论文总字数：29827字

摘 要

水泥稳定碎石作为半刚性基层常用的材料，其性能一直是研究者关注的重点。采用离散元方法对路面基层材料开裂模拟，能准确模拟材料在三轴试验下，裂缝萌生、扩展的全过程。本文通过借鉴沥青混合料离散元开裂模拟的试验分析方法，调整相关细观参数，对水泥稳定碎石材料开裂进行模拟分析。利用颗粒流理论，进行以下研究：

1、本文根据半圆弯曲试件建立模型，利用PFC2D随机生成骨料，构建集料-砂浆、集料-集料、砂浆-砂浆的接触模型，建立材料的细观数值模型。

2、通过三轴试验，给出试件的破坏过程和荷载-位移曲线。将数值模拟结果与室内试验结果进行对比分析，为数值模拟结果的正确性提供了依据。

3、通过调整相关参数，分析了颗粒细观参数的改变对材料宏观力学行为的影响，建立了材料宏观参数和细观参数之间的关系。

关键词：水稳碎石材料，细观参数，离散元，裂缝，数值模拟。

Abstract

The performance of cement stabilized macadam as a commonly used semi rigid base course has always been the focus of researchers' attention. The discrete element method is used to simulate the cracking of the pavement base material, which can accurately simulate the whole process of crack initiation and propagation under the three axis test. Based on the experimental analysis method of the discrete element cracking simulation of asphalt mixture, the related meso parameters are adjusted to simulate the cracking of the cement stabilized macadam material.

1.Based on the model of semicircular bending test, the contact model of aggregate mortar, aggregate - aggregate and mortar - mortar is constructed by PFC2D randomly generation of aggregate, and a mesoscopic numerical model of material is established.

2.Through the three axis test, the failure process and load displacement curve of the specimen are given. The results of numerical simulation and laboratory tests are compared and analyzed, which provides a basis for the correctness of numerical simulation results.

3. By adjusting the related parameters, the influence of the change of the fine parameters on the macroscopic mechanical behavior of the material is analyzed, and the relationship between the macroscopic parameters of the material and the mesoscopic parameters is established.

Key words: Cement stabilized macadam; Mesoscopic parameters；Discrete element; Crack; Numerical simulation

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 3

1.1 课题来源及研究的背景和意义 3

1.2 国内外研究现状 3

1.2.1 路面材料开裂性能测试 3

1.2.2 混凝土细观力学数值模型研究 4

1.2.3 离散单元法的发展 4

1.3 研究主要内容 5

第二章 离散元方法的基本原理 6

2.1 离散元方法的基本思想 6

2.2 离散元方法的基本假设 6

2.3 离散元方法的基本特点 6

2.4 离散元方法求解步骤 6

2.5 颗粒流方法的基本方程 7

2.5.1 力-位移定律 8

2.5.2 运动定律 10

2.6 离散元方法物理参数的确定 12

2.6.1 时步的确定 13

2.6.2 微分密度缩放比例 13

2.6.3 机械阻尼 13

2.7 颗粒流方法的接触模型 14

2.7.1 接触刚度模型 14

2.8 PFC中的Clump理论 16

2.9 本章小结 16

第三章 模型建立方法和细观参数的确定 17

3.1.1 砂浆内部接触处的刚度模型 17

3.1.2 集料内部、相邻集料间接触处的刚度模型 18

3.1.3 集料和砂浆间接触处的刚度模型 18

3.2 刚度模型参数的确定 20

3.2.1 砂浆、界面的接触模型参数 21

3.3 数值模型的建立 21

3.3.1 墙体的生成 21

3.3.2 颗粒的生成 22

3.3.3 细观参数的取值 22

3.3.4 三轴试验的模拟 23

3.4 本章小结 24

第四章 数值模拟结果分析与验证 25

4.1 数值模型验证 25

4.2 接触力链特性的数值模拟研究 28

4.3 颗粒位移云图的数值模拟研究 29

4.4 颗粒速度云图的数值模拟研究 29

4.5 本章小结 30

第五章 参数对模型计算结果的影响 32

5.1.1 摩擦系数的影响 32

5.1.2 弹性模量的影响 32

5.2 加载条件的影响 33

5.2.1 泊松比的影响 34

5.3 本章小结 35

第六章 结论与展望 36

6.1 工作结论和总结 36

6.2 主要创新点 36

6.3 工作展望 36

参考文献 37

致谢 39

绪论

课题来源及研究的背景和意义

随着近些年交通事业的不断发展，我国我在公路建设方面取得了引人注目的进步。然而，由于当前国民经济的蓬勃发展，公路交通量开始有逐渐朝着重型化方向过渡的趋势，导致车辙、裂缝、麻面、露骨等病害现象在路面运营前期就会开始发生。裂缝作为最常见、发生最早的路面病害之一，一直以来都是路面养护的重点。裂缝的出现会使车辆在行驶的过程中发生颠簸的现象，增加了行驶的风险，影响了路面的美观。并且如果不及时进行维修养护处理，会使裂缝进一步延伸，从而使路面完全损坏，丧失路用性能。如何通过改善设计方法和控制指标，增强路面基层的抗开裂能力，提升路面使用性能，已成为我国公路建设急需解决的问题。

现阶段我国路面基层多为半刚性基层，水泥稳定碎石作为一种经济性和实用性较好的材料，得到了普遍采用。水泥稳定碎石的压实度和密实度相接近，因此材料间的阻力会阻止路面在行车荷载的作用下产生的形变。水泥稳定碎石的强度虽然在路面使用前期不大，但随着使用时间的增加，其强度也随着龄期的增加而增加。但水泥稳定碎石材料的缺点就是抗变形能力低、脆性大，在行车荷载的作用下，会产生开裂的现象，进而导致路面基层开裂影响路面的使用性能。

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