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基于三维离散单元法的沥青混合料剪切疲劳特性深度剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

随着交通量的快速增长以及车辆荷载的日益重型化，沥青路面在现代交通基础设施中扮演着至关重要的角色。然而，沥青路面在长期服役过程中，不可避免地会遭受各种复杂的荷载作用，其中剪切疲劳破坏是导致沥青路面早期损坏的主要形式之一。这种破坏不仅会降低路面的平整度和行车舒适性，增加车辆的运营成本，还可能引发交通安全隐患，对人们的出行和社会经济发展产生不利影响。

剪切疲劳破坏通常表现为路面出现裂缝、车辙、推移等病害。当车辆行驶在沥青路面上时，轮胎与路面之间会产生水平和垂直方向的力，这些力在路面内部形成复杂的应力应变分布。在反复的荷载作用下，沥青混合料内部的结构逐渐损伤，微裂缝不断萌生和扩展，最终导致宏观裂缝的出现。如果这些裂缝得不到及时处理，水分会渗入路面结构内部，进一步加速路面的损坏，形成恶性循环。

研究沥青混合料的剪切疲劳特性对于保障道路质量和延长道路使用寿命具有重要意义。通过深入了解沥青混合料在剪切荷载作用下的力学响应和疲劳损伤机理，可以为沥青路面的设计、材料选择和施工提供科学依据，从而提高路面的抗剪切疲劳性能，减少路面病害的发生，降低道路养护成本。同时，这也有助于推动道路工程领域的技术进步，促进可持续交通基础设施的发展。

1.2国内外研究现状

国内外众多学者在沥青混合料剪切疲劳特性研究方面取得了丰硕的成果。在试验研究方面，早期主要采用简单的试验方法，如单轴贯入试验、直接剪切试验等，来研究沥青混合料的抗剪性能。随着技术的发展，一些更为先进的试验设备和方法被应用到研究中，如美国公路战略研究计划（SHRP）开发的剪切试验仪，能够更准确地模拟车轮荷载的反复作用，得到复数剪切模量与相位角随温度、频率的变化规律，为评价沥青的抗剪切流变性能提供了依据。

在理论研究方面，学者们建立了各种疲劳损伤模型来描述沥青混合料的疲劳损伤过程。其中，Miner疲劳损伤模型是应用较为广泛、研究较为成熟的线性损伤演化模型，该模型认为在相同荷载条件下，材料的损伤演化过程大致呈线性变化，损伤程度可直接线性叠加。然而，沥青混合料的疲劳损伤规律并不完全符合线性规律，因此又提出了非线性疲劳损伤演化模型，如指数型损伤模型，以沥青混合料的复数模量随荷载作用次数的退化作为评价材料疲劳损伤程度的标准。

尽管国内外在沥青混合料剪切疲劳特性研究方面已经取得了显著进展，但仍存在一些不足之处。一方面，现有的试验方法和理论模型难以全面准确地反映沥青混合料在复杂实际工况下的剪切疲劳特性，如考虑温度、湿度、加载速率等多因素耦合作用的研究还相对较少。另一方面，对于沥青混合料内部结构与剪切疲劳性能之间的关系，以及微观结构变化对宏观力学性能的影响，还缺乏深入系统的认识。

1.3研究内容与方法

本研究运用三维离散单元法深入研究沥青混合料的剪切疲劳特性，具体内容包括：首先，建立基于三维离散单元法的沥青混合料细观力学模型，考虑集料、沥青砂浆和空隙等组成部分的特性及其相互作用，通过数值模拟方法来研究沥青混合料在不同剪切荷载条件下的力学响应，分析应力应变分布规律以及裂缝的萌生和扩展过程。其次，探讨不同因素对沥青混合料剪切疲劳性能的影响，如集料级配、沥青性质、油石比、空隙率等，通过改变模型参数进行模拟分析，找出各因素与剪切疲劳性能之间的定量关系。最后，将数值模拟结果与室内试验结果进行对比验证，评估三维离散单元法在研究沥青混合料剪切疲劳特性方面的有效性和准确性，为进一步完善沥青混合料的设计和性能优化提供理论支持。

在研究方法上，主要采用数值模拟与室内试验相结合的方式。利用离散单元软件构建沥青混合料的三维模型，进行数值模拟试验，获取大量数据进行分析；同时开展室内剪切疲劳试验，制备不同配合比的沥青混合料试件，采用先进的试验设备和方法，测量试件在剪切荷载作用下的力学性能指标，如剪切强度、疲劳寿命等，为数值模拟结果提供验证和补充。此外，还运用理论分析方法，对试验数据和模拟结果进行深入分析，建立相关的数学模型和理论公式，揭示沥青混合料剪切疲劳特性的内在机理。

二、三维离散单元法概述

2.1三维离散单元法基本原理

三维离散单元法（3DDiscreteElementMethod，3DEM）是一种用于模拟离散介质力学行为的数值方法，其理论基础根植于离散介质力学和牛顿运动定律。该方法将研究对象视为由离散的单元（如颗粒、块体等）组成，这些单元之间通过特定的接触模型相互作用，以此来处理离散介质的力学问题。

在三维离散单元法中，首先将连续的介质离散为一系列相互独立的单元，这些单元在空间中具有明确的位置、形状和力学属性。对于沥青混合料而言，可将集料看作离散的颗粒单元，沥青砂浆则视为填充在集料颗粒之间的粘结相，空隙作为特殊的“空单元”处理