集料骨架结构细观模拟分析

摘要：目前国内广泛使用的基于马歇尔试验的沥青路面设计方法，主要对在沥青混合料中占90%以上体积的集料进行设计，并没有提出一个完善的设计方法，以指导集料的优化设计。鉴于此，应用细观力学方法定量预估单一粒径集料和骨架空隙型混合料的细观力学性能。对粗细两种骨架空隙型混合料的细观力学性能进行对比研究，提出一种快捷、可靠的新型集优化设计方法，以期指导沥青混合料的设计施工。

关键词：集料；离散元；细观分析

中图分类号：U414 文献标志码：A 文章编号：1000-8772（2013）01-0210-02

引言

国内沥青路面设计主要是基于马歇尔试验的体积设计方法，此方法对混合料的空隙率、矿料间隙率、密度等体积指标有明确的要求。然而，国内外研究成果表明，这些体积指标与路面实际路用性能指标间相关性较小，难以直接反应沥青路面的路用性能，使得设计具有一定的盲目性。

目前国内广泛使用的沥青路面设计方法，主要集中在如何增强沥青的性能，但是对在沥青混合料中占90%以上体积的集料设计并没有提出一个完善的设计方法，指导集料的优化设计。本文应用细观力学方法定量预估沥青混合料力学性能，不需要复杂试验便可对集料进行优化设计。

1.离单元法简介

离散单元法是一种研究颗粒介质材料力学行为的有效工具，能够从宏观和微观两个层面定量解释颗粒材料的力学行为。较连续体材料力学，离散单元法更加接近颗粒材料实际，且微观分析结果可以解释颗粒复合材料宏观力学行为的微观本质，同时可以有效指导颗粒复合材料设计实践。离散单元法可以很好地反映沥青混合料的离散本质，有效地模拟沥青路面中裂缝的产生、发展及内部集料结构之间的接触、嵌挤及剪切滑移现象。

离散元中各单元遵循牛顿第二运动定律及力一位移关系法则，求解方法有静态松弛法和动态松弛法两种。离散单元法时步迭代循环就是重复对每个单元体应用牛顿第二定律、对每一接触施加力一位移关系，及依边界条件更新壁位置，并且在迭代过程中自动识别接触的形成与分离。

2单一粒径集料结构细观分析

利用随机堆积程序模拟单一粒径的集料体在立方体容器内堆积，初始堆积结构如图1（a）所示。导入离散元计算程序中，同时对其施加重力荷载的作用，模拟集料在重力场内的重构，最终堆积结构如图1（b）所示。

接触力图中，粗度表示接触力大小，线段端点表示两接触颗粒球心。图2（a）初始状态中只有少数颗粒间的接触力较大，大部分很小，没有形成稳定的结构。离散元计算后，由于重力作用，产生图2（h）所示颗粒下落与容器底部接触而发生接触力。图2（c）容器底部的颗粒基本达到平衡状态。图2（d）为颗粒系统达到稳定状态。

3骨架空隙型集料细观结构分析

为了研究集料级配的细观结构，取表1所示骨架空隙型集料级配。考虑到236mm以下粒径细集料对整个混合料的骨架结构几乎没有贡献，其主要作用是填充部分空隙。因此，在模型分析中，不考虑236mm以下细集料的影响。建立混合料级配模型如图3所示。

为了分析集料骨架的稳定性，使用刚性加载板对模型进行局部加载，整个加载过程加载板匀速运动。记录接触面和颗粒之间的受力，用来评价混合料骨架结构的稳定性。

荷载作用下骨架空隙型集料细观受力示意图4中，黑色的网状线表征颗粒间的作用力，其中线条越粗，则作用力越大。对于级配a，骨架结构在竖向荷载的作用下，颗粒间受力分散，向两侧延伸；对于级配b，骨架结构在竖向荷载的作用下，颗粒侧向受挤压作用不明显，以竖向受压为主。表明级配b比级配a骨架结构稳定性好。

结语

（1）离散元能从宏观和细观两个层面模拟集料这种散体介质的力学行为。

（2）对粗、细两种级配的集料骨架结构模型进行局部加载虚拟试验表明：空隙率和荷载相同时，粗型级配的承载能力高，荷载主要通过骨架结构竖向传递，抵抗局部荷载引起的变形能力强，其骨架结构比细级配稳定。

（责任编辑：张娟）