橡胶沥青 路面受力性能的 离散元细观分析

橡胶沥青 路面受力性能的 离散元细观分析

武小丽 1 王乐 2

1. 恒大地产集团呼和浩特有限公司 ; 内蒙古 呼和浩特 010020 2 . 内蒙古自治区公路局 内蒙古 呼和浩特 010020

[摘要]

当前，橡胶沥青路面的早期破坏问题较为普遍，一般达不到设计寿命即发生破坏，其中主要的原因之一是当前的设计方案大多是通过采用唯象方法对沥青混合料的宏观属性进行研究和分析，而现场的工程技术人员在一定程度上还是按照现场施工经验来确定橡胶沥青混合料的材料组成，这就在一定程度上为工程的后期质量埋下了隐患。

本文通过对橡胶沥青路面设计过程中的受力性能表现通过离散元的方法进行细观分析，从而设计出有最佳受力性能和路用状况的设计方案。

[关键词]：离散元；橡胶；弹性；细观分析；

1.概况

在工程实际中，对于沥青混合料而言，即便是使用同一材料和相同级配，其表现出的性能也具有很大的变异性，这就出现了宏观体积指标相近，使用性能差异很大的现象。究其原因，问题在于传统的路面设计方法视沥青混合料均被视为是均匀体，即认为混合料各处性质基本相同，从而忽略了其内部细观结构的复杂多样性。

2.离散元基本理论和方法

2.1基本思想

离散元法的基本思想是把不连续体分离为刚性元素的集合，使各个刚性元素满足运动方程，用时步迭代的方法求解各刚性元素的运动方程，继而求得不连续体的整体运动形态。单元从几何形状上可分为块体元和元两大类^[1-3]。

流方法以牛顿第二定律和力一位移定律为理论基础，采用显式时步循环运算，过程示意图如图2.1所示。

图2.1 流方法计算循环过程示意图

2.2离散单元类型

计算单元的基本形式为圆盘形刚性（2D）或球体（3D），也可以采用块（Clump）或簇（Cluster）的方式进行构成，从而可以形成任意形状的边界，进而可以形成变形的超级椭圆体、块体和不规则形状体等都可被表征的几何形态。一般来说，离散单元的排列形式是杂乱无章，没有规律可循的，而且每个结构单元的形状、大小乃至材料的力学性质都是不一样的。一般在实际运用中，我们通常使用连接于单元间的变形元件，如弹簧、粘壶、摩擦元件等形式来表征单元之间的相对位移和变形状态等，通过使用各种物理性质截然不同的连接方式进行组合，就能够表示出比较复杂的，形式多样的本构关系^[4-6]，如图2.2所示。

图2.2 离散单元形式示意图

3.离散元模拟分析

为消除各结构间的初始不平衡力，我们在研究过程中要对以上模型通过固定循环步的方法使其达到初始平衡状态，然后在模型上的对应区域施加轮载作用力。为防止个别轮载在模拟的过程中发生漂移，影响试验效果。

图3.1、3.2分别为整个系统达到平衡时的接触力局部放大图。接触力线条的粗细表示接触力的大小，线条越粗表示接触力越大，红色表示拉力，黑色表示压力。图示的橡胶沥青混合料中的黄色表示橡胶，普通沥青混合料中的橙色表示将橡胶还原为石料。

图3.1 接触力局部放大图

图3.2 接触力局部放大图

按照上图分析可以得出，对于橡胶沥青混合料，间断级配与连续级配相比，虽然间断级配混合料中的橡胶基本不参与力链构成，但其内部粗骨料较多，构成骨架嵌挤结构，形成主要传力路径，所以路面承载能力和强度较高；而对于连续级配混合料，虽然有部分橡胶参与力链的构成，但主要传力路径还是由不同粒径的粗细骨料构成，而其内部粗骨料相对较少，造成路面承载能力和强度较间断级配要差。

（2）变形分析

离散元法用之间的位置重叠量表示发生变形的大小程度，通过混合料的局部放大图3.1、3.2可以看出，对于橡胶沥青混合料来说，无论是间断级配还是连续级配，混合料中黄色橡胶都有明显的重叠现象存在，而蓝色骨料部分几乎无明显的重叠现象，这是因为橡胶强度低，弹性大，在荷载作用下会发生较大变形，石料与橡胶相比强度要大很多，变形能力差，在荷载作用下不会发生较大变形。

4 主要结论

1．系统分析橡胶的形状、硬度及含水量对混合料性能的影响，对混合料压实特性、体积特性、抗飞散性能、弹性变形性能以及橡胶各项技术性质对混合料性能的影响进行深入研究，提出适用于沥青混合料的橡胶的各项具体技术指标。

2．采用基于随机抽样原理的细观建模方法建立混合料的离散元细观模型，系统分析了橡胶沥青混合料和普通沥青混合料的离散元细观模型，比较分析其承载能力和变形能力。分析显示较普通混合料相比橡胶沥青混合料变形能力增大，承载能力下降，实际使用过程中宜按照实际情况酌情选择。

5.参考文献

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