分 之间的比例关系和相互作用决定了道路材料的宏观力学性质。由试验分析确定各 种材料的力学计算参数，只能根据试验试件整体表现出的力学性能参数为依据， 难以考虑材料自身微观的差异，同时试验误差引起的数据离散程度大，导致材料 参数的可靠度下降；所以路面材料的试验参数与实际路用参数的相关性很差，对 路面使用性能起不到很好指导和借鉴作用；突出表现在我国高速公路沥青路面的 早期破环现象：车辙、开裂、水害等工程病害十分突出。高等级沥青路面的设计 寿命为1 5 年，从我国实际情况看，大部分沥青混凝土路面在运营后，短的2 , - 3 年，长的8 - 1 0 年就进入大面积维修和改造期。其主要原因之一就是实验室里通 过试验试件确定的材料参数值与实际路用性能参数值没有直接相关性，变异系数 大【7 1 。长期以来，人们用连续介质的观点和方法研究道路工程中静力学和动力学 问题，总是遇到了难于解决的困难。这意味着工程中一直沿用的基于理想弹性 刚塑性体或非线性弹性一弹塑性体而建立的各种工程力学模型，在研究颗粒材料 工程问题时需要从新的角度进行认识与发展。 1 1 1 从离散介质的角度研究道路材料的意义 离散介质的研究及其工程应用是近年来由多学科交叉发展起来的一门新兴 学科，它由大量的基础科学和许多相关的应用技术组成。在岩土和岩石力学领域 一些学者开展了很多系统的研究，但在道路领域的研究才刚刚兴起。离散介质材 料不同于连续介质材料，它有许多独特的性质，例如：力分布具有明显的空间不 均匀性和加压膨胀的特性【8 】：外界力或颗粒重力作用可以在颗粒系统内形成力 链，在承受压力的石块堆中，一些石块已被压碎，另外一些石块根本不受力；当 受到外界对其施加的压力时，它的体积反而会膨胀；拱的效应【9 j ：颗粒在拌合站 漏斗或长管中流动会自发的排列成拱形结构，出现卡塞现象；拱效应引起的谷仓 现象【5 l ：颗粒堆的深度超过某一值时，底部压力不再随深度的变化而变化；侧峰 效应【i o 】：堆放在刚性地面上的沙堆对地面的正压力，在中轴线的下方存在着一 个局域的极小值；混合颗粒自发的有分离、分层现象【1 1 1 ：谷物装入簸箕，上下扇 动旋转，较轻的谷壳和秕粒就会从上面分离出来，而较重的谷粒则沉入底部；河 沙中的掏金，通过颠、摇、晃等，将金子与沙子分离开；离散介质材料在动荷载 下存在自组织临界现象p 2 1 ：例如，无数沙粒在风力的吹扬下可以孕育出由沙纹、 沙丘和沙山嵌套构成的具有分形特征的多尺度地貌形态；一个静止的沙堆存在着 n 一个临界倾斜角度，当沙堆表面倾斜度小于时，沙堆象固体一样保持稳 n 定，一旦沙堆表面倾斜角度超过，沙堆就会坍塌，颗粒开始流动，但流动只 发生在沙堆表面，沙堆内部的颗粒几乎静止不动，这流动直到沙堆表面倾斜度小 第一章绪论 于或等于一个静止角为止。“自组织”现象在自然界中普遍存在，例如：河 流的涨落，表面波及内部对流、斑图现象，生物的进化，山体滑坡，地震强度的 变化，股票指数的升降等。“自组织 的另一现象：大小不等颗粒混合时，受到 外部振动、倾倒、流动等时，会导致颗粒材料的分离和簇聚现象。“自组织 现 象没有形式化的主题和明确的定义，通常统计规律服从幂律分布等等。一般是由 于颗粒系统自身具有的特点( 离散性，耗散性，形态的多样性等) 而造成，使得 研究者们不能用传统的理论揭示颗粒系统的普遍规律。 1 1 2 颗粒材料在道路工程中的应用 颗粒材料研究具有重大的基础科学意义和工程应用背剥1 3 d4 1 ，在道路工程中 接触到的离散颗粒材料很多，如碎石道床、路基填料、级配碎石排水垫层、稳定 土、稳定级配碎石、水泥稳定土、水泥稳定碎石、沥青稳定碎石、沥青混凝土等 都是离散颗粒压实堆积体。颗粒材料具有压实性能好、透水性强、抗剪强度高、 沉陷变形小、承载力高且在地震荷载作用下不易产生液化等优良工程特性。在公 路建设中，通常用天然砾石按一定的级配组成的混合料作为道路基层，形成级配 型结构，以填充原理来获得稳定，即每种颗粒粒径之间有一定大小的孔隙。用适 合于此孔隙大小和数量的颗粒填充之后，余下更小的孔隙，再用小一级颗粒填充， 致使孔隙逐级填满【l 引。在掺有粘土的砂砾石混合料中，粘土填充砂砾石中更小 的孔隙。这样砂砾石与粘土混合料就形成了骨架密实结构。在位于河滩、河谷 等砂砾石很丰富的地区，可用天然砂砾石直接铺设公路的底基层。路堤边坡也是 一种用填石、填土等散体材料填筑的工程，边坡的碎落、崩塌、深层蠕动与滑坡 等破坏均由颗粒材料的力学特性所决定。在青藏铁路的建设中，铁路穿越永久冻 土区时，采用碎石组成的抛石路基，已初步证明这是最有效地保护冻土带的工程 措施之一【1 6 1 。 道路材料独特的变形性质与颗粒堆积体形成的结构分不开，路基路面结构 所表现出来的各种变形和强度特性是其道路材料内部各种材料结构要素共同作 用的结果，取决于内部颗粒之间、颗粒与孔隙或其他边界之间的相互影响。在长 期的工程实践中，人们发现道路材料的宏观工程性能在很大程度上受到微细结构 的系统状态或行为的控制，复杂的物理力学性状是其微细结构特性的宏观体现， 任何一种基于适度均匀化处理的连续材料模型都很难准确地表述其结构的复杂 性，难以逾越路面微细结构的多样性和不确定性这一巨大的障碍【”】。 通常人们以经典的连续材料或连续介质力学作为理论指导，用宏观力学的方 法来建立路基路面结构变形和强度的模型，这些模型在工程实践中起到了一定的 作用。但是事实证明用这种方法建立的模型所计算的结果同现场监测的结果往往 有较大的偏差，有时甚至会给工程建设造成一些麻烦和损失。原因在于这种“纯 宏观力学的建模方法对路基路面微细结构缺乏了解，一些模型参数的物理含义模 4 东南大学博士学位论文 糊。沈珠江【l s j 院士强调指出：土体结构性数学模型的建立将成为2 1 世纪土力学的 核心问题。这一问题的突破将意味着人们在深化离散介质力学的本质性认识方面 完成第二次飞跃。谢定义【l9 】院士认为，岩土结构的微细观研究与宏观力学特性 的结合。使人们不再把岩土作为一个简单的宏观体，而是把它作为一个具有复杂 力学、化学特性的结构体解释了一系列关于岩土结构特性发生和发展的机理， 为岩土在荷载作用下的变化，为力学特性的定向、滑动、破损、压密等的研究和 分析提供了有力的根据。此外，颗粒材料理论用于路面结构损伤力学特性研究也 是当前岩土与道路力学领域中广泛关注的前沿课题之一，孙广忠1 2 0 j 院士将离散 的颗粒材料的研究应用于碎裂了的结构岩体，指出：其变形是不连续的，应力传 递具有强烈的结构效应，不遵从连续材料力学法则。由于宏观的变形破坏为微细 颗粒结构变形的积累扩展而成，微细颗粒结构演化规律的实验研究可以为岩土体 宏观理论提供重要的依据，有利于对岩土材料微细应力场和位移场变化的认识及 其本构关系的建立。 因此，研究颗粒之间和颗粒与孔隙及外界之间各种作用动荷载的相互影响， 可以为道路工程出现的问题给予更科学的解释并加以解决，也有助于我国高速公 路沥青路面早期损坏、车辙流变等机理的深入研究。但是，由于其复杂的力学特 征使道路工程中颗粒材料的实验及理论研究远远落后于工程实践。 1 2 颗粒材料力学与细观结构研究现状 1 2 i 国内外关于颗粒材料微观结构的研究现状 目前，颗粒介质的研究虽仍属起步阶段，但经过研究者们的努力，人们对颗 粒介质体现的丰富多彩的现象已有了初步的认识，得到了一些规律。研究显示， 颗粒介质处于静态时有着许多与连续介质不同的力学特性，其中的应力分布具有 明显的空间不均匀性和加压膨胀的特性 s l ，并且在某些颗粒系统中拱效应的存在 例；而颗粒介质动力学特性则更为复杂，在风力或水流的作用下，沙漠中或河床 上会自动生成系列沙波并产生级配分离现象，这在传统的风沙物理学与河流泥沙 学中已有大量的实验和理论研究；f o r t c r r e 2 l l 关于颗粒层在重力作用下沿斜面下 滑的实验出现了类似于对流实验中著名“拜纳德元胞 的动力学现象；颗粒介质 在外部的激振下会出现形态各异的时空p a t t e r n ( 例如d u r a n 2 2 1 ，l i 2 3 1 ，p a r k 刎和 m o o n 2 5 】等人的工作) 。由于颗粒材料结构系统自身具有的特点( 离散性，耗散性， 形态的多样性等) ，使得研究者们不能用传统的理论揭示颗粒系统的普遍规律。 近年来分形与复杂理论的发展，使科学家们试图通过这两方面来建立颗粒系统的 普遍规律。然而，目前无论在静力学方面还是动力学方面，还没有任何一个理论 和模型能够完善的解释颗粒系统中的各种特性。颗粒介质的研究仍然需要大量的 实验积累和更为深入的理论研究。 第一章绪论 土力学之父k t e r z a g h i 早在1 9 2 5 年就提出了土体微观结构( m i c r o s t r u c t u r e ) 的概念。首次提出微观组构概念的是奥地利土壤学家、土壤微观形态学的创始人 w l k u b i e n a 。1 9 3 8 年，k u b i e n a 出版了微观土壤学一书。在该书中，他将 微观组构定义为：土中的要素( 基质和骨架) 的排列及其相互关系。1 9 6 4 年 r b r e w e r ( a u s t r i a ) 在他出版的土体组构与矿物分析( f a b f i ea n dm i n e r a la n a l y s i s o fs o i l s ) q b 提出了一个新的土体微观形态分析体系，该体系以辨认土要素的定向 性和分布特征为基础。在他的著作中提出了土体结构( s t r u c t u r e ) 这个概念，将其 定义为：形成复合颗粒的基本颗粒和复合颗粒本身以及相应孔隙的大小、形状和 排列所表示土的物理构成【2 6 】1 2 7 】。这被认为是对早期微结构研究成果的系统总结 和提高。文p 。1 0 】 2 8 - 3 2 】针对不同的土类进行了微观组构的研究。胡瑞林等吲认为： 土的结构性问题研究有其独特的理论和方法体系，应当将其从土力学中独立出来 加以系统研究。于是，我们将“以土体的结构性控制为基本点，以建立土体的结 构性本构模型为核心内容、以土体工程问题的量化结构模拟和预测为目标、以非 线性力学和土质学为基础 的现代土力学分支称之为“土体微结构力学 ( s o i l m i c r o m e c h a n i c s ) 。文献【3 4 。3 5 】研究了粗粒土的强度和变形特性。提出了各种状态下 的应力应变特征及本构关系模型。李晓军掣3 6 瑚】利用c t 技术对试样横断面进行 切片扫描，从c t 数和c t 图象方面分析了压实黄土的初始结构。蒲毅彬，陈万 业例对陇东黄土湿陷的c t 结构变化进行了研究。钟晓雄，袁建新【4 0 4 2 1 分析了散 粒材料的微观组构并提出了基于微观组构的本构关系。吴良平阳j 通过试验取得 粗粒土试样在各种应力状态下的内部断面图，经过计算机图像处理系统取得其组 构要素信息，进而统计出各组构要素相关量，得出了有意义的规律。 1 2 2 国内外关颗粒材料结构内部动力学研究现状 在颗粒材料结构中颗粒在外部荷载作用下发生运动。根据h p z h ua n d a b y u 理论瞰】：颗粒的移动是平动加滚动共同构成塑性变形，因此运动可以描述 为： 平动：万d 2 ( 而) 2 妻彤+ 力+ g d 2占。 转动：万u ，一) 2 缶朋；+ 嘶 在其自身动力学演化下，系统达到临界。通过注入一些物质或能量( 也可以 是倾角或空隙) 驱动系统，这样系统内部就会存在输运过程。当系统局部区域加 入的物质过多，系统通过驰豫法则( 1 0 c a lr e l a x a t i o nr u l e s ) 对物质进行重新分配， 整体而言，物质就是通过这样的弛豫事件来传输的，用沙堆语言来讲，这就叫“崩 塌 1 4 5 j 。系统时刻处于随遇平衡状态，随着自组织演化，系统的这些随遇平衡 状态与初始状态无关【妊4 羽。 6 东南大学博士学位论文 1 3 本文研究的必要性、研究内容及技术路线 颗粒材料研究具有重大的基础科学意义和工程应用背景【l 弘川，在高速公路建 设中对道路建筑材料从离散介质的角度进行分析和讨论，可以为路基路面设计和 施工提供重要的参考依据。例如：在振动压实施工中研究颗粒介质对振动频率、 振幅、振动荷载的瞬态响应，找出内在的机理和规律可以激发并加速颗粒间的填 充过程以形成性能优良的路面结构，可以优化出振动频率、振幅、振动荷载等施 工参数，从而加快施工进度，提高工程经济效益和社会效益；研究离散颗粒对振 动荷载的衰减机理和衰减规律，可以确定振动压实的有效厚度，从而避免对基层、 底基层的影响；研究道路材料在振动压实中颗粒空间结构的演化趋势，有利于分 析道路材料力学性能随压实度提高的增长机理。它一方面可以对道路材料的力学 特性从离散介质的角度进行分析和讨论，为路基路面设计和施工提供重要的参考 依据；另一方面还可以以道路材料为研究对象对颗粒介质在动荷载作用下的基本 力学行为进行理论分析，促进颗粒介质力学规律的发展。 本论文基于研究问题的复杂性，本文将施工时摊铺的路基填料、级配碎石排 水垫层、稳定土、稳定级配碎石、水泥稳定土、水泥稳定碎石、沥青稳定碎石、 沥青混凝土等忽略其具体材料的特征属性，统一简化为抽象的离散不规则的颗粒 材料。本文主要针对简化的松散颗粒材料在振动荷载作用的几何形态和力学演化 进行研究。 本文在广泛调研国内外文献资料的基础上，以离散颗粒材料在高速公路振动 压实应用为背景，研究颗粒材料在振动荷载下的细观响应。由于研究的复杂性和 高难度性，为了简单起见，笔者采用细观力学的基本原理，对振动压实过程进行 解耦处理，分两个独立的部分研究：即振动波激发下颗粒的瞬态响应和压实下颗 粒力学参数的演化规律；同样对压实材料组成也进行解耦处理。首先研究干颗粒 ( 考虑固、气两项体) 的瞬态响应，然后考虑水( 考虑固、液、气三项体) 的影响。 在现有的试验条件下，无法获得细观参数。本文通过对不规则颗粒组构演化的数 值模拟，发现离散元可以通过颗粒材料组构演化来确定细观参数的上下限。室内 基于试件的宏观试验是表象学的反应，是无法验证和确定细观响应的，再说目前 没有任何试验设备和试验方法可以对颗粒材料的细观响应进行验证，因而本文只 将数值模拟结果和理论分析进行对照。本论文采用离散元数值模拟软件，从最基 本的数学机理研究离散颗粒在振动压实荷载下的响应问题。在以下几个方面进行 了研究，内容如下： 1 、数值仿真模型的生成 由于道路材料( 路基填土、水泥稳定级配碎石、沥青混凝土等) 在细观上由不 规则的颗粒集合组成，本文首先基于元胞自动机的演化机理，编写了可以生成不 规则颗粒的二维算法子程序，生成了不规则颗粒数值模拟体。编写了可以在指定 7 第一章绪论 的区域内生成不同粒径的级配颗粒的子程序，生成了道路材料的数值模拟体。 2 、利用该数值仿真模型，研究了振动压实中不规则干颗粒的空间组构和力 学性能的演化过程。 3 、研究了在振动压实荷载激发下含水道路材料空间组构和力学性能的演化 过程。 4 、基于单个颗粒各向同性的假设，研究了颗粒材料在振动压实过程中，有 效压实区域的演化过程，研究结果表明：振动荷载引起的活化区域由竖向长轴的 椭圆区域，逐步转化为水平向长轴的椭圆。 5 、分析了振动荷载、频率、振幅与压实厚度之间的关系，重点分析了减缓 对基层影响的施工参数，得出了对基层影响程度最小施工参数组合，为经济合理 的安排施工提供了依据。 本文创新点在于：( 1 ) 利用离散元数值仿真模拟软件，通过笔者编写的子程 序生成了可以模拟真实道路材料各种力学性能的数值仿真模型，更好地模拟了被 压实材料在细观上的特性。( 2 ) 证明了从细观到宏观存在着力学规律演化的分形 特征。( 3 ) 得到振动荷载在道路颗粒材料压实中的扩散角演化规律。( 4 ) 通过数 值模拟，提出了振动压实中有利于下承载层性能的优化施工参数合适的组合。( 5 ) 提出了细观参数的一种确定方法。 本论文的结构安排为： 第1 章绪论 第2 章数值模拟体的生成算法 第3 章干颗粒组构 与力学演化 第5 章振动荷载有效 压实区域的演化 第4 章湿颗粒组构 与力学演化 第6 章振动荷载对半刚性基层影响的分析 第7 章结论和展望 图1 1 论文技术路线图 本文力求体现颗粒介质力学与道路工程、动力学之间的交叉结合、为现代动 力学在道路工程中应用的新领域做了自己的一点探索。 8 东南大学博士学位论文 第二章道路材料离散元模型算法与细观参数确定 路基路面在细观上是由不同尺寸粒径的颗粒堆积经压后形成的承力结构体。 固相颗粒堆积体组成骨架，骨架间有许多孔隙，为孔隙流体( 水、气或沥青) 所 填充。单个固相颗粒的尺寸、形状、物理性质以及颗粒空间分布决定了道路材料 骨架的细