基于离散元方法的沥青混凝土断裂机理分析_陈俊.pdf

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1、第37卷第2期北京工业大学学报Vol．37No．22011年2月JOURNALOFBEIJINGUNIVERSITYOFTECHNOLOGYFeb．2011基于离散元方法的沥青混凝土断裂机理分析陈俊，黄晓明(东南大学交通学院，南京210096)摘要:为了从细观角度深入分析沥青混凝土的断裂机理，根据概率理论，建立了集料质量级配与二维数量级配的关系，并通过计算机随机投放技术生成了具有2种不同沥青膜厚度的沥青混合料二维数字试件;利用离散元方法，模拟了沥青混合料小梁试件的断裂过程，分析了沥青砂浆抗拉强度、砂浆与集料黏结强度和沥青膜厚度对沥青混合

2、料断裂过程的影响．结果表明:对于沥青膜较厚的沥青混合料而言，起裂阶段和扩展阶段的裂纹主要出现在沥青砂浆中，沥青砂浆的抗拉强度是影响混合料断裂的主要因素;当沥青膜较薄时，起裂和扩展阶段的裂纹在沥青砂浆内部和砂浆与集料界面中都有发现，砂浆抗拉强度决定着混合料的破坏应力和应变，砂浆与集料的黏结强度决定着混合料裂纹扩展的速率．关键词:沥青混凝土;断裂机理;离散元;沥青膜;抗拉强度;黏结强度中图分类号:U414文献标志码:A文章编号:0254－0037(2011)02－0211－06沥青混凝土作为道路工程中广泛使用的一种材料，其力学行为尤其是断裂

3、力学性能与机理一直都是道路工作者研究的重要课题．以往的研究集中在采用宏观的试验现象法研究混合料级配、沥青种类和性［1］能等因素对其断裂性能的影响方面，或者采用有限元方法数值分析混凝土试件的断裂过程．然而，由于混合料为复合材料，其力学行为受自身细观结构的影响很大，因此，宏观的试验现象法并不能很好地解释［2］混合料的断裂机理;同时，常规的有限元方法也不能很好地模拟混合料断裂的变形问题．近年来，离散元方法因具有适合模拟材料大变形问题等优点，在道路材料性能的分析方面显示了广阔［3-5］的前景．You于2003年采用PFC2D测试了沥青混合料的模

4、量，并认为其与室内试验结果相符，Ab-［6］bas在2004年曾采用PFC2D软件模拟了沥青混合料的劈裂试验和单轴压缩试验，也获得了与室内试验结果相符的结论．但是，如何把离散元方法运用到沥青混凝土断裂性能的分析中，以及从细观角度分析混凝土的断裂机理，目前尚未见任何报道．为此，作者以沥青混凝土二维数字试件的获取为基础，把沥青混合料看作是沥青砂浆、集料构成的复合材料，采用离散元颗粒流程序，分析沥青砂浆抗拉强度、砂浆与集料黏结强度和沥青膜厚度对沥青混凝土断裂过程的影响，据此研究沥青混凝土的断裂机理．1沥青混凝土二维数字试件的获取1.1数字试件

5、级配的确定为了便于运用概率理论，假定集料为球体，则对于任一直径为di的球形集料被某平面相切得到直径为dj平面圆，其概率为P(Dc=dj

6、Ds=di)(1)式中，Ds为球体的直径;Dc为对球体切割得到的平面圆直径．根据概率理论，可以得出收稿日期:2008-06-09．基金项目:国家“八六三”计划资助项目(2006AA11Z110);江苏省普通高校研究生科研创新计划资助项目(CX07B_156Z)．作者简介:陈俊(1981—)，男，江苏扬中人，博士研究生．212北京工业大学学报2011年P(Dc=dj)=∑P(Ds=di)·P(Dc=dj

7、

8、Ds=di)(2)式中，P(Dc=dj)为等效直径dj的平面圆在单位面积的混合料截面内出现的概率，可由数字图像技术求得;P(Ds=di)为混合料内部所有集料中，当量直径为di的球形出现的概率，即体积比，当混合料中粗细集料密度相差不大时，可以把体积比理解为质量比，可转化为各级集料的通过率或混合料级配．由式(2)不难看出，由混合料级配P(Ds=di)推测截面级配P(Dc=dj)，需要解决的关键问题是P(Dc=dj

9、Ds=di)的求解．［7］［8］根据陆秀峰和黄碧霞等人的研究，在球形骨料假设条件下，如果将二维截面上所有截面圆按照直径分为m组，

10、直径为dj～dj+1的第j组截面圆出现的频率为N(Dc=dj)，三维骨料按照直径分为n组，直径为di～di+1的第i组骨料出现的频率N(Ds=di)，两者存在如下关系nN(Dc=dj)=2Δ∑kjiN(Ds=di)(3)i=jRmax式中，Δ为组距，Δ=;kji为第i组集料对形成第j组截面圆的贡献量，也就是P(Dc=dj

11、Ds=di)在多级n粒径下的数学表达．但是，由于二维级配本质为集料数量通过率，因此参照式(3)，作者提出混合料单位体积内各档集料数量与其截面单位面积上各档集料数量的关系式nM(Dc=dj)=2Δ∑kjiM(Ds=di)

12、(4)i=j［7］根据体视学理论，参照戈德史密斯－克鲁兹－奥里夫法，有kji=0(j≠i，j＞i)(5)221/21/2kji=［(i－1/2)－(j－1)］=(i－3/4)(i=j)(6)221/221/