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基于内聚力模型和三维离散元法沥青混合料劈裂试验研究

万蕾  
【摘要】:沥青混合料劈裂试验,作为路面结构设计、沥青混合料设计的内容之一,同时,也是研究沥青混合料破损机理的手段之一。劈裂试验因其操作简单,且在加载时,位于试件中部的应力状态,较路面在受荷时的应力状态相类似,因此,劈裂试验在沥青混合料力学性能研究中得到了广泛的应用。离散单元法(DEM)作为数值模拟方法的一种,更适于模拟颗粒组合体的细观力学表现行为,在进行非连续介质材料数值模拟时,DEM具有显著的优势。沥青混合料作为非连续介质材料的一种,其不连续性主要体现在三个方面:集料和沥青胶浆界面处材料性能的不连续性,相邻集料颗粒间的不连续性,以及相邻孔隙间的不连续性。通过离散单元法建立沥青混合料微观结构模型更为直观,并且离散单元法在描述沥青混合料细观裂纹扩展及断裂过程中得到了大量应用。内聚力模型(CZM)在研究沥青混合料裂纹扩展中有着显著的优势,如内聚力模型可以较好的模拟沥青混合料裂纹扩展的全过程,以及开裂过程中力学性能的变化,使得内聚力模型在沥青混合料力学性能研究中得到了广泛关注。本文依托沥青混合料劈裂室内试验,借由万能压力试验机,输出劈裂试验过程中的竖向荷载-位移全曲线,结合CT扫描技术、数字图像处理技术及三维离散单元法,基于内聚力模型选用材料参数,进行沥青混合料劈裂试验三维离散元数值模拟研究。在沥青混合料劈裂试验三维离散元模型重构过程中,集料采用cluster型,并使用实际边界信息,为离散单元基本元素赋予接触粘结模型,分别以加载速率、模型参数、温度、油石比为影响因素进行三维离散元模拟,研究各影响因素的影响效应。研究结果表明:将CT扫描技术,数字图像处理技术相结合,利用三维离散单元法,能够直观的构建劈裂试验的数值模型;将内聚力模型用于劈裂试验三维离散元模拟,能够研究沥青混合料在劈裂试验过程中的微观力学性能,但由于数值模拟与室内试验在加载速率与加载形式上存在较大差距,需通过参数调整,以进一步将内聚力模型应用在三维离散元模拟中。


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