（道路与铁道工程专业论文）云南高海拔地区沥青混合料性能仿真研究.pdf

摘要 云南高海拔地区 在气候特征上属于湿润温带 寒温带气候 而青藏高原多 属于半干旱和干旱 高原寒带季j x l 性气候 其降雨量远远高于青藏高原 由于气候 条件的不同 使得其筑路条件也就不同 在青藏高原筑路面临的主要问题是多年 冻土问题 而云南高海拔地区则没有多年冻土问题 筑路面临的主要是季节性冻 融问题 就冻融问题而言 云南高海拔地区的冻融问题远比我国北方地区冻融问 题严重 主要表现在其冻融期较长 最长达3 0 0 天 且冻融变化频繁 因此 在云南高海拔地区筑路 即不能套用青藏高原地区相关筑路经验 也不能套用北 方地区解决冻融问题的经验 而必须根据云南高海拔地区的具体特点 有针对性 的研究开发其筑路技术 随着云南高海拔地区公路建设的发展 近年来由于当地季节性冻融原因即其 特殊的气候环境 使得路面修筑过程中出现的工程问题及使用期的早期破坏现象 越发明显 当前的沥青混合料级配组成设计基本上仍是沿用传统的实验 观察的现 象学经验方法 应用先进的计算手段 力学分析工具 定量地分析微观或细观尺 度沥青混合料的力学特征 对深刻理解沥青混合料的力学机理与改进沥青混合料 组成设计方法有重要意义 当前研究工作在数字图像获取与处理技术 虚拟力学 计算软件 分形原理等方面得到了迅速发展 这些技术的发展已被认为是道路工 程界非常有潜力的一些研究发展方向 由于特殊的地理及气候条件 云南高海拔地区沥青路面病害较其他更为复杂 为了研究云南高海拔地区特殊气候条件下沥青混合料的力学性能 本文在借鉴国 内外相关研究成果的基础上 结合云南高海拔地区特殊的气候条件 建立适用于 模拟沥青混合料真实相互作用的离散单元模型进行计算机虚拟试验 通过实验结 果和数值模拟结果对比分析 建立宏观与细观参数之间的关系 在室内试验结果 分析总结的基础上 在获得科学数据的基础上进行理论分析和评价 探讨p f c 2 d 模拟沥青混合料大粒径的可行性分析 关键词 高海拔地区 离散元 三轴试验 剪应力 a b s t r a c t y u n n a n h i g h a l t i t u d ea r e a s b e l o n gt ot h ec l i m a t i cc h a r a c t e r i s t i c so nh u m i dt e m p e r a t e c o l d t e m p e r a t ec l i m a t e a n dt h eq i n g h a i t i b e tp l a t e a ub e l o n gt os e m i a r i da n dd r y c o l dp l a t e a u m o n s o o nc l i m a t e i t sr a i n f a l li sm u c hh i g h e rt h a nt h em g h a i t i b e tp l a t e a u b e c a u s eo fd i f f e r e n t c l i m a t i cc o n d i t i o n s m a k i n g i td i f f e r e n tf r o mt h eo n d i t i o n so fi t sr o a d s a n dr o a d si nt h e q i n g h a i t i b e tp l a t e a ua r et h em a i np r o b l e m sf a c i n gt h ep e r m a f r o s tp r o b l e m a n dh j i g h a l t i t u d e a r e a si ny u n n a nt h e r ei sn op e r m a f r o s tp r o b l e m s t h em a i nr o a d sa r es e a s o n a lf r e e z e t h a wp r o b l e m q u e s t i o no nf r e e z i n ga n dt h a w i n g t h ey u n n a nh i g ha l t i t u d et h a nt h ep r o b l e mo ff r e e z e t h a w f r e e z e t h a wi nn o r t h e mc h i n at h ep r o b l e mi ss e r i o u s m a i n l yr e f l e c t e di ni t sf r e e z e t h a wf o rl o n g p e r i o d so ft i m e u pt o3 0 0d a y s a n dt h ef r e q u e n tf r e e z i n ga n dt h a w i n gc h a n g e t h e r e f o r e h i g h a l t i t u d ea r e a si ny u n n a n a n dr o a d s t h a ti s s h o u l dn o ta p p l yt h er e l e v a n tc o n s t r u c t i o n e x p e r i e n c ei nt h eq i n g h a i t i b e tp l a t e a ur e g i o n a n ds h o u l dn o tb ea p p l i e dt os o l v et h en o r t h e m r e g i o ne x p e r i e n c ef r e e z e t h a wp r o b l e m a n dm u s tb eb a s e do nh i g h a l t i t u d ea r e a si ny u n n a n s p e c i f i cc h a r a c t e r i s t i c s t a r g e t e dr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fi t sr o a dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y w i t ht h eh i g h a l t i t u d ea r e a so fy u n n a nh i g h w a yc o n s t r u c t i o nd e v e l o p m e n t i nr e c e n ty e a r s b e c a u s eo fl o c a lr e a s o n sf o rt h es e a s o n a lf r e e z i n ga n dt h a w i n gt h a ti s i t ss p e c i a lc l i m a t ea n d e n v i r o n m e n t m a k i n gr o a dc o n s t r u c t i o np r o j e c t sa r i s i n gi nt h ec o u r s eo fq u e s t i o n sa n du s et h ee a r l y p h a s eo fs i t u a t i o na l lt h em o r eo b v i o u sd a m a g e t h ec u r r e n ta s p h a l tm i x t u r eg r a d a t i o nc o m p o n e n t d e s i g ni ss t i l lat r a d i t i o n a le x p e r i m e n t o b s e r v et h ep h e n o m e n o no ft h ee x p e r i e n c eo fs t u d y m e t h o d s t h ea p p l i c a t i o no fa d v a n c e dc o m p u t i n gt o o l s m e c h a n i c a la n a l y s i st o o l s q u a n t i t a t i v e a n a l y s i so fm i c r o o rm e s o s c a l ea s p h a l tm i x t u r em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so nad e 印u n d e r s t a n d i n g o fa s p h a l tm i x t u r em e c h a n i c a lm e c h a n i s ma n di m p r o v et h ec o m p o s i t i o no fa s p h a l tm i x t u r ed e s i g n m e t h o dh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e c u r r e n tr e s e a r c hw o r ki nt h ed i g i t a li m a g ea c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y v i r t u a lm e c h a n i c sc a l c u l a t i o ns o f t w a r e a n ds oo nf r a c t a lp r i n c i p l eh a s b e e nt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h e s et e c h n o l o g i e sh a sb e e nt h ed e v e l o p m e n to fr o a de n g i n e e r i n ga l e v e r yt h i n kt h e r ei ss o m ep o t e n t i a lf o rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n td i r e c t i o n b e c a u s eo fs p e c i a lg e o g r a p h i c a la n dc l i m a t i cc o n d i t i o n s h i g h a l t i t u d ea r e a si ny u n n a n a s p h a l tp a v e m e n tm o r ec o m p l e xt h a nt h eo t h e r i no r d e rt os t u d yh i g h a l t i t u d ea r e a si ny u n n a n s p e c i a lc l i m a t i cc o n d i t i o n so fa s p h a l tm i x t u r em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i nt h i sp a p e rd r a wo nr e l e v a n t r e s e a r c hr e s u l t sa th o m ea n da b r o a do nt h eb a s i so fc o m b i n a t i o no fh i g h a l t i t u d ea r e a si ny u n n a n s p e c i a lc l i m a t i cc o n d i t i o n s s e tu pf o ra s p h a l tm i x t u r ea n a l o gr e a ld i s c r e t ee l e m e n tm o d e lo ft h e i n t e r a c t i o no ft h ev i r t u a lc o m p u t e re x p e r i m e n t s t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t so f c o m p a r a t i v ea n a l y s i s t h ee s t a b l i s h m e n to f m a c r o a n dm i c r o p a r a m e t e r so f t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n a n a l y s i so fl a b o r a t o r yt e s tr e s u l t sa tt h eb a s i so fs u m m i n gu p i na c c e s st o s c i e n t i f i cd a t ab a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de v a l u a t i o n k e y w o r d s h i g l l 一a l t i t u d ea r e a s d i s c r e t ee l e m e n t t r i a x i a lt e s t s h e a rs t r e s s 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究 工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 磊笕易 只期 川年 l 月矿日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到 中国学位论文全文数据库 并进行 信息服务 包括但不限于汇编 复制 发行 信息网络传播等 同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利 学位论文作者签名薅臣 竺翌竺卫2 曼曼 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊 光盘版 电子杂志社c n k i 系 列数据库中全文发布 并按 中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程 规 定享受相关权益 学位论文作者硌趣堙 r 期 1 叫月7 日 指导 日期 第一章前言 第一章前言 1 1 引言 云南高海拔地区 在气候特征上属于湿润温带 寒温带气候 而青藏高原多属 于半干旱和干旱 高原寒带季风性气候 其降雨量远远高于青藏高原 由于气候条 件的不同 使得其筑路条件也就不同 在青藏高原筑路面临的主要问题是多年冻 土问题 而云南高海拔地区则没有多年冻土问题 筑路面临的主要是季节性冻融 问题 就冻融问题而言 云南高海拔地区的冻融问题远比我国北方地区冻融问题 严重 主要表现在其冻融期较长 最长达3 0 0 天 且冻融变化频繁 因此 在 云南高海拔地区筑路 即不能套用青藏高原地区相关筑路经验 也不能套用北方 地区解决冻融问题的经验 而必须根据云南高海拔地区的具体特点 有针对性的 研究开发其筑路技术 沥青混合料是决定道路工程质量的重要材料 它占用道路建设的大部分经费 近几十年来 国内外投入了巨大的研究费用研究沥青混合料的组成设计理论 方 法以及应用技术 但研究取得的成果与人们的期望还有相当大的差距 到目前为 止 除了在解决沥青路面的疲劳破坏及车辙问题上 建立了路面材料设计与沥青 路面结构性能之间的联系外 沥青路面其它类型的破坏只能通过材料设计过程间 接地经验地予以考虑 工程技术人员仍然需要依靠经验来确定沥青混合料的结构 材料组成 并采用一些缺乏足够力学依据和实际验证的方法来评价沥青混合料的 路用性能 由此可见 按照工程的环境特点 交通特性 结构特性 科学 准确 地设计满足使用 功能及建设要求的沥青混合料 改变目前经验性 粗放性设计 现状 将是当今和以后若干年道路工程技术领域的重要课题 当前沥青混合料组成设计的研究 基本上仍是沿用传统的实验 观察的现象学 经验方法 而对其力学性能却很少涉及或少有较深入的研究 在未来的研究中 需要应用先进的计算手段 力学分析工具 定量地分析微观或细观尺度沥青混合 料的力学特征 这对于深刻理解沥青混合料的力学机理 改进沥青混合料组成设 计方法 具有十分重要的意义 长期以来 由于分析工具的限制 只能采用基于现 象法的经验方法 通过大量的试验 从宏观尺度分析和研究沥青混合料的各种性 能 这种方法不仅耗时 耗资 而且结果的变异性较大 再现性差 沥青路面工 程设计和建设迫切需要一种有足够力学依据和实际验证的方法来评价沥青混合料 的路用性能 以取代以往的经验加实验的设计方法来指导工程技术人员进行合理 设计 由于沥青混和料是多相复合材料且具有温度 加载时间敏感性等 其工程 2第一章前言 性质相当复杂 为了正确描述其工程性质 唯一的出路就是结合实验参数建立细 观结构模拟其工程性质微观力学方法是一种新的研究沥青混合料性能的方法 不 仅避免了大量的实验 而且能够从微观尺度深入分析混合料在外部环境作用下的 内部力学反应 应用微观力学方法预测沥青混合料力学性能的模型从早期开发的 简单力学模型 发展到当前的数值分析模型 其中包括有限元模型和离散元模型 相对于有限元方法 离散单元方法 d e m p f c 在处理散体等非连续介质力学 问题上具有独特的优势 易于解决接触面问题 研究工作在沥青混合料微观或细观结构研究手段方面已得到全面发展 如虚 拟力学计算软件 另外 适用于自然界中复杂形状分析的分形原理等数学理论以 及数字图像获取与处理技术也得到了迅速发展 并开始被应用于沥青混合料的研 究i 且在诸如体积特性分析 微观结构分析方法 颗粒均匀性分析 级配曲线形 状分析 集料形态分析等探索性研究中得到成功尝试 这些技术的发展己被认为 是道路工程界非常有潜力的一些研究发展方向 研究材料的工程特性 通常有三种方法 即 理论研究法 实验 试验 研 究法和模拟研究法 理论研究是采用现代数学 力学理论 建立材料的本构关系 利用本构关系来分析 预测其工程特性 由于沥青混合料本身的复杂性 至今还 没有建立起一个被公认的 能够较好地反映其特性的本构模型 实验研究法一般 用于验证理论模型或通过实验建立某种经验关系 预测材料的工程特性 但由于 沥青混合料种类较多 目l j 建立部分沥青混合料某一工程特性的经验关系 但限 于试验条件其使用范围有限 模拟研究是近年来广泛用于研究材料特性的方法 它主要有两类代表性的方法 第一类是基于连续介质力学理论的方法 它以有限 元为代表 近年来快速拉格朗同分析法 f l a c 也得到广泛应用 第二类是基 于非连续介质力学理论的方法 它以离散元法为代表 就当前科技发展水平而言 从分子原子层次上分析沥青混合料的微观结构还 较为困难 可用于沥青混合料细观结构分析方法有多种 譬如解析法 有限元方 法 离散元方法等 然而 有限元方法等基于连续介质力学的力学分析方法存在 以下缺陷 1 无法处理多接触面问题 不能够描述集料的表面纹理及其他相关情况 2 较难描述微观结构的断裂 集料的接触面相互运动 相对于有限元方法 离散单元方法在处理散体等非连续介质力学问题上具有 独特的优势 易于解决接触面问题 离散元法通过接触粘结模型可以处理连续贪 质力学问题 尤其在处理多相分散体系材料 如沥青混凝土等 方面 具有其他 方法无可比拟的优势 沥青混合料从本质上讲是非连续介质 因此 对其特性的 模拟采用基于非连续介质的方法比较合适 但是 这种材料是以沥青为胶结料是 第一章前言 3 级配碎石黏结在一起 因此 从宏观角度看有可以近似将其作为均质连续体介质 本研究将采用特殊的离散单元法 颗粒流方法 p f c 2 d 进行其微观力学特性的 模拟 试图通过数值模拟方法了解沥青稳定碎石材料的变形破坏机理 为改进沥 青混合料的设计提供理论依据 同时为沥青混合料材料特性的研究 开辟新的研 究思路和研究方法 1 2 研究的背景和意义 随着我国对公路 尤其是高等级公路建设投资力度的加大 对沥青路面提出 了更高的 甚至是苛刻的要求 为了保证工程质量 我国高等级公路中的沥青路 面无一例外都要求采用进口沥青 改性沥青甚至是进口改性沥青 使得路面造价 剧增 造成这种现象的原因是人们认为沥青路面的性能主要依赖于沥青粘结料的 性能 依赖于混合料6 左右的沥青的性能 包括现行的混合料设计方法 更多 的是考虑沥青用量 沥青性能的变化 当混合料不能满足要求时 就通过改变沥 青的用量或调整沥青品种来实现 为了摆脱 路面性能主要依赖于沥青性能 的 困境 有必要对占混合料9 4 一9 5 的矿料进行系统的分析和研究 分析不同的集 料配比所形成的集料骨架结构 以及不同的骨架结构分布状况对混合料宏观性能 的影响 1 3 沥青混合料微观结构的国内外研究现状 近年来 为了从微观尺度研究混合料结构对其性能的影响机理 运用力学方 法定量预估混合料的力学性能 国内外开展了从微观尺度研究沥青混合料的工作 本文从沥青混合料的微观结构识别 沥青混合料的微观结构特性数值模拟和离散 单元法在沥青混合料微观结构分析中的应用3 个方面分析国内外沥青混合料微观 力学研究的现状 1 3 1 沥青混合料的细观结构识别 沥青混合料内部微观结构的识别是近年来国内外关注的课题 f r o s i 相对较 早地开展了沥青混合料内部结构的研究 s h r p 计划的研究者也意识到沥青混合 料的微细观结构对其宏观力学性能的影响 如在s h r p 研究报告 s h r p a 4 1 0 2 中 对集料的针片状含量 棱角 破碎面等提出了一定的要求 然而这仅限于 对沥青混合料宏观性能的评价 对于其内部结构的微观作用机理研究仍未涉及 也没有提出测量与评价沥青混合料内部结构的具体方法 3 新的沥青混合料设计 方法更注重集料级配所发挥的骨架作用 越来越多的研究表明 不同的压实方法 4 第一章前言 成型的骨架结构差异显著 m a s a d 4 利用广泛应用子医学的c t 定量研究了旋转压 实成型 s g c 与揉搓压实成型 l k c 沥青混合料试件的内部结构特征 发现 s g c 成型试件的粗集料取向更好 其接触状况也更优 有利于粗集料嵌挤骨架结 构的形成 随后 m a s a d 铀 在定量分析不同压实方式下混合料试件的压实效果和 内部结构的基础上 进一步试图通过改变旋转压实条件来模拟现场压实的实际情 况 并从微观力学的角度分析了试件内部的各向异性 同时利用有限元技术计算 了试件受力后的局部变形 美国联邦公路局与特纳公路研究中一d t f h r c 于1 9 9 8 年联合开展了s i m a p 7 s i m u l a t i o n i m a g i n g a n d m e c h a n i c so fa s p h a l t p a v e m e n t s 研究计划 s i m a p 计划认为沥青混合料的设计方法和理论中经验性 的指标或参数还占有相当大的比重 准备应用镜像技术对沥青混合料试件的内部 结构进行识别 如集料的取向 集料间的接触状况 沥青胶浆及空隙的空间分布 和结构的不均匀性等 并对沥青混合料的内部结构组成进行三维重构 据此采 用适宜的力学模型对其宏观力学与强度机理进行数值模拟 因此 s i m a p 研究项 目主要解决三个问题 1 采用三维镜像技术识别沥青混合料集料结构与路用性 能的关系 三维镜像技术使集料结构变得可视化 通过计算机仿真模型可以得到 级配与内部结构间的关系 进而可确定设计所期望集料与沥青胶浆的综合体 每 一个集料视作离散元素 将沥青胶浆对路用性能的作用单独考虑 集料堆积特性 的模拟主要解决集料物理特性 集料间的空隙和集料间的接触 集料承载力模拟 则将路面结构看作颗粒材料 用粒料机理作用来描述路面的应力应变关系 3 采用接触机理确定集料与沥青问的相互接触作用 集料与沥青胶浆间接触作用的 分析可知 接触传递应力依赖于胶浆与集料的相互作用 需从路用性能角度优化 胶浆特性 这样通过模拟沥青混合料试件内部结构在体积和力学特性下的行为并 用力学原理解释集料结构 不但可以定性而且可以定量地得到沥青材料与路用性 能之问的关系 有助于加深理解修建更加耐久的沥青路面 在我国 沥青混合料 微细观结构的研究也已经开始 张蜻娜 8 j 运用数字图像技术对沥青混合料的内部 组成特性进行初步的识别与分析 陈建旭 9 运用数字图像技术对不同级配沥青混 合料的抗车辙能力进行研究 张肖宁 l0 j 利用数字图像处理技术对沥青混合料的组 成特性进行了研究 李智 l l 运用数字图像技术对不同成型方法 不同压实功的沥 青混合料试件的压实特性进行研究 李晓掣1 2 运用c t 技术对s g c 成型的沥青混 合料试件的内部空隙特征进行研究 王端宜 l3 运用数字图像技术对沥青混合料的 级配离析进行了初步评价与探讨 杨新华 1 4 提出了一种基于图像处理技术的沥青 混合料二维有限单元分析的几何建模方法 虞将苗 5 j 应用数字图像处理技术 结 合有限元建模方法 建立了包含集料 空隙和胶浆在内的沥青混合料有限元模型 并模拟研究了沥青混合料劈裂试验 第一章前言 5 目前 从沥青混合料微观结构识别研究的内容看 主要包括混合料体积特征 研究和混合料试件动态加载时的内部结构研究 沥青混合料体积特征的研究一直 是微细观结构研究的重点 最初的研究主要集中于粗集料特征的分析 如粗集料 的周长 直径 针片状含量 长短轴取向等 粗集料形态特征的研究是微细观结 构研究的起步 距工程实践还有一定距离 随着研究的进一步深入 越来越多的 学者对沥青混合料组成特性展开研究 如混合料的空隙特征 级配组成和不均匀 性等 1 6 憎j 各国研究者在静态研究沥青混合料内部结构形态 尺寸 分布等体积 特征的基础上 对混合料试件在动态加载时内部结构的变化展丌定量研究 s e o 2 0 通过沥青混合料试件间接拉伸试验 i d t 加载过程的图像分析了裂尖破坏区的 产生 发展及试件的破坏状况 其结果与实测较为一致 李晓军 2 l 用c t 对s g c 成型的沥青混合料试件在动态加载状态下的内部损伤行为进行实时测量 取得较 为满意的效果 h a r c m a n 2 2 运用数字图像技术分析沥青混合料小梁试验的疲劳性 能和加载过程中小梁的变形及破坏特征 所得结果与位移传感器 l v d t 实测 结果较为吻合 纵观沥青混合料微观结构识别的研究进展 可以看出以下几个问题 1 当前混合料的内部微细观结构研究多为基于二维的识别与分析 尚不 能完全考虑集料 胶浆及空隙的三维特征 因而其研究结果在多单元体统计意义 上具有代表性 而在考虑某个单元体时仍然具有一定的随机性与变异性 2 在研究混合料的级配特征时 为了得到集料的三维体积级配 研究者 通常不得不由二维面积级配换算得到 难免存在一定的差异 并且该法要求沥青 混合料中只能采用同一种且均质石料 3 由于目前混合料微观结构识别多限于二维情形 这就决定了混合料试 件动态加载时的内部结构研究也只能是二维情形 结果离实际情况还有一定距离 4 关于沥青混合料内部结构的研究工作主要集中在微观结构的定量或定 性分析上 将宏观与微观结合起来描述沥青混合料的破损过程的研究较少 5 由于微细观结构研究对检测设备 数据处理系统及研究人员的软硬件 要求较高 目前仍然处于理论研究阶段 尚不能直接应用于工程实践 1 3 2 沥青混合料的微观结构特性的数值模拟 近1 0 年来 研究人员逐渐意识到沥青混合料的微观结构对其宏观力学性能影 响的重要性 越来越多的学者开始致力于研究沥青混合料内部微细观结构与外部 宏观力学性能之i 日j 的关系 目前 在沥青混合料微观结构特性分析中通常采用的 数值方法主要包括有限单元法 边界元法和离散单元法 中国也开始进行沥青混合料数字化的研究 同济大学的张婧娜 孙立军等应 6第一章前言 用数字图像处理技术研究了沥青混合料的微观结构 华南理工大学张肖宁承担的 国家自然科学基金项目 沥青混合料体积组成的散斑图形数字处理技术 王端 宜承担的 设计沥青混合料的数字技术研究 也就沥青混合料的数字化问题进 行了研究 杨新华等利用数字图像处理技术和几何形状矢量化原理进行沥青混合 料的有限元建模 也有不少学者运用有限单元法模拟分析沥青混合料内部结构与 外部宏观力学性能间的关系 河南省交通研究院的胡霞光承担的国家自然科学基 金 基于离散单元法的沥青混合料劲度模量虚拟试验研究 应用微观力学方法预 估混合料的力学性能 开展虚拟实验的研究 这样即可取代混合料试验 开发高 性能沥青混凝土及其设计规范 西南交通大学的黄晚清对s m a 粗集料骨架结构 做了细观力学研究 已开展的混合料微观结构研究的技术路线大多是根据沥青混 合料的微观图像重构其微观结构 然后对比室内试验 建立微观结构与力学性能 的经验关系 这是一种传统的经验方法 精度 可靠性难以满足要求 因此 需 要采用基于先进技术的微观力学方法分析沥青混合料 以提高获取沥青混合料结 构信息的精度和可靠性1 2 引 目i j 成熟的有限元商业软件很多 如a b a q u s a n s y s f r a c e z d m a r c a d i n a 等 应用有限元建模方法对沥青混合料的微观结构进行力学分析 可以精确地建立集料与沥青胶浆的几何微观结构模型 然而 有限元方法也存在 不足 1 沥青混合料为典型的多相复合材料而非均匀连续介质 另外其微观结 构的断裂行为涉及大变形和断裂问题 而有限元法在处理大应变 非连续介质问 题时存在固有的缺陷 2 有限元法须满足变形协调条件 因此不能考虑集料接 触特性的改变 在加载过程中 集料问的接触面相互运动 产生相对滑移 3 在模拟强度试验中集料与沥青胶浆的破裂时 应用有限元方法将十分繁琐 难度 也很大 4 有限元法尚不能全面地考虑混合料中空隙的影响效应 1 4 离散单元法在国内外研究概况及在沥青混合料结构分析中的 应用 在力学分析方法方面 道路工程领域长期以来一直沿用连续均质的力学方法 弹性力学 有限元法等 分析沥青混合料的力学反应并指导材料设计 然而由 于沥青混合料实际的应变场并不连续 碎石集料和沥青在混合料中扮演着不同的 力学角色 因此现行的材料设计体系与按使用性能设计材料之间尚存在相当大的 差距 由于有限元法与边界元法在分析沥青混合料这种特殊材料时遇到了上述困 难 一些学者开始将目光投向离散单元法 第一章前言7 1 4 1 离散单元法在国外的发展状态 离散单元法是比较年轻的计算方法 离散单元法的基本思想源于分子动力学 离散单元法是由c u n d a l l l 9 7 1 年提出的 2 4 1 该法适用于研究准静力或动力条件下 的节理系统或块体集合的力学问题 最早提出时采用多边形单元 该方法最初用 来分析岩石边坡的运动 特别适用于节理岩体的应力分析 在采矿工程 隧道工 程 边坡工程以及放矿力学等方面都有重要的应用 后来c u n d a l l 和s t r a c k 将其 发展并应用于土力学中 提出二维圆盘颗粒单元模型 开发了相应的b a l l 计算 程序 并用于研究颗粒介质的力学行为 得到了与d r e s c h e r 等人用光弹性实验相 吻合的结果l z 离散单元法除了用于边坡 采场和巷道的稳定性以及颗粒介质微观结构分析 外 已扩展到用于研究地震 爆炸等动力过程和地下水渗流 热传导等物理过程 离散单元法允许单元体发生有限的位移和旋转 在计算过程中能够自动识别 单元体间的分离 接触的重新生成 与传统连续介质模型的计算与模拟方法不同 离散单元法无须满足位移连续和变形协调条件 认为大变形行为是各单元作为独 立个体运动和变形的宏观显现 所以离散单元法尤其适用于大变形和旋转等非连 续介质模型的宏观与微观力学分析问题 到1 9 7 4 年 二维的离散单元法程序趋于成熟 当时已有屏幕图形输出的交互 会话功能 但由于受计算机内存的限制 不少程序是用汇编语言编写的 到1 9 7 8 年才全部翻译成 f o r t r a n 的文本 实现离散单元法的基本程序 与此同时 c u n d a l l 和s t r a c k 还开发了二维圆形块体的b a l l 程序 用于研究颗粒介质的力学 行为 所得结果与d r e s c h e r 等人利用光弹技术的实验结果极为吻合 使b a l l 程序 在研究颗粒介质的本构方面大放异彩 k e m o s 于1 9 8 3 年开发了离散单元法与边界单元法耦合的半平面程序 并用 于计算节理和断裂介质中的应力分布问题 l o r i g 于1 9 8 4 年开发了包括前处理和 后处理的离散单元法与边界单元法耦合程序经过3 0 多年的发展 离散单元法在岩 土工程 力学 冶金 农业 食品工程 化工 制药及天体物理等领域有广泛的 应用 t h o 哟n 2 5 利用离散单元法研究土颗粒体的本构关系 w a l t o n 研究了球形 散粒体纯剪切问题 l i n 和m a s s o n 采用圆盘单元模拟均匀砂体的直剪行为 并从 微观角度统计分析了砂土剪切过程内部结构的变化 h a y l e y 利用二维圆盘单元集 中讨论了剪切试样尺寸对土颗粒本构关系的影响 w i l l i a m s 进行了圆盘 椭圆盘 和方形颗粒体的双轴压缩数值实验 发现颗粒形状对压缩性质有较为显著的影响 w i l l i a m s o d a 1 w a s h i t a 研究了剪切带的形成及剪胀与失效机理 m i r g h a s e m i 采 用二维多边形单元模型 从微观和宏观两个角度模拟颗粒体的均匀加载 卸载和平 8第一章前言 面双轴试验 分析了颗粒形状对其工程特性的影响 k u h n 模拟研究土体的蠕变现 象 2 6 1 t a y l o r 数值模拟岩土工程地下爆破问题 a n a n d a r a j a h 采用二维长方形单元 对离散单元法进行改进 以模拟粘土的力学特性 随后又延伸至三维情形 t i n g 以椭圆模型研究了颗粒形状对土体强度及变形机制的影响 二十世纪九十年代以 来 离散单元法在国外得到足够的重视 并且得到了迅猛发展 这一时期 各种 离散单元法商用软件相继出现 美国i t a s c a 公司开发和完善了基于不规则形状 块体单元的u d e c 和3 d e c t 2 7 2 8 1 以及基于圆盘形和球形离散单元的p f c 2 d 和 p f c 3 d 2 吼3 0 软件 尤其是p f c 2 d 和p f c 3 d 软件 因具有邻居单元搜索速度快和 有效模拟大变形等优点 在很多领域得到了广泛应用f 2 9 3 3 l 从而使离散单元法在 工程中的应用向前迈进了一大步 国际散体细观力学大会自1 9 8 9 年起 先后在法 国 英国 美国和同本召开 出版的论文集 其中离散单元法研究占有一定比重 美国在1 9 8 9 年 1 9 9 3 年和2 0 0 2 年连续召开了三届离散单元法国际会议 3 4 6 1 德 国和同本分别于2 0 0 2 年和2 0 0 4 年针对离散元商用软件p f c 2 d 和p f c 3 d 连续召 开了两届国际会议 3 7 l3 8 国际英文期刊中 p o w d e rt e c h n o l o g y p a r t i c u l a t e s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y 和 a d v a n c e dp o w d e rt e c h n o l o g y 常有关于离散单元法 的文章发表 足以看出离散单元法的发展势头 目前 离散单元法已经广泛应用于岩石力学 物料流动 物料混和 沥青混 合料力学等多个领域 由于离散单元法还处于发展阶段 很多学者还对离散单元 法的理论和算法进行了深入的研究 3 引 至于三维离散单元法的发展则要迟些 其 主要原因是数据结构复杂 需要计算机具有较大存储容量 并且计算的结果用图 形显示较困难 如切告0 面 块体问一般是不接触的 犹如浮在空中 看起来不直 观 三维离散单元3 d e c 3 一d i m e n s i o n a ld i s t i n e te l e m e n t e n tc o d e 己由c u n d a l l 与i t a s c a 咨询集团于1 9 8 6 年进行开发工作 其基本原理同u d e c 只是数据结构作了较大的改进 三维问题的离散单元法目前仍处于发展阶段 但 其算法已经基本成熟 已经有了一些利用3 d e c 程序解决工程问题的尝试 离散单元法与其它数值方法 如有限单元法 边界单元法等耦合更能发挥各 自方法的优点 例如 用边界单元法考虑远场应力的影响以模拟弹性的性质 用 有限单元法作为中间过渡考虑塑性变形 再用离散单元法考虑近场不连续的情况 从而极大地扩展了数值方法的解范围 1 4 2 离散单元法在国内的发展状态 离散单元法在我国的研究和应用较晚 但发展起来也很迅速 目前己在采矿 工程 岩土工程以及水利水电工程等科研与设计中得到应用 留学回国的王泳嘉 教授于l986 年在第一届全国岩石力学数值计算及模型试验讨论会上 首次向我 第一章前言 9 国岩石力学与工程界介绍了离散单元法的基本原理和几个应用例子 1 1 随后出 版了离散元专著 4 2 1 而后我国学者充分利用离散单元法中个别块体可以脱离母体 的特点 将其用于放矿的数值模拟和自然崩落法机制及其底部结构其工程应用中 进一步发展了离散单元 系统研究了分析不连续岩体的非连续介质力学方法 离散 单元法及其工程应用 他在p c u n d a l l 离散元基本原理的基础上 完成了三维刚性 体离散单元法的数值模拟 提出了凸多面块体的角边修圆模式以避免岩块尖锐的 棱角给计算带来的因难 从而在此基础上建立了具有优先级的接触关系检索算法 接触关系采用单链表动态存贮 他建立了三维刚性离散元的力学模型 模型的研 究对象为修圆之后的凸多面体离散岩块 模型可以分析系统的静动力大变形问题 将该模型的分析结果用振动台刚块振动实验进行验证 结果比较符合 他首次将 三维离散元静 动力分析模型用于拱坝坝肩岩体的静动力稳定分析计算 这一模 型改变了传统方法中拟静力的极限平衡分析 可以给出坝肩岩体结构面在强度指 标下降至失稳时的大变形过程 形象地表征了岩体可能破坏的关键部位与变形过 程 他还研究了变形体离散单元法 较为系统地分析了变形体离散单元法的数值 模型的要点 提出了一种适用于变形体离散元分析的有限差分网格的自动生成方 法 引入了可以分析锚杆的数值模型 同时对于有限差分离散单元法在岩体系统 稳定分析情况下的应力与有限元的分析结果进行了比较 从分析的结果来看 证 实有限差分方法具有足够的精度 刘建武于1 9 8 8 年丌发了我国第一个静态松弛二 维离散元程序 并对电站地下主厂房进行二维计算 同年魏群1 4 3 j 在博士论文中研 究了平面问题的离散单元法 刘连峰在博士论文中丌发了动态松弛三维刚体离散 单元法c 程序 焦玉勇m 在博士论文中首次推导了三维静态松弛离散单元法的计 算公式 并开发了三维离散元程序 该程序能进行静态松弛法与动态松弛法的耦 合 安关峰等运用离散单元法模拟研究黄土坡滑坡与深部地质环境的关系 刘礼 领等在现场勘察和室内试验的基础上 建立离散单元法的物理力学模型 研究了 地下水动水压力对滑坡体稳定性的影响 汪远年 4 5 j 提出了一种断续节理岩体的随 机计算模型 并用离散单元法模拟单向加载试验 研究了节理岩体破坏强度与节 理倾角及节理连通率的关系 陈春光 4 6 提出了适用于计算泥石流运动的三维离散 单元模型 并应用该模型计算了主河在无水 或弱水流 条件下 泥石流的堆积 过程与堆积扇形态 蒋金泉味同用二维离散元仿真研究了综放开采的合理放煤步 距问题 姚建国将离散单元法用于岩层移动的研究 认为这是一种比较符合矿山 工程实际的数值方法 此外 还有不少离散单元法在水利 岩土 采矿等问题的 研究 尽管目前离散单元法在沥青混合料中微观结构分析的应用并不多见 然而 从己有的模拟实际来看 离散元法由于很好地捕获了材料的离散本质 可以有效 地模拟沥青混合料内部裂缝的产生 发展及内部集料结构的接触 嵌挤与剪切滑 1 0第一章前言 移现象 从这个意义上说 离散单元法在沥青混合料微观结构分析中极富潜力 1 4 3 离散单元法在沥青混合料微观结构分析中的应用 离散单元法是一种专门用于研究颗粒介质材料力学行为的有效工具 可以方 便地从宏观和微观两个层面定量解释颗粒材料的力学行为机理 和以往采用的连 续体材料力学手段相比 离散单元法的分析结果更加接近颗粒材料实际 并且微 观分析的结果既可以更好地解释颗粒复合材料宏观力学行为的微观本质 又可以 有效地指导颗粒复合材料的设计实践 将离散单元法应用于沥青混合料微观结构 的分析 国际国内刚刚开始 c h a n g 为建立沥青混合料的数值分析模型 对离散 单元法的单元接触模型进行改进 首次尝试对沥青混合料试样进行微观模拟 取 得了一定的成果 但受模型建立复杂及计算速度慢等制约 并没有取得更大突破 b u t t l a r 利用改进二维离散单元模型 开发了一种针对沥青玛蹄脂材料 或称砂胶 的微观力学模型 该模型考虑了沥青材料硬化以及微粒问相互作用对沥青混合料 强度的影响对沥青混合料劲度模量进行虚拟试验 取得初步成果 但由于二维情 形减弱了集料问的接触 结果与室内试验存在一定差距 王端宜针对现有手段难 以评价级配对沥青混合料性能影响的问题 尝试采用离散单元法的虚拟试验对沥 青混合料的级配类型进行评价 但仅限于二维情形 利用离散单元法模拟刚性散 粒体的堆积规律 但只限于单一粒径的均匀球体 尽管目前离散单元法在沥青混 合料中微观结构分析的应用并不多见 然而从己有的模拟实际来看 离散元法由 于很好地捕获了材料的离散本质 可以有效地模拟沥青混合料内部裂缝的产生 发展及内部集料结构