振動壓實對道路材料空間組構(gòu)及其力學(xué)性能演化的離散元模擬.pdf

1、道路材料在宏觀上是離散顆粒的組合體，單個顆粒的尺寸、形狀、物理性質(zhì)以及顆粒分布決定了整個顆粒體的力學(xué)性質(zhì)。顆粒材料的力學(xué)特征為離散性和流動性，用傳統(tǒng)的宏觀連續(xù)介質(zhì)理論已經(jīng)不能合理地分析其散體過程。上述“散、動”特征都與傳統(tǒng)的均勻、連續(xù)等假定沖突，導(dǎo)致理論與實際的偏離。離散單元方法克服了傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型的宏觀連續(xù)性假設(shè)的局限性，可以從細(xì)觀角度對道路材料的工程力學(xué)特性進行數(shù)值模擬，并通過顆粒細(xì)觀參數(shù)的研究來分析材料的宏觀力學(xué)行為，進而研

2、究微觀與宏觀之間的定量關(guān)系。與室內(nèi)試驗比較，離散元法的優(yōu)點在于，它可以比較簡單地生成任意級配、形狀、表面性質(zhì)、多種材料配比的試樣，研究各種粒徑組構(gòu)對整個顆粒體的力學(xué)性能的影響，使材料的力學(xué)性能達到最優(yōu)化。基于研究問題的復(fù)雜性，本文將施工時攤鋪的路基填料、級配碎石排水墊層、穩(wěn)定土、穩(wěn)定級配碎石、水泥穩(wěn)定土、水泥穩(wěn)定碎石、瀝青穩(wěn)定碎石、瀝青混凝土等忽略其具體材料的特征屬性，統(tǒng)一簡化為抽象的離散不規(guī)則的顆粒材料。本文主要針對簡化的松散顆粒材料

3、在振動荷載作用的幾何形態(tài)和力學(xué)演化進行研究。
　　 本文主要研究四個方面的工作：1)通過離散元程序的二次開發(fā)，基于元胞自動機演化機理編寫了離散元子程序，首次生成了可以準(zhǔn)確控制其固相、液相、氣相組成比例的不規(guī)則顆粒數(shù)值模擬體。2)研究了振動壓實中干顆粒的空間組構(gòu)和力學(xué)性能的演化過程。3)研究了含水道路材料空間組構(gòu)和力學(xué)性能的演化過程。4)通過大量的數(shù)值計算，優(yōu)化出了不同面層壓實厚度和不同密實狀態(tài)下減緩半剛性基層開裂的振動荷載頻率、

4、振幅的值。具體內(nèi)容為：
　　 基于元胞自動機演化機理編寫了離散元子程序，首次生成了可以準(zhǔn)確控制其固相、液相、氣相組成比例的不規(guī)則顆粒數(shù)值仿真模擬體。針對振動壓實中的顆粒組構(gòu)的變化，提出了離散元數(shù)值模擬中細(xì)觀參數(shù)的確定方法，通過核磁共振試驗，驗證了該細(xì)觀參數(shù)確定方法的合理性與正確性。表明了離散元在顆粒材料的研究中具有其它數(shù)值方法和實驗手段所不具備的優(yōu)越性。
　　 針對含有固、液、氣三相的道路散體顆粒，從顆粒的微觀結(jié)構(gòu)入手，

5、研究了振動壓實對材料組構(gòu)和力學(xué)性能演化的影響。數(shù)值計算結(jié)果表明：干顆粒，通過滑移、旋轉(zhuǎn)而重新排列不斷向著新的結(jié)構(gòu)狀態(tài)轉(zhuǎn)化，直至出現(xiàn)與振動荷載處于動態(tài)平衡的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。被壓實材料中，水起到了潤滑的作用。在最佳含水量下，顆粒更易于滑移、旋轉(zhuǎn)而重新排列形成新的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。動態(tài)平衡下，顆粒和水形成“渦”結(jié)構(gòu)進行消能。
　　 由于振動壓實顆粒頻繁發(fā)生自組織，整體的塑性變形與法向正應(yīng)力具有線性關(guān)系，表明不規(guī)則顆粒材料整體力學(xué)響應(yīng)卻遵循著應(yīng)變相似

6、性的規(guī)律，說明了細(xì)觀力學(xué)性能的增長具有分形特征。這樣也為分形幾何學(xué)研究復(fù)雜顆粒體動態(tài)力學(xué)機理提供了保障，使分形幾何的嚴(yán)格數(shù)學(xué)推導(dǎo)有了力學(xué)演化機理上的證明。
　　 振動壓實過程中，振動荷載引起的有效壓實區(qū)域由豎向長軸的橢圓，逐步演化為水平向長軸的橢圓。隨著密實度的提高，振動荷載的擴散角漸漸變大，振動壓實過程中振動應(yīng)力的擴散角由初始的22.24°～26.57°，擴散到振動壓實動平衡狀態(tài)下的68.72°～72.92°。振動荷載的豎向傳

7、遞深度隨著密實度的增加，逐漸減小，水平傳遞范圍隨著密實度的增加逐漸擴大。運用激光全息光彈法試驗和焦散線法試驗驗證了本論文離散元模擬結(jié)果的正確可靠。
　　 由于半剛性基層抗開裂的力學(xué)參數(shù)與其內(nèi)部級配顆粒的空間分布密切相關(guān)。每一點的抗開裂強度的高低也具有離散型，振動施工荷載和抗開裂強度在空間上是高度非線性的。所以本文采用半剛性基層抗開裂強度為1.32MPa的單值參數(shù)，是簡化了結(jié)果。從目前研究的深度上，還不能準(zhǔn)確判斷高速公路施工中，面