基于PFC2D的季节性冻土区水泥冷再生混合料设计参数优化研究.docx

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1、才涔头挈研究生学位论文开题报告登记表（专业学位）姓名学号学历层次导师姓名专业学位类别专业学位领域所在院系论文题目青海大学研究生院制填表时间年月日姓名学号专业学位类别专业学位领域申请学位出生日期性别民族籍贯研究方向邮箱导师姓名导师学历本科导师职称论文题目开题时间论文类型（）研究报告；（）规划设计；（）产品开发；（）案例分析；（）管理方案；（）其它项目来源（）纵向课题；（）横向课题；（）自选课题；（）其它学位论文依托项目项目名称及编号基于PFC2D的季节性冻土区水泥冷再生混合料设计参数优化研究项目负责人项目来源起止时间项目简介：该项目隶属教育部“春晖计划科研项目，该项目以水泥冷再生混合料室内试险为

2、基础，采用离散元理论分析颗粒流理论的基本原理、物理力学模型、模型本构关系、计算法则和应力应变平均化过程，并通过张量分析法推导应力应变的颗粒流表达式；基于PFC2D拟构建水泥冷再生混合料动三轴数值试验方法和微力学参数标定方法，采用多参数试脸计划法提出数值试验标准试验条件并实施数值试脸，通过对试脸结果的数理统计分析找出试脸条件和微力学参数对模拟结果的影响规律并分析其细观机制，通过对比数值模拟结果与室内实测结果，证明由数值试验方法得到的微力学参数可用性，提出季节性冻土区水泥冷再生混合料数值模拟的实用化设计参数及取值范围。水泥冷再生混合材料物理力学特性复杂，采用连续介质力学理论和室内试验方法很难从本质

3、上揭示其动态特性，因此，项目开展基于颗粒流理论的水泥冷再生混合料动三轴数值试验设计参数研究，具有重要的理论意义。学位论文研究内容简介研究目的、方法、方案等：目的：基于颗粒流理论，采用PFC2D软件构建水泥冷再生混合料力学特性数值试验，通过对试验结果的分析，得到试验条件和微力学参数对模拟结果的影响规律,提出数值试脸中符合实际实验结果的微力学参数和水泥冷再生混合料力学特性数值试验方法。建立完善的数值试验方法可以逐步取代室内试验，数值试验周期短,效率高，可以节省大量的试脸材料费用。而且还可以达到现实实脸室中很难控制的试验条件，克服室内试验中的不足。方法：该研究课题中引入离散元思想，以之前室内试验研究

4、成果为基准，采用数值试验方法模拟出同等试验条件下水泥冷再生混合料力学特性试验，对其力学特性进行研究。方案：参考之前试验成果，选择最优的集料级配，严格控制试脸条件，进行室内试脸得出结果。运用PFC2D软件模拟出与室内试脸对应的级配及试脸条件，并赋予初始的微力学参数，进行数值试验。将数值试验结果与室内试验结果进行比较,通过对参数的不断调整，得出符合实际实脸结果的微力学参数。我保证开题报告内容真实可靠，无抄袭、侵犯他人知识产权等内容。研究生签字:年月日导师签字:开题报告正文一、选题依据与研究内容1.选题依据（从选题与本类别（专业领域）相关行业职业背景的关联度、社会应用价值或理论意义、国内外研究现状及

5、发展动态分析、应用前景等方面展开论述。附主要参考文献目录）近年来我国公路建设已日趋饱和，已建公路正逐步迈入大中养护期，维修养护的任务越来越繁重。已建公路中大多采用沥青路面，从降低成本、简化工序、节约工期、可持续发展的角度考虑，有必要开发养护新技术，对公路进行有效养护，降低维修成本。冷再生技术是将需要修补的旧路面基面层材料经过铳刨、回收、破碎和筛分，再加入其他外加剂拌合均匀形成满足规范要求的再生混合料，经摊铺、碾压重新形成满足要求的路面。因此，以水泥为外加剂的冷再生混合料技术对于促进我国公路建设的可持续发展和节能减排具有重要的现实意义。近些年来国内外无数专家相继在路面材料冷再生技术上进行研究，取

6、得了丰硕的成果，并在实际工程中进行了应用，例如襄阳市已在300多公里道路的修补中使用水泥冷再生混合料。但是，水泥冷再生混合料是一种由旧集料、水泥砂浆、空隙组成的多相复合材料，是空间离散分布特性的松散粒料层，具有明显的颗粒性结构特征和非线性力学特性。目前研究主要以连续介质力学的弹塑性模型为基础，以室内实验的大量数据累积为主要研究手段，很难从本质上揭示水泥冷再生混合料的动态行为，同时也无法从微观角度分析水泥冷再生混合料颗粒体系的动态特性。并且室内试验存在工作量大、造价高、周期长，试验结果波动性大等然点，使其难以从本质上揭示水泥冷再生混合料的动态特性，在某种程度上限制了水泥冷再生混合料的研究和应用。

7、基于此本研究引出颗粒流理论和数值试验方法对水泥冷再生混合料力学特性进行研究。颗粒流理论是建立在颗粒细观力学特征基础上的一种简化离散元方法，适合于非连续介质问题，可使用各种非线性模型描述块体或颗粒之间的接触。离散元方法可以考虑集料的不规则形状、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，它比较适合于模拟沥青混凝土类多想复合材料的细观结构。因此，本研究引入颗粒流理论和离散数值试验方法来研究水泥冷再生混合料的物理力学问题和利用连续介质力学和有限元理论的研究方法相比具有不可比拟的优势。利用基于颗粒流理论的PFC2D平台，开展季节性冻土区水泥冷再生混合料力学特性试验模拟和优化的研究，不仅

8、可以在较短的时间内准确地得出试验结果，降低试脸费用，而且可以形象描述试件在施加荷载作用下内部颗粒之间的位移矢量变化情况和细观力学特征。进而为研究优化材料力学特性的方法提供有明确的方向，对今后利用数值试脸研究冷再生混合料性能具有重要的理论和实际应用价值。国内外研究现状(1)水泥冷再生混合料研究现状综观国外在路面材料再生利用技术方面的研究与发展状况，可看出欧美国家在路面再生材料的施工工艺以及配套机械的研制方面成果显著，已形成一套相对完善并且规范化和标准化的再生利用技术，尤其在再生剂的再生效果以及再生混合料物理力学性能的评价方法等方面却进行了卓有成效的研究，为路面材料再生技术的实际应用提供了科学依据

9、。阿曼苏丹国的RamZiTaha,A.M.ASCE等对水泥冷再生混合料的物理力学特性及利用率进行了系统研究，结果表明：水泥冷再生混合料的最佳含水量、最大干密度和无侧限抗压强度随水泥剂量与新集料掺量的增加而增大，并且冷再生混合料在添加适当新集料或水泥剂量后可100%使用川；美国的SerjiN.Amirkhanian等研究了不同材料组成及不同类型回收料对冷再生混合料的影响，结果表明：回收料的掺入及回收料粒径对冷再生混合料性能影响较大，并且回收料的力学特性随回收料组成与种类的变化而变化；美国的Michae1EricBienvenu在分析当前冷再生回收料的使用情况后研究了冷再生混合料的设计方法，研究结

10、果表明：容许最大回收料掺量为75%时可满足设计要求，满足要求的混合料最高沥青含量为4.5%；混合料最佳沥青含量的确定主要取决于劈裂强度试验、抗压回弹模量试验以及DSR试验；再生料AASHTO结构系数在0.28-0.45范围内取值。我国从上世纪八十年代开始进行旧沥青路面再生利用研究，但由于国家发展规划以及施工机械落后等种种原因，使得再生技术研究和应用处于相对落后状态。近年来,我国很多高等级公路已陆续进入了大规模维修或改建期，兼具环保性和经济性的路面材料再利用技术是当面的课题。目前辽宁、广东、河北、江西、陕西、天津、山东等省市先后完成了数项沥青路面再生铺筑工程。同济大学江涛、孙立军、刘黎萍等对冷再

11、生材料组成及其设计要求进行了研究，结果表明：冷再生上基层模量应控制在合理范围内，使冷再生上基层最大拉应变小于该材料的疲劳极限，沥青面层最大剪应力达到最小；重庆交通大学樊统江、赵磊等结合渝涪高速公路沥青路面，研究了就地复合冷再生层的结构厚度和组合、材料参数和工艺参数，提出了压实厚度、空隙率、马歇尔流值、劈裂强度等技术指标；长沙理工大学侯昭光等通过分析佛山官西线冷再生路面结构，研究了原路当量回弹模量、面层厚度、基层厚度以及基层模量对路面结构力学性能的影响，为冷再生路面结构设计提供参考；广西工学院黄世斌、刘峰等对冷再生结构及常规半刚性路面结构力学响应进行分析，得出了常规半刚性基层与冷再生基层力学响应

12、的差异、冷再生层合理厚度、冷再生基层路面钱刨深度及冷再生基层路面的使用条件；湖南大学曾梦澜、尹万辉等研究了冷再生沥青路面结构组合原则和设计方法，建议了冷再生沥青路面厚度采用改建路面设计方法设计以及上表面层的最小厚度网。综上所述，国外沥青路面再生技术已相对成熟，但我国路面结构、交通状况以及气候环境等与国外有较大差异，废旧材料组成远比国外复杂，因此，只能借鉴不能完全照搬国外冷再生技术。目前冷再生材料利用领域存在的主要问题是：首先，没有系统研究废旧基层材料与面层材料比例、级配、水泥剂量、成型方式等对冷再生混合料力学特性影响，这些使得研究成果无法客观揭示冷再生材料本质属性和内在规律，提出的材料设计方法

13、和路面结构参数存在很大的局限性；其次，水泥冷再生材料强度设计标准和级配基本上采用水泥稳定碎石设计方法，而没有考虑水泥冷再生材料特性、路面结构与冷再生材料要求以及其对路面结构设计的影响；最后，由于研究所得路面结构参数不能准确反映冷再生材料特性，而影响上述路面结构力学响应研究的可靠性。(2)颗粒流理论研究现状颗粒流存在的范围很广，自然界中的星际微尘运动、沙丘演化，土体滑坡、高山雪崩、都属于颗粒流的研究范畴；在工业、农业生产领域，能源、煤炭、水泥、陶瓷、冶金、制药、食品等也都会遇到颗粒流问题。国外对颗粒流理论离散单元法的研究和应用相对较早，并取得一系列研究成果。Cunda11首次提出了基于离散单元法

14、的实用模型，并对岩石块体的渐进运动过程进行数值模拟。CUndan和StraCk提出用于颗粒材料的二维模拟程序，得到的结果与动光弹实验极为吻合。离散元法程序UDEC于1980年由ITASCA咨询集团，开发此程序投放到市场后被广泛用于采矿工程、岩士力学等研究领域，其被公认为是一种模拟节理岩体的有效方法1orig和Brady开发出一种基于离散元边界元耦合计算的数值模拟方法。1emOS(1983)以离散单元法与边界单元法藕合法为基础，开发了一种分析节理和断裂介质应力的半平面程序U3。颗粒流理论离散单元法在我国起步比较晚，但是发展迅速，目前，我国学者已将离散单元法应用于采矿工程、岩土工程等科研领域。王泳

15、嘉分析了矿料块体可脱离母体发生冒落行为规律，利用离散单元法提出放矿的数值模拟方法、研究了矿堆底部的稳定性和自然崩落机制；沈宝堂等利用离散单元法模拟边坡失稳运动状态，通过比较瞬间连续摄像和离散单元法模拟结果发现二者非常吻合，从而验证了基于离散单元法的数值模拟代替材料模型试验的可行性【。郭爱民等采用离散单元法模拟了边坡变形及其破坏机制，研究了对坡体变形的影响U麻凤海等利用离散单元法模拟了含有不连续面（如节理等）的上覆层状块体，研究了内部至地表的整个范围内移动动态关系，并对比模拟结果与用实测资料，验证了离散单元法的模拟结果；中国农业大学的徐泳、黄文彬模拟了颗粒中充填流体的特性，成功建立了湿颗粒模型网；中科院的李世海、汪远年探讨了离散单元法参数的选择，使离散单元法在断续节理岩体领域的模拟应用成为可能；同济大学的周建采用离散单元法中的PFC2D软件模拟抗拔桩试验2。1揭示了砂土的细观力学特性】；中国农业大学的李红艳研究了填隙流体颗粒间的相互作用规律I4以裴建中等模拟矿料级配对多孔沥青混合料空隙分布特性的影响口I；蒋应军等应用颗粒流理论，分析了微力学参数、试验条件对级配碎石CBR数值试验的影响M1；王端宜等利用离散元方法分析了沥青混合料单轴压缩试验12叫任磊等应用离散元方法，在细观层次上研究了级配碎石直剪试验,揭示了其抗剪强度和变形机理26；郭培玺等应用颗粒流理论分析了二维颗粒