沥青混合料单轴贯入抗剪试验的细观分析

沥青混合料单轴贯入抗剪试验的细观分析

作者：颜可珍葛冬冬游凌云

来源：《湖南大学学报·自然科学版》2015年第05期

摘要：单轴贯入试验可以有效地测试沥青混合料的剪切强度，通过建立沥青混合料单轴贯入试验的颗粒流模型，分析了沥青混合料的抗剪作用机理.基于颗粒流的细观机理，采用离散元技术对沥青混合料单轴贯入试验进行细观模拟，得到了沥青混合料单轴贯入时的应力应变曲线变化规律，并将模拟结果进行了验证，揭示了沥青混合料单轴贯入试验的细观机理.分析了贯入速率、压头直径及试件尺寸等对试验结果的影响规律，在此基础上提出了合适的试验技术参数，为贯入试验提供技术参考.结合单轴贯入试验和无侧限抗压强度试验，提出了基于离散单元法确定沥青混合料抗剪参数的方法，并为采用细观分析方法探究混合料性能提供了一种思路.

关键词：道路工程;单轴贯入试验;离散单元法;沥青混合料;模拟

中图分类号：U414 文献标识码：A

MicroscopicAnalysisofAsphaltMixture

UniaxialPenetrationShearTest

YANKezhen，GEDongdong，YOULingyun

（CollegeofCivilEngineering，HunanUniv，Changsha，Hunan410082，China）

Abstract：Uniaxialpenetrationexperimentscantesttheshearstrengthofasphaltmixtureeffectively.Inthispaper，theshearmechanismofasphaltmixturewasanalyzedbyestablishingaparticleflowmodelofasphaltmixtureun iaxialpenetrationtest.Basedonthemicroscopicmechanismofparticleflow，thispaperuseddiscreteelementtechniquetomicroscopicallysimulatetheuniaxialpenetrationtestofasphaltm ixture.Thestressstraincurveofthemixturewasobtained，thesimulationresultswerevalidated，andthen，themicroscopicmechanismoftheasphaltmixtureintheuniaxialpenetrationtestwasrevealed.Thispaperanaly zedtheeffectofthepenetrationrate，pressureheaddiameterandspecimensizeonthetestresultsandproposedappropriatetesttechnicalparameters basedonthis，

binedwithuniaxialpenetrationtestandunconf inedcompressivestrengthtest，amethodbasedondiscreteelementmethodtodeterminetheasphaltmixtureshearparameterswasproposed.A methodwasprovidedtoexplorethepropertiesofasphaltmixturebyadoptingthemicromechanicalanalysisme thod.

Keywords：

pavementengineering;uniaxialpenetrationtest;discreteelementmethod;asphaltmixtures;simulation

近年来，中国沥青路面早期破坏现象较为严重，车辙已成为沥青路面的主要病害之一.车

辙主要是由于沥青混合料在剪应力作用下产生塑性流动的结果，在轮载作用下，路面面层产生较大的水平剪应力，特别在高温环境下沥青混合料的抗剪能力下降，使沥青路面容易出现较为严重的车辙现象[1].然而，目前中国的沥青路面设计尚未很好地考虑这种剪切破坏，也无明确的沥青混合料抗剪强度测试方法.沥青混合料抗剪强度的确定主要是利用经验的设计方法或三

轴试验.有研究表明，三轴试验的应力分布与实际路面有一定差异，且试验过程较为复杂.毕玉峰等[2]提出了利用单轴贯入试验测定沥青混合料抗剪切特性的方法，该试验试件内剪应力分

布与实际路面在车载作用下的剪应力分布相似，试验过程中压头周边材料对压头下圆柱体形成侧向水平约束，试件破坏意味着约束的破坏，反映了沥青混合料抗剪强度的形成机理.该方法

虽然从宏观上获得沥青混合料的剪切强度，但沥青混合料的贯入强度机理尚不十分明确，贯入过程中混合料颗粒间的相互作用有待进一步深入研究.

基于颗粒流的离散单元法是近年发展起来的细观数值分析方法，在模拟沥青混合料性能方面得到了较为广泛的应用，成功地克服了有限元法不能反应颗粒间相互作用的缺陷.You等[3-4]采用离散单元法研究沥青混合料的粘弹性特性.Wu等[5]应用离散单元法成功模拟了了理想沥青混合料的等速率应变压缩试验.Liu等[6]采用离散元程序模拟了沥青混合料的重复加载试

验.Mahmoud等[7]用离散元方法研究了集料性质和内部结构对沥青混合料性能的影响.冯师蓉等[8]用离散元模拟了沥青混合料的蠕变过程.王端宜等[9]用离散元模拟了沥青混合料的单轴压缩过程.汪海年等[10]研究了橡胶热再生混合料低温性能的细观特征.离散单元法为研究沥青混合

料的细观行为提供了一种新的思路，鉴于此，本文将基于颗粒流原理对沥青混合料单轴贯入试验进行细观模拟，从细观上研究沥青混合料单轴贯入的试验条件影响，并结合无侧限抗压强度试验结果提出基于离散单元法确定混合料抗剪参数的方法，为确定沥青混合料的抗剪强度提供技术指导.

1离散元基本理论

离散单元法（DiscreteElementMethod，DEM）是研究非连续介质力学行为的一种计算方法，它的基本原理是将散粒体离散成独立单元的集合，利用牛顿第二定律建立每个单元的运动方程，再用动态松弛法迭代求解，从而求得散粒体的整体运动形态.

1.1模型假设

颗粒流（ParticleFlowCode，PFC）是简化的离散元方法，它通过模拟圆形颗粒的运动及其相互作用来研究颗粒介质的特性.该方法在模拟过程中作了如下假设：①颗粒单元为刚性体;②接触发生在很小的范围内，即点接触;③接触特性为柔性接触，接触处允许有一定的重叠;④重叠量与接触力有关，与颗粒尺寸相比，重叠量很小;⑤接触处允许粘结存在;⑥颗粒单元为圆形.