基于离散元的水工沥青混凝土黏弹性损伤接触模型开发及应用

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沥青混凝土材料是由骨料与沥青砂浆黏结而成的两相复合材料,材料宏观表征的力学性能是由细观结构变化演进影响和控制的,宏观尺度上的破坏现象是由细观微损伤的累积、扩展至贯通的结果,将宏细与细观二者相结合,采取有效的数值分析方法,在试验结果的验证下,是研究材料力学特性的有效方法之一。离散元方法在处理非连续介质力学问题时,可以有效的模拟材料的开裂、破坏等非连续现象,在岩土工程中得到了广泛的应用。为研究沥青混凝土细观接触之间的损伤、断裂等渐进破坏过程,本文基于离散元颗粒流程序(PFC3D),开发了适合沥青混凝土材料的黏弹性损伤接触模型,在宏观试验结果验证的基础上,进行了参数影响研究和细观破坏机理分析,主要研究内容与结论如下:(1)通过损伤弹簧和开尔文体串联组合,考虑了细观颗粒黏结键之间力和力矩的共同作用,定义了等效位移,确定了细观颗粒的力-位移准则,颗粒黏结键的变形、强度及能量演化特征,建立了黏弹性损伤接触模型,接触损伤的演化过程,并在此基础上,推导了黏弹性损伤模型的能量演化规律,定义了接触的弹性应变能和耗散能。通过C++语言编程进行二次开发,将其用于沥青混凝土单轴压缩和单轴拉伸模拟,数值模拟结果与试验结果吻合较好,验证了该模型的适用性和准确性。(2)系统研究了不同温度和应变率条件下沥青混凝土应力-应变曲线与细观接触参数的变化规律,参数标定发现,弹簧刚度与应力应变曲线上升段斜率有正相关;接触抗拉强度和抗剪强度与峰值应力正相关;刚度和强度二者决定峰值应变;黏壶黏性系数和弹簧损伤演化系数,对峰后强度演化影响较大,黏性系数越大,强度耗散越慢,损伤演化系数越大,强度耗散越快。(3)分别对损伤演化系数和黏性系数进行了参数敏感性分析。结果表明:损伤演化系数对应力-应变全曲线的弹性段范围、峰值应力以及达到峰值应力后的软化速率有显著影响。分析了应力-应变曲线在不同阶段黏结键损伤、裂隙萌发、扩展及贯通的演化过程,研究了弹性应变能和耗散能的演化规律,引入了耗散能释放率参数,揭示了损伤演化系数越大应力-应变曲线达到峰值应力后下降速率越快的原因。(4)对比沥青混凝土宏观破坏模式,研究了单轴压缩和拉伸荷载作用下沥青混凝土细观裂隙数目、不同类型裂隙占比、裂隙玫瑰图和裂隙的演化过程,研究发现,沥青混凝土单轴压缩情况下剪切裂隙占比均大于70%,拉伸情况下拉伸裂隙占比均大于80%;材料强度与细观接触的损伤破坏联系紧密。
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