基于多层次结构与内力分析的沥青混凝土结构力学研究方法

In Highway Engineering,fewer attendtions have been paid on fundamental and theoretical research. As a result, there is still no theory of mechanics available for guiding asphalt concrete stuctural design and performance evaluation. Based on X-ray CT imaging techniques and discrete element modeling approaches, this proposal herein presents an innovative research approach for studying structural mechanics of dense-graded asphalt concrete materials through multi-level structural and internal force analysis.Through this research, parameters will be proposed for quantifying or evaluating asphalt concrete structure at a mesoscopic level. Additionally, structural and inputted material parameters will be linked to the overall performance indicators of asphalt concrete. Finally, frame-work for studying asphalt concrete structural mechanics will be formed and a mechanics-based asphalt concrete structural design method will be developed through this research. The methods, models, programs, and recorded research findings will be provided as the final deliverables. The research findings will directly improve the fundamental understandings of asphalt concrete materials, accelerate the development of the final version of the asphalt concrete structural mechanics, and provide an innovative research approach for solving complex engineering and scientific problems.

在道路工程领域，基础理论方面的研究相对薄弱，还未有专门的力学理论用于指导沥青混凝土结构设计与性能评价。本项目研究结合X-ray CT图像和离散元数值模拟技术，以典型密级配沥青混凝土为研究对象，多层分析沥青混凝土的细观结构特征与内力情况，提出量化沥青混凝土细观结构的特征参数，建立结构特征参数及材料参数与对应的宏观目标行为力学参数之间的关系，并最终形成研究沥青混凝土结构力学的方法体系，提出指导沥青混凝土结构设计的力学方法，提交多层沥青混凝土结构与内力分析的方法、模型、程序、及结果。研究成果直接影响人们对沥青混凝土材料的基本认知，促进沥青混凝土结构力学理论的发展，为解决复杂科学与工程问题提供新思路。

沥青混凝土是道路工程建设的重要材料，其结构由不同粒径的集料、沥青和空隙组成，且各组分在混合料中扮演的角色差异较大。本项目研究结合X-ray CT图像和离散元数值模拟技术，以典型密级配沥青混凝土为研究对象，多层分析沥青混凝土的细观结构特征与内力情况，提出量化沥青混凝土细观结构的特征参数，建立结构特征参数及材料参数与对应的宏观目标行为力学参数之间的关系。主要研究内容与成果包括：（1）通过文献评述，分析了现有研究方法的优点与局限性，并制定详细研究大纲；（2）通过X-ray CT图像分析,获取集料形态特征、混合料内部接触类型以及划分基本单元和组合单元；（3）基于PFC5.0 Suite开发用于沥青混凝土结构内力分析的虚拟实验程序，进行了基本结构元件、组合结构元件、沥青混凝土混合料的虚拟实验研究，分析了细观参数对宏观性能的影响，得到了预测沥青混凝土劲度模量的模型；（4）利用集料的X-ray CT图像处理结果，开发基于图像的沥青混凝土结构重构模型； （5）研究了离散元虚拟实验参数及敏感性，得出交通荷载组成和离散单元尺寸大小对虚拟实验结果的影响。本项目研究成果一方面从细观角度剖析沥青混凝土结构组成与力学行为之间的关系，提高人们对混凝土材料的认知，为混凝土结构力学理论发展奠定基础；另一方面在虚拟实验与分析过程中，解决了虚拟实验中的关键技术问题，为基于离散单元方法的沥青混凝土虚拟实验研究增添新内容。