基于离散元法的沥青混合料车辙试验模拟：微观结构与宏观性能的关联研究.docxVIP

基于离散元法的沥青混合料车辙试验模拟：微观结构与宏观性能的关联研究

一、引言

1.1研究背景与意义

沥青路面凭借其行车舒适、噪音低、易于维修等优点，在现代道路交通中得到了广泛应用。然而，在长期的交通荷载和自然环境作用下，沥青路面不可避免地会出现各种病害，其中车辙是最为常见且危害较大的病害之一。车辙是指路面在车辆荷载反复作用下，产生的沿行车方向的纵向凹槽。车辙的出现不仅会影响道路的平整度，导致车辆行驶时产生颠簸感，降低行车舒适性，还会增加车辆的行驶阻力，导致燃油消耗增加，轮胎磨损加剧。更严重的是，车辙会影响车辆的操控稳定性，在雨天时，车辙内积水容易导致车辆发生滑水现象，危及行车安全。此外，车辙还会加速路面结构的损坏，缩短路面的使用寿命，增加道路养护成本。

传统的车辙试验主要是通过室内试验来进行，如常见的轮碾法车辙试验。这种试验方法虽然能够在一定程度上模拟路面车辙的形成过程，但存在诸多局限性。例如，室内试验难以完全模拟实际路面的复杂受力情况和环境条件，试验结果与实际路面车辙情况存在一定偏差。而且室内试验周期长、成本高，难以快速获取大量数据用于分析和研究。

离散元法作为一种数值模拟方法，近年来在岩土工程、颗粒材料等领域得到了广泛应用。离散元法将研究对象离散为相互独立的颗粒单元，通过考虑颗粒间的相互作用来模拟材料的宏观力学行为。与传统的连续介质力学方法相比，离散元法能够更好地模拟材料的非连续性、大变形以及颗粒间的接触和摩擦等复杂力学行为。将离散元法应用于沥青混合料车辙试验模拟，具有重要的意义。它可以弥补传统室内试验的不足，通过数值模拟深入研究沥青混合料在车辙形成过程中的细观力学行为，如集料的运动、沥青胶浆的流动以及它们之间的相互作用等，从而揭示车辙的形成机理。离散元模拟还可以快速改变各种参数，如集料级配、沥青性能、温度和荷载等，进行大量的虚拟试验，为沥青混合料的配合比设计和路面结构优化提供更全面、准确的依据，有助于提高沥青路面的抗车辙性能，延长路面使用寿命，降低道路建设和养护成本。

1.2国内外研究现状

在国外，离散元法在沥青混合料车辙试验模拟方面的研究开展较早。ButtlarWG和YouZP在2001年就利用离散元法对沥青混凝土进行微观结构建模，从微观角度分析了沥青混合料的力学性能，为后续车辙模拟研究奠定了基础。AbbasA、MasadE和PapagiannakisT等人于2007年采用离散元方法对沥青混合料的粘弹性行为进行微观力学建模，考虑了沥青胶浆的粘弹性特性，进一步完善了离散元模型在沥青混合料研究中的应用。在车辙模拟方面，国外学者通过离散元法模拟了不同荷载、温度条件下沥青混合料的车辙变形过程，分析了集料形状、级配以及沥青性能等因素对车辙的影响。研究发现，粗集料形成的骨架结构对抵抗车辙变形起着关键作用，合理的级配设计能够有效提高沥青混合料的抗车辙性能。同时，沥青的粘度和粘弹性特性也显著影响着车辙的发展。

国内对于离散元法在沥青混合料车辙试验模拟的研究也取得了不少成果。张德育、黄晓明和高英在2012年基于离散元法进行了沥青混合料虚拟车辙试验，根据概率理论及蒙特卡洛方法编写了考虑集料级配及不规则形状的沥青混合料二维数字试件生成程序，并利用基于时温等效原理的计算方法减少虚拟车辙试验的计算时间。研究表明，虚拟车辙试验中沥青混合料变形情况与室内车辙试验相似，虚拟车辙试验的变形量及动稳定度略大于室内车辙试验，建立的沥青混合料二维虚拟车辙试验能够预测沥青混合料的永久变形性能。李云波、王永洪和蒋飞在2017年基于离散单元法进行了沥青混凝土路面车辙数值模拟研究，构建了路面车辙的离散单元模型，分析了不同板块的厚度、路面铺装方式、交通流量等因素对路面车辙的形成过程的影响，为路面设计和维护提供了理论依据。

然而，目前离散元法在沥青混合料车辙试验模拟中仍存在一些不足之处。一方面，离散元模型中参数的确定还缺乏统一、准确的方法，很多参数依赖于经验取值，导致模拟结果的准确性和可靠性受到一定影响。另一方面，虽然离散元法能够模拟沥青混合料的细观力学行为，但如何将细观力学参数与宏观的路面性能指标建立有效联系，还需要进一步深入研究。此外，现有研究大多集中在单一因素对车辙的影响，对于多因素耦合作用下的车辙模拟研究相对较少，难以全面反映实际路面车辙形成的复杂过程。

1.3研究内容与方法

本文主要研究内容包括以下几个方面：首先，基于离散元法建立沥青混合料车辙试验的数值模型。考虑集料的形状、级配以及沥青胶浆的粘弹性特性，采用合适的颗粒生成算法生成沥青混合料的离散元模型，并确定模型中颗粒间的接触模型和参数。其次，利用建立的离散元模型进行车辙模拟试验。模拟不同温度、荷载条件下沥青混合料的车辙变形过程，分析车辙形成过程中集料的运动规律