现阶段对沥青混合料的力学行为研究多忽略或简化其微细观结构特性,采用连续介质理论与宏观现象学试验方法建立其力学性能模型,但这些研究方法在建立内部结构、组成与宏观力学性能之间的联系以及揭示由于材料非均质性导致的局部损伤破坏机理方面存在着较大的局限。本文基于沥青混合料的颗粒物质属性和多尺度研究背景,利用颗粒物质力学理论、图像处理技术、随机算法技术、离散元数值模拟方法以及相关室内试验,对沥青混合料集料颗粒堆积特性以及不同温度域下粘弹性、塑性永久变形以及断裂三个重要宏观力学性能进行仿真,在实现对性能有效预测的同时,从无粘结颗粒体系和有粘结颗粒体系的细观颗粒相互作用对沥青混合料细观力学特性与演化行为进行深入研究,初步在非连续介质力学范畴构建了沥青混合料多尺度力学体系。主要工作和得到的主要结论如下:(1)综合采用亮度转换、分水岭分割、形态学运算、Canny边界识别以及像素识别的图像处理技术,建立了沥青混合料真实细观结构模型;基于Monte Carlo理论和随机多面体集料颗粒模型生成方法重构了沥青混合料随机细观结构模型,为其力学仿真提供了全自动的建模方案。(2)研究摩擦、干涉、级配以及振动效应对沥青混合料集料颗粒堆积结构影响后发现:摩擦系数增大,堆积密度和配位数不断减小而后趋于稳定,径向分布函数RDF呈现无序波动特征,RDF第二个峰的峰值与堆积密度有关;二元颗粒堆积密度演化与粒径比和体积分数有关,大小颗粒相互干涉作用在主导体系转换点附近最强;级配堆积体系中接触力链数量、占比、平均力以及关键粒径与级配类型和最大公称粒径有关;提出了一种基于细观强弱力链的沥青混合料骨架评价方法和主骨架颗粒参与率(PRMSP)指标,发现OGFC骨架显著程度要大于SMA和AC,随着公称最大粒径降低,各混合料的PRMSP值均增大;振动的应力幅值和频率综合影响堆积密度变化速度、波动程度以及稳定时的堆积密度,二者应控制在一合理区间。(3)建立以线性模型、伯格斯模型以及修正伯格斯模型分别赋予集料内部接触、砂浆内部接触、集料/砂浆界面接触的沥青混合料细观粘弹性力学模型,有效预测了混合料的动态模量和相位角;常温粘弹态下混合料内部力链发展具有非连续性,集料内部接触力链全为压力链,沥青砂浆内部以及集料/砂浆界面接触力链以压力链为主,但存在部分拉力链;集料单元内部的最大接触力最大,界面次之,而砂浆单元内部最小;集料的细观力学响应速度要大于沥青砂浆的力学响应速度;集料的长径比及取向对混合料动态模量和相位角有综合影响效应;随着针片状集料含量和空隙体积分数增大,沥青混合料动态模量下降。(4)采用集料Clump模型和时温等效原理,建立虚拟蠕变试验和虚拟车辙试验,有效预测了混合料塑性力学性能;虚拟车辙试验过程混合料细观位移场有向水平两侧扩散趋势,荷载作用边缘有明显的颗粒向上运动趋势,砂浆的最大位移均要大于粗集料的最大位移,揭示了车辙局部隆起变形和泛油机制;AC-13颗粒单元水平扩散范围以及最大位移均大于SMA-13;级配骨架主要在荷载作用后期发挥作用;局部车轮荷载作用下混合料内部以压力链为主,拉力链主要集中于边缘区域,试件中部的拉力链主要呈开口向上弧形分布特征;集料颗粒xy、xz、yz平面平移角度α、β、γ主要集中于0～40°、70～90°、以及80～90°区间;集料平均旋转角度与混合料永久变形发展规律基本一致;高温条件下集料颗粒构成混合料传力主骨架;采用多面体粗集料的沥青混合料高温性能优于采用椭球形和球形粗集料的混合料;针片状粗集料含量的增多,混合料动稳定度先增大而后减小。(5)利用SCB试验,提出了基准临界应变能低温抗裂性能评价新指标,发现公称最大粒径对混合料抗裂性能的影响要显著于级配类型的影响,且公称最大粒径越小,混合料的抗裂性能越好;建立了沥青混合料细观开裂力学模型,采用双线性内聚力细观接触模型模拟裂纹的萌生和扩展;SCB试件内部的接触压力链主要集中于试件的顶部和底部,而接触拉力链主要集中于试件切口尖端,拉应力是导致沥青混合料SCB试件开裂的主要原因;微裂纹主要出现在沥青砂浆以及砂浆与集料界面,微裂纹通常沿集料边界发展;部分切口尖端处的集料颗粒单元由于拉应力集中也会发生开裂破坏;随着温度的降低,微裂纹的萌生位置将可能从集料与砂浆界面单元转移到集料单元;粗集料的抗拉强度对混合料峰值荷载和破坏形式均有显著影响。