沥青混合料在钢轮碾压荷载或击实荷载作用下,易引起混合料中粗集料的断裂,从而破坏粗集料之间稳定的骨架结构,导致混合料力学性能发生劣化。随着离散元仿真技术的发展,使其成为一种能够优化沥青混合料材料设计的计算工具。然而,在现有研究之中,多采用由计算机算法生成刚度无穷大的数字集料模型进行仿真,即在计算过程中粗集料无法发生断裂,因此可能导致仿真结果与实际试验产生较大偏差。基于此,本文首先采用三维结构光扫描技术建立基于真实集料的三维模型。随后提出一种可断裂的数字集料生成算法,并采用单颗集料的室内与数值断裂试验验证该模型的准确性。在此基础上,为改善沥青混合料OGFC-16中粗集料断裂状况,选用常温单轴抗压与低温劈裂强度作为评价指标,重点研究粗集料级配、岩性、形状对混合料力学性能的影响。主要研究内容如下:首先,选用高精度三维结构光扫描仪对粗集料进行扫描,获取了粗集料真实几何形态信息,建立了基于浑圆状、棱角状、针状、片状指标体系的三维数字集料模型,进而构建了基于真实集料的三维数字集料模板库。为后续仿真研究的需要,提出了一种可断裂数字集料模型的生成算法。其次,为标定可断裂集料细观力学模型的参数,设计了多因素正交试验,获取了影响集料母岩各宏观力学参数的主要细观力学参数。根据极差与方差分析结果,补充数值试验拟合了宏、细观转换参数转换方程。五种集料母岩的立方体单轴压缩试验对参数转换方程的验证结果表明:通过此方程获得的细观力学参数能够准确预测粗集料的弹性模量与抗压强度,其相对误差分别低于5%、10%,数值试验预测精度较高,验证了通过正交试验标定宏、细观力学参数的可行性。再次,为验证可断裂的三维数字集料模型的准确性,开展了单颗集料的室内与虚拟断裂试验。通过数值试验获得了粗集料形状、岩性对单颗集料断裂承载能力的影响规律,并总结了四种形状集料的断裂模式。试验结果表明:集料形状对单颗集料的承载能力的影响显著高于集料岩性的影响,当集料形状由浑圆状变换至片状,单颗集料的承载能力将降低80%～90%;在同种形状的前提下,单颗集料的承载能力随着集料母岩的抗压强度的增加而提高。最后,为将可断裂的集料模型应用于沥青混合料材料设计优化之中,以沥青混合料OGFC-16为例,选用常温单轴压缩强度与低温劈裂强度为评价指标,从粗集料级配、几何形状、岩性的角度对其材料设计进行了优化;并在计算过程中利用室内单轴压缩试验与数值试验对比了集料可断裂与不可断裂两种数值试件的仿真效果。研究结果表明:与集料不可断裂的模型相比,集料可断裂的数值试件仿真结果更符合室内试验规律,其预测结果具备更高的精度;粗集料级配、形状对混合料力学性能影响更为显著,随着级配由粗变细,混合料常温抗压强度与低温劈裂强度均呈现先增长后稳定再降低的趋势,当砂浆集料比介于0.32～0.4时,抗压强度与劈裂强度均保持在其峰值强度附近;为避免因针、片状集料对OGFC-16混合料力学性能的不利影响,其针片状集料含量应控制在8%以下;集料岩性对混合料力学性能的影响并不显著。