集料骨架結(jié)構(gòu)細(xì)觀模擬分析

摘要：目前國(guó)內(nèi)廣泛使用的基于馬歇爾試驗(yàn)的瀝青路面設(shè)計(jì)方法，主要對(duì)在瀝青混合料中占90%以上體積的集料進(jìn)行設(shè)計(jì)，并沒有提出一個(gè)完善的設(shè)計(jì)方法，以指導(dǎo)集料的優(yōu)化設(shè)計(jì)。鑒于此，應(yīng)用細(xì)觀力學(xué)方法定量預(yù)估單一粒徑集料和骨架空隙型混合料的細(xì)觀力學(xué)性能。對(duì)粗細(xì)兩種骨架空隙型混合料的細(xì)觀力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比研究，提出一種快捷、可靠的新型集優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以期指導(dǎo)瀝青混合料的設(shè)計(jì)施工。

關(guān)鍵詞：集料；離散元；細(xì)觀分析

中圖分類號(hào)：U414 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1000-8772（2013）01-0210-02

引言

國(guó)內(nèi)瀝青路面設(shè)計(jì)主要是基于馬歇爾試驗(yàn)的體積設(shè)計(jì)方法，此方法對(duì)混合料的空隙率、礦料間隙率、密度等體積指標(biāo)有明確的要求。然而，國(guó)內(nèi)外研究成果表明，這些體積指標(biāo)與路面實(shí)際路用性能指標(biāo)間相關(guān)性較小，難以直接反應(yīng)瀝青路面的路用性能，使得設(shè)計(jì)具有一定的盲目性。

目前國(guó)內(nèi)廣泛使用的瀝青路面設(shè)計(jì)方法，主要集中在如何增強(qiáng)瀝青的性能，但是對(duì)在瀝青混合料中占90%以上體積的集料設(shè)計(jì)并沒有提出一個(gè)完善的設(shè)計(jì)方法，指導(dǎo)集料的優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文應(yīng)用細(xì)觀力學(xué)方法定量預(yù)估瀝青混合料力學(xué)性能，不需要復(fù)雜試驗(yàn)便可對(duì)集料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.離單元法簡(jiǎn)介

離散單元法是一種研究顆粒介質(zhì)材料力學(xué)行為的有效工具，能夠從宏觀和微觀兩個(gè)層面定量解釋顆粒材料的力學(xué)行為。較連續(xù)體材料力學(xué)，離散單元法更加接近顆粒材料實(shí)際，且微觀分析結(jié)果可以解釋顆粒復(fù)合材料宏觀力學(xué)行為的微觀本質(zhì)，同時(shí)可以有效指導(dǎo)顆粒復(fù)合材料設(shè)計(jì)實(shí)踐。離散單元法可以很好地反映瀝青混合料的離散本質(zhì)，有效地模擬瀝青路面中裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展及內(nèi)部集料結(jié)構(gòu)之間的接觸、嵌擠及剪切滑移現(xiàn)象。

離散元中各單元遵循牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律及力一位移關(guān)系法則，求解方法有靜態(tài)松弛法和動(dòng)態(tài)松弛法兩種。離散單元法時(shí)步迭代循環(huán)就是重復(fù)對(duì)每個(gè)單元體應(yīng)用牛頓第二定律、對(duì)每一接觸施加力一位移關(guān)系，及依邊界條件更新壁位置，并且在迭代過程中自動(dòng)識(shí)別接觸的形成與分離。

2單一粒徑集料結(jié)構(gòu)細(xì)觀分析

利用隨機(jī)堆積程序模擬單一粒徑的集料體在立方體容器內(nèi)堆積，初始堆積結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。導(dǎo)入離散元計(jì)算程序中，同時(shí)對(duì)其施加重力荷載的作用，模擬集料在重力場(chǎng)內(nèi)的重構(gòu)，最終堆積結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。

接觸力圖中，粗度表示接觸力大小，線段端點(diǎn)表示兩接觸顆粒球心。圖2（a）初始狀態(tài)中只有少數(shù)顆粒間的接觸力較大，大部分很小，沒有形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。離散元計(jì)算后，由于重力作用，產(chǎn)生圖2（h）所示顆粒下落與容器底部接觸而發(fā)生接觸力。圖2（c）容器底部的顆?；具_(dá)到平衡狀態(tài)。圖2（d）為顆粒系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3骨架空隙型集料細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析

為了研究集料級(jí)配的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，取表1所示骨架空隙型集料級(jí)配?？紤]到236mm以下粒徑細(xì)集料對(duì)整個(gè)混合料的骨架結(jié)構(gòu)幾乎沒有貢獻(xiàn)，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(xì)集料的影響。建立混合料級(jí)配模型如圖3所示。

為了分析集料骨架的穩(wěn)定性，使用剛性加載板對(duì)模型進(jìn)行局部加載，整個(gè)加載過程加載板勻速運(yùn)動(dòng)。記錄接觸面和顆粒之間的受力，用來(lái)評(píng)價(jià)混合料骨架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

荷載作用下骨架空隙型集料細(xì)觀受力示意圖4中，黑色的網(wǎng)狀線表征顆粒間的作用力，其中線條越粗，則作用力越大。對(duì)于級(jí)配a，骨架結(jié)構(gòu)在豎向荷載的作用下，顆粒間受力分散，向兩側(cè)延伸；對(duì)于級(jí)配b，骨架結(jié)構(gòu)在豎向荷載的作用下，顆粒側(cè)向受擠壓作用不明顯，以豎向受壓為主。表明級(jí)配b比級(jí)配a骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好。

結(jié)語(yǔ)

（1）離散元能從宏觀和細(xì)觀兩個(gè)層面模擬集料這種散體介質(zhì)的力學(xué)行為。

（2）對(duì)粗、細(xì)兩種級(jí)配的集料骨架結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行局部加載虛擬試驗(yàn)表明：空隙率和荷載相同時(shí)，粗型級(jí)配的承載能力高，荷載主要通過骨架結(jié)構(gòu)豎向傳遞，抵抗局部荷載引起的變形能力強(qiáng)，其骨架結(jié)構(gòu)比細(xì)級(jí)配穩(wěn)定。

（責(zé)任編輯：張娟）