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基于数值模拟与虚拟试验的沥青混合料剪切性能深度剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代交通基础设施建设中，沥青混合料作为道路铺设的核心材料，其性能优劣直接关乎道路的质量、使用寿命以及行车的安全性与舒适性。从城市街道到高速公路，从机场跑道到港口道路，沥青混合料凭借其良好的粘结性、防水性、耐磨性和抗裂性能，成为道路建设领域的首选材料，在全球基础设施建设中占据着举足轻重的地位。随着交通量的日益增长、车辆荷载的不断加重以及极端气候条件的频繁出现，对沥青混合料的性能提出了更为严苛的要求。

道路在使用过程中，沥青混合料会受到车辆荷载的反复作用，其中剪切力是导致路面损坏的关键因素之一。当车辆启动、刹车、转弯时，路面会受到水平方向的剪切力，在重载交通和高速行驶的情况下，这种剪切力会更加显著。若沥青混合料的剪切性能不足，路面就容易出现推移、拥包、车辙等病害，不仅会降低道路的平整度和舒适性，还会缩短道路的使用寿命，增加道路维护成本，甚至影响行车安全。因此，深入研究沥青混合料的剪切性能，对于提高道路的使用质量、延长道路的使用寿命具有至关重要的意义。

传统上，研究沥青混合料的性能主要依赖于室内试验和现场测试。室内试验虽然能够在一定程度上模拟实际工况，但存在试验周期长、成本高、影响因素难以全面控制等问题。现场测试虽然能够反映真实道路条件下的性能，但受到交通管制、环境条件等诸多限制，且难以对材料的内部结构和力学响应进行深入分析。随着计算机技术和数值模拟方法的飞速发展，数值模拟和虚拟试验为沥青混合料的研究提供了全新的视角和方法。通过数值模拟，可以在计算机上构建沥青混合料的细观结构模型，模拟其在不同荷载和环境条件下的力学响应，从而深入了解材料的性能机理。虚拟试验则能够在虚拟环境中进行各种试验方案的测试，快速筛选出最优方案，大大缩短研究周期，降低研究成本。将数值模拟和虚拟试验应用于沥青混合料剪切性能的研究，不仅能够弥补传统研究方法的不足，还能够为沥青混合料的设计、优化和质量控制提供更为科学、准确的依据，具有重要的理论意义和工程应用价值。

1.2国内外研究现状

在沥青混合料剪切性能研究领域，数值模拟和虚拟试验技术近年来取得了显著进展，国内外学者从不同角度、运用多种方法展开深入探索，为该领域的发展积累了丰富的理论与实践成果。

国外在沥青混合料剪切性能数值模拟方面起步较早，研究成果丰硕。早期，学者们主要借助有限元方法对沥青混合料的宏观力学行为进行模拟分析。例如，[学者姓名1]通过建立二维有限元模型，模拟了沥青混合料在单轴压缩和剪切荷载作用下的应力应变分布，初步揭示了荷载与材料响应之间的关系，但二维模型在反映材料真实三维结构方面存在局限性。随着计算机技术的飞速发展，三维有限元模型逐渐成为研究主流。[学者姓名2]构建了考虑集料形状、分布以及沥青胶浆特性的三维有限元模型，对沥青混合料在复杂荷载条件下的剪切性能进行了模拟，研究发现集料的嵌挤作用和沥青胶浆的粘结性能对剪切强度有着关键影响。同时，离散元方法在沥青混合料细观力学研究中得到广泛应用。[学者姓名3]运用离散元软件，将沥青混合料视为由离散颗粒组成的系统，模拟了颗粒间的相互作用和力的传递过程，深入分析了细观结构参数对剪切性能的影响机制，为从细观层面理解沥青混合料的力学行为提供了有力工具。

在虚拟试验方面，国外学者开发了一系列先进的虚拟试验平台。[学者姓名4]团队研发的虚拟试验系统，能够模拟多种试验工况，包括不同温度、加载速率下的剪切试验，通过与实际试验结果对比验证，该系统在预测沥青混合料剪切性能方面表现出较高的准确性，可有效用于材料设计和性能优化。此外，多尺度建模与模拟技术也成为研究热点。[学者姓名5]将微观、细观和宏观尺度相结合，建立了多尺度模型，全面考虑了沥青混合料从分子结构到宏观力学性能的关联，为深入研究材料性能的内在机理提供了全新视角。

国内对沥青混合料剪切性能的数值模拟和虚拟试验研究也呈现出蓬勃发展的态势。在数值模拟方面，众多学者在借鉴国外先进方法的基础上，结合国内实际工程需求进行了创新研究。[学者姓名6]针对我国常用的沥青混合料级配，采用有限元方法研究了不同级配组成对剪切性能的影响规律，提出了基于剪切性能的级配优化建议，为实际工程中的材料设计提供了理论依据。在离散元模拟中，[学者姓名7]通过改进颗粒接触模型，更准确地模拟了沥青胶浆与集料之间的粘结和滑移行为，提高了离散元模型对沥青混合料剪切破坏过程模拟的精度。

在虚拟试验领域，国内学者积极开展相关技术研发与应用。[学者姓名8]开发的基于虚拟现实技术的沥青混合料虚拟试验平台，为研究人员提供了沉浸式的试验环境，可直观地观察材料在试验过程中的变形和破坏情况，有助于深入理解材料的力学行为。同时，一些学者将