CN112131805A - 基于离散元方法的双层多孔沥青路面排水特性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于离散元方法的双层多孔沥青路面排水特性分析方法，属于双层多孔沥青路面排水特性技术领域。本发明借助离散元仿真技术解决连续介质路面模型难以表征集料不规则几何形状、表面纹理，以及多孔沥青路面中粘附力、粘弹塑性、孔隙细观结构、上下面层之间排水性能相互影响的问题。本发明主要通过离散元软件建立双层多孔沥青路面的模型并与流体动力学软件进行耦合计算，分析得到双层多孔沥青路面排水特性规律。本发明可较好的表现集料不规则几何形状、沥青粘附力以及混合料的颗粒性、粘弹塑性，有效模拟排水沥青混合料作为粗集料、细集料与沥青胶结料构成的沥青砂浆、空隙三相结构，有助于提高模型及排水特性研究准确度。

Description

基于离散元方法的双层多孔沥青路面排水特性分析方法

技术领域

本发明是一种基于离散元方法的双层多孔沥青路面排水特性分析方法，属于双层多孔沥青路面技术领域。

背景技术

沥青混凝土路面等散体或颗粒材料在自然界和工程中较普遍，过去常用宏观的连续体力学理论分析散体材料，上述散体特征常与均匀、连续等假定冲突，导致理论模型分析结果与实际的偏大。随着计算机技术的进步出现了计算散体力学领域中新的数值方法，即离散元法、建模及离散元仿真技术(EDEM)，在该基础上离散元法与其它数值分析方法相结合。基于沥青路面研究的分析方法由连续介质模型向非连续介质模型转变。对于交通土建领域，试验分析是必要且关键的环节，而用颗粒流离散元思想，用数值模拟试验的新方法可以去解决传统试验造价高，试验操作繁琐复杂，材料本构模型复杂等难题，并且可以精确参数值，对于深入、精确研究双层多孔沥青路面排水特性有积极影响。

连续介质力学的最基本假设是“连续介质假设”，即认为真实的流体和固体质点在空间上可以近似看作连续的由充满整个空间的介质组成物质的宏观性质依然服从牛顿力学定律。这一假设忽略物质的具体微观结构(对固体和液体微观结构研究属于凝聚态物理学的范畴)。沥青混合料的力学分析大多借助连续均匀介质的方法，而连续介质模型适用于分析和研究密集颗粒***在准静态条件下***内部的力学特性，该模型并未考虑***内各组成介质的微细观结构信息。因此基于连续介质方法和模型在分析双层多孔沥青路面排水特性时无法得到合理的结果，无法揭示沥青混合料微观结构与排水特性之间的关系。此外，沥青混凝土路面的设计采用层状体系理论，并假设各层由均质、各向同性的弹性材料组成，材料的力学性能服从胡克定律，层间接触面完全连续，与沥青混合料实际状态所表现出的颗粒性、粘弹塑性不符。沥青混合料由形态上表现为颗粒物质的集料形成骨架，从质量和体积上集料颗粒在沥青混合料组成中均处于主导地位，而大量的试验观测和数值模拟发现颗粒物质体系具有对外界作用的敏感性、非线性响应、自组织行为等特性，与连续介质理论和宏观表象结果存在本质的区别。

近年来发展的离散元法(DEM)可以表征物质的不规则和不连续性，擅长于颗粒类材料的力学分析，可较好好地反映材料的内部结构，对于具有材料非均质性、力学各向异性、内部结构非连续性特点的沥青混合料，可以考虑集料形状的不规则性、集料与砂浆之间刚柔接触问题以及沥青混合料内部不连续的应力场，适合于沥青混合料在细观结构方面的模拟排水沥青混合料作为粗集料、细集料与沥青胶浆构成的沥青砂浆、空隙三相构成的典型的多相复合材料，可以通过离散元法利用许多不同尺寸的重叠球形成类似于实际压载颗粒的复杂块状模拟粗集料颗粒的形状特征，外观上离散元生成的虚拟集料形态与实际集料具有良好的相似性，集料的纹理可通过设置相应的摩擦系数实现。

目前大多数方法通常借助连续介质模型对双层多孔沥青路面加以分析，该方法忽视了双层多孔沥青路面各组成介质的微细观结构信息。由于排水的需要，排水沥青混合料中粗集料相对较多，空隙率一般为20％左右，这意味着排水沥青混合料内部拥有大量的细观孔隙结构。若以连续介质模型加以分析，结果不准确，无法揭示沥青混合料细观结构与排水特性之间的关系，并且难以对双层多孔沥青路面上、下面层设计参数对排水特性的影响进行分析。同时，沥青路面设计采用层状体系理论，路面各层视为由均质、各向同性的材料，未考虑沥青混合料实际状态所表现出的颗粒性、粘弹塑性。

本方法在离散元仿真软件中导入集料的三维结构边界模型，并利用球形颗粒对三维结构模型进行填充，外观上离散元生成的虚拟集料形态与实际集料具有良好的相似性，集料的纹理通过设置摩擦系数实现。同时，通过“bonding”模型借助“boned”键表征沥青胶结料的粘附力，较好地表征沥青混合料实际状态下的颗粒性、粘弹塑性。虚拟集料间的空隙能够较好的模拟排水沥青混合料间的细观结构。与连续介质模型相比，本方法基于离散元模型实现了实际状态下双层多孔沥青路面的细观结构高精度还原，提高了双层多孔沥青路面排水特性分析方法精确性。

发明内容

(1)技术问题

本发明目的是提供一种基于离散元方法的双层多孔沥青路面排水特性分析方法。本发明借助离散元仿真技术解决连续介质路面模型难以表征集料不规则几何形状、表面纹理、多孔沥青路面中粘附力、粘弹塑性、孔隙细观结构、双层多孔沥青路面上下面层之间排水性能相互影响的问题，为双层多孔沥青路面排水特性分析提供新思路。

(2)技术方案

为了解决连续介质方法和模型在分析双层多孔沥青路面排水特性时分析结果不准确的问题，本发明目的是提供一种基于离散元方法的双层多孔沥青路面排水特性分析方法。采用技术方案如下：首先，对双层多孔沥青路面的上、下面层进行配合比设计，通过参数标定试验得到集料属性参数。构建不同粒径粗、细集料模型并利用颗粒对其进行填充，生成不同粒径粗、细集料实体。采用粗、细集料实体对路面几何模型进行填充，通过压实板对已填充的三维颗粒进行挤压至上下层设计空隙率。通过单轴压缩模拟试验、间接拉伸模拟试验确定单位单位面积法向刚度、单位面积剪切刚度、临界法向应力、临界剪切应力以及接触半径。将生成的双层多孔沥青路面离散元模型导入计算流体动力学软件中进行计算，依据计算结果分析双层多孔沥青路面上、下面层设计参数对排水特性的影响。

(3)有益效果

过去常用基于连续介质力学和连续介质路面模型加以研究，连续介质力学中认为真实的流体和固体质点在空间上可以近似看作连续的，连续介质模型适用于分析和研究密集颗粒***在准静态条件下***内部的力学特性，连续介质模型并未考虑***内各组成介质的微细观结构信息。EDEM可较好的表现集料几何形状、纹理、沥青粘附力以及混合料的颗粒性、粘弹塑性，有效模拟排水沥青混合料作为粗集料、细集料与沥青胶浆构成的沥青砂浆、空隙三相结构，可以考虑集料形状的不规则性、集料与砂浆之间刚柔接触问题以及沥青混合料内部不连续，同时，揭示双层多孔沥青路面上、下面层设计参数对排水特性的影响。有助于提高模型及排水特性研究准确度。

具体实施方式

本发明提供一种基于离散元方法的双层多孔沥青路面排水特性分析方法。具体实施步骤如下：

(1)分别对双层多孔沥青路面的上、下面层的沥青混合料进行配合比设计，确定双层多孔沥青路面上、下层级配、最佳油石比及空隙率；

(2)通过参数标定试验得到双层多孔沥青路面上、下层集料的剪切模量、密度、动静摩擦系数、碰撞恢复系数；

(3)构建不同粒径粗、细集料三维颗粒模型框架，并导入离散元软件中对颗粒框架进行填充，生成不同粒径粗、细集料实体，根据双层多孔沥青路面上、下层级配对不同粒径粗、细集料的质量占比分别进行设定；

(4)建立双层多孔沥青路面几何模型，导入离散元软件中，采用步骤(3)中生成的不同粒径粗、细集料实体对双层多孔沥青路面几何模型进行填充，再添加压实板对已填充的三维颗粒进行挤压至双层多孔沥青路面上下层设计空隙率；

(5)确定接触模型，通过单轴压缩模拟试验、间接拉伸模拟试验确定单位面积法向刚度、单位面积剪切刚度、临界法向应力、临界剪切应力以及接触半径，在压实板的挤压下颗粒间形成粘结键以表征沥青对集料的粘结作用；

(6)将生成的双层多孔沥青路面离散元模型导入计算流体动力学软件中进行网格划分，选择渗流模型，设置边界条件、流体速度、迭代次数后进行数值计算，依据计算结果分析双层多孔沥青路面上、下面层设计参数对排水特性的影响。

Claims (1)

1.一种基于离散元方法的双层多孔沥青路面排水特性分析方法，其特征在于该方法的步骤如下：

(1)分别对双层多孔沥青路面的上、下面层的沥青混合料进行配合比设计，确定双层多孔沥青路面上、下层级配、最佳油石比及空隙率；

(2)通过参数标定试验得到双层多孔沥青路面上、下层集料的剪切模量、密度、动静摩擦系数、碰撞恢复系数；

(3)构建不同粒径粗、细集料三维颗粒模型框架，并导入离散元软件中对颗粒框架进行填充，生成不同粒径粗、细集料实体，根据双层多孔沥青路面上、下层级配对不同粒径粗、细集料的质量占比分别进行设定；

(4)建立双层多孔沥青路面几何模型，导入离散元软件中，采用步骤(3)中生成的不同粒径粗、细集料实体对双层多孔沥青路面几何模型进行填充，再添加压实板对已填充的三维颗粒进行挤压至双层多孔沥青路面上下层设计空隙率；

(5)确定接触模型，通过单轴压缩模拟试验、间接拉伸模拟试验确定单位面积法向刚度、单位面积剪切刚度、临界法向应力、临界剪切应力以及接触半径，在压实板的挤压下颗粒间形成粘结键以表征沥青对集料的粘结作用；

(6)将生成的双层多孔沥青路面离散元模型导入计算流体动力学软件中进行网格划分，选择渗流模型，设置边界条件、流体速度、迭代次数后进行数值计算，依据计算结果分析双层多孔沥青路面上、下面层设计参数对排水特性的影响。