多孔沥青路面微观力学特性与空隙衰变行为研究.doc

道路与铁道工程专业毕业论文[精品论文]多孔沥青路面微观力学特性与空隙衰变行为研究关键词:多孔排水沥青路面微观力学连续介质力学离散元方法数值模拟空隙衰变行为摘要:多孔排水沥青路面的主要特征是空隙率较高,一般在20%左右,高空隙率带来的路用性能表现为降噪效果良好、表面抗滑能力强、透水性好、安全性高。然而,高空隙率引起的不良结果为荷载作用后,该类型路面中的空隙会产生空间形态上的衰变,导致混合料中的结构空隙出现两种结果:一、结构空隙总量和分布均发生衰变;二、结构空隙总量未发生变化,而结构空隙的分布发生变化,前一种情况主要发生在施工阶段,后一种情况主要发生在运营阶段。尤其对于多孔排水路面,后一种情况更为重要,直接关系到其排水能力和功能的持续性问题,因此揭示多孔沥青路面中的空隙空间形态及分布、研究多孔沥青路面微观空隙的力学特性、分析空隙在荷载作用后的衰变行为具有重要意义。本文以多孔沥青路面的空隙衰变为主线,从微观角度给出了空隙的概念模型,借鉴多孔固体力学分析了简化空隙模型的力学形态,根据Betti互等定理推导了应用于多孔沥青路面的空隙体积模量,采用连续介质力学方法结合龚帕斯“生长”模型研究了空隙的衰变规律。此外,利用离散元方法数字重构了沥青结合料、骨料及混合料,数值模拟了有限空隙的衰变特性,分析了形成空隙结构的骨料颗粒的位移矢量及接触力矢量,从微观角度明确了空隙变形机理。经理论推导和离散元方法数值模拟,本文取得的具体成果如下:(1)提出了多孔沥青混合料的概念模型,并阐明了针对多孔沥青混合料的体积模量的概念,包括混合料的体积模量及空隙体积模量,完整推导了用于解释多孔沥青混合料体积模量的方程,包括干燥及饱和两种状态的求解过程,研究了空隙体积模量与温度之间的关系;(2)简化了多孔沥青混合料中的空隙模型,并对简化后的空隙模型进行了力学分析,;(3)根据龚帕斯预测模型研究了空隙体积模量的衰变规律,比较了理论值与预测值之间的差异,%,从而验证了龚帕斯模型在预测空隙体积模量方面具有可行性;(4)利用离散元方法对沥青结合料、集料及沥青混合料进行了数字重构,分别选取不同的微观接触模型,给出了不同空隙率下的骨架接触力矢量;(5)利用离散元方法数值模拟了三种空隙模型在荷载作用下的变形特性,其中等边三角形平行粘结模型的空隙模型变形最小、最稳定,并给出了组成空隙结构颗粒的位移和接触力矢量变化特征;(6)以三种沥青混合料结构模式(FineResolutionParallel-BondedMaterialA(Afp)、CoarseResolutionParallel-BondedMaterialA(Acp)、GrossResolutionParallel-BondedMaterialA(Agp))数值模拟了各自的间接拉伸试验,Afp模式的劈裂抗拉强度最大,内部产生的微裂缝最多,并分析了组成沥青混合料试件颗粒的接触力及位移矢量变化规律;(7)通过对Acp不同加载速率下间接拉伸试验的模拟,得到随着加载速率的增加劈裂抗拉强度增大的结论;(8)数值模拟了多孔沥青路面在荷载作用下路面结构的力学响应,得出了路面结构横向位置及沿深度方向的竖向位移,分析了各层路面结构在不同荷载下的变形特性。