沥青混合料不是传统方法所假定的均质材料,作为一种多相材料,其力学性质应由各组分(集料、沥青砂浆和空隙等)的性质和特征共同决定。如何定量分析集料个体形态特征差异及其在沥青混合料中的相互作用机理,是沥青路面设计有待解决的重要问题。同时,以数字图像技术和离散元方法为代表的细观力学研究的兴起,为深入理解沥青混合料内部结构和性能变化提供了有效途径。本文从探究矿质集料的形态分布规律出发,采用PFC3D软件建立集料堆积模型,分别对单一粒径和双粒径的堆积行为和填充特性展开研究,并结合干涉理论验证贝雷法关键粒径的适用性和合理性;对静压法和马歇尔击实法两种成型方法进行数值模拟,通过空隙率和配位数等参数定量评价四种随机沥青混合料试件的内部组分变化规律,并通过室内CT试验进行验证;对真实集料特征进行数字图像处理,利用概率统计方法对集料的投影面和长短轴进行分析,并以此为基础提出不规则集料的随机生成算法;建立沥青混合料多尺度模型,分别对集料和砂浆组分赋予不同的接触状态,将集料和砂浆的宏观力学性能转化为细观参数,并利用室内单轴试验进行校准,进一步研究集料特性变化对沥青混合料力学性能的影响规律。试验结果表明:集料的堆积效果与粒径大小和边界效应等密切相关,贝雷法的关键粒径在三维条件下同样适用;击实成型试件更加密实并能在较短时间内达到相对稳定状态,而集料分布的均匀性受其颗粒大小的影响;正态分布模型对集料形状参数测量结果具有较好的相关性;通过不规则集料建立的沥青混合料单轴虚拟试件能较好地反映真实试件的细观结构和力学特性,但准确分析集料特性对混合料力学性能的影响仍存在一定的技术难度。本研究初步探讨了集料形态特征及细观力学作用机理,提出了一种虚拟试件的建立方法,为进一步的细观研究提供参考和依据,减少了重复试验成本和试验设备的依赖性,具有一定的经济价值。