集料骨架結構細觀模擬分析

摘要：目前國內廣泛使用的基于馬歇爾試驗的瀝青路面設計方法，主要對在瀝青混合料中占90%以上體積的集料進行設計，并沒有提出一個完善的設計方法，以指導集料的優化設計。鑒于此，應用細觀力學方法定量預估單一粒徑集料和骨架空隙型混合料的細觀力學性能。對粗細兩種骨架空隙型混合料的細觀力學性能進行對比研究，提出一種快捷、可靠的新型集優化設計方法，以期指導瀝青混合料的設計施工。

關鍵詞：集料；離散元；細觀分析

中圖分類號：U414 文獻標志碼：A 文章編號：1000-8772（2013）01-0210-02

引言

國內瀝青路面設計主要是基于馬歇爾試驗的體積設計方法，此方法對混合料的空隙率、礦料間隙率、密度等體積指標有明確的要求。然而，國內外研究成果表明，這些體積指標與路面實際路用性能指標間相關性較小，難以直接反應瀝青路面的路用性能，使得設計具有一定的盲目性。

目前國內廣泛使用的瀝青路面設計方法，主要集中在如何增強瀝青的性能，但是對在瀝青混合料中占90%以上體積的集料設計并沒有提出一個完善的設計方法，指導集料的優化設計。本文應用細觀力學方法定量預估瀝青混合料力學性能，不需要復雜試驗便可對集料進行優化設計。

1.離單元法簡介

離散單元法是一種研究顆粒介質材料力學行為的有效工具，能夠從宏觀和微觀兩個層面定量解釋顆粒材料的力學行為。較連續體材料力學，離散單元法更加接近顆粒材料實際，且微觀分析結果可以解釋顆粒復合材料宏觀力學行為的微觀本質，同時可以有效指導顆粒復合材料設計實踐。離散單元法可以很好地反映瀝青混合料的離散本質，有效地模擬瀝青路面中裂縫的產生、發展及內部集料結構之間的接觸、嵌擠及剪切滑移現象。

離散元中各單元遵循牛頓第二運動定律及力一位移關系法則，求解方法有靜態松弛法和動態松弛法兩種。離散單元法時步迭代循環就是重復對每個單元體應用牛頓第二定律、對每一接觸施加力一位移關系，及依邊界條件更新壁位置，并且在迭代過程中自動識別接觸的形成與分離。

2單一粒徑集料結構細觀分析

利用隨機堆積程序模擬單一粒徑的集料體在立方體容器內堆積，初始堆積結構如圖1（a）所示。導入離散元計算程序中，同時對其施加重力荷載的作用，模擬集料在重力場內的重構，最終堆積結構如圖1（b）所示。

接觸力圖中，粗度表示接觸力大小，線段端點表示兩接觸顆粒球心。圖2（a）初始狀態中只有少數顆粒間的接觸力較大，大部分很小，沒有形成穩定的結構。離散元計算后，由于重力作用，產生圖2（h）所示顆粒下落與容器底部接觸而發生接觸力。圖2（c）容器底部的顆粒基本達到平衡狀態。圖2（d）為顆粒系統達到穩定狀態。

3骨架空隙型集料細觀結構分析

為了研究集料級配的細觀結構，取表1所示骨架空隙型集料級配。考慮到236mm以下粒徑細集料對整個混合料的骨架結構幾乎沒有貢獻，其主要作用是填充部分空隙。因此，在模型分析中，不考慮236mm以下細集料的影響。建立混合料級配模型如圖3所示。

為了分析集料骨架的穩定性，使用剛性加載板對模型進行局部加載，整個加載過程加載板勻速運動。記錄接觸面和顆粒之間的受力，用來評價混合料骨架結構的穩定性。

荷載作用下骨架空隙型集料細觀受力示意圖4中，黑色的網狀線表征顆粒間的作用力，其中線條越粗，則作用力越大。對于級配a，骨架結構在豎向荷載的作用下，顆粒間受力分散，向兩側延伸；對于級配b，骨架結構在豎向荷載的作用下，顆粒側向受擠壓作用不明顯，以豎向受壓為主。表明級配b比級配a骨架結構穩定性好。

結語

（1）離散元能從宏觀和細觀兩個層面模擬集料這種散體介質的力學行為。

（2）對粗、細兩種級配的集料骨架結構模型進行局部加載虛擬試驗表明：空隙率和荷載相同時，粗型級配的承載能力高，荷載主要通過骨架結構豎向傳遞，抵抗局部荷載引起的變形能力強，其骨架結構比細級配穩定。

（責任編輯：張娟）