基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的瀝青混合料各向異性特性研究

傳統(tǒng)針對(duì)瀝青混凝土的宏觀唯象研究方法在一定程度上難以勝任復(fù)雜的瀝青混凝土力學(xué)行為的分析。因此，本研究從細(xì)觀結(jié)構(gòu)入手，采用CCD數(shù)碼相機(jī)獲取瀝青混凝土斷面圖像，利用MATLAB軟件自行編寫(xiě)子程序?qū)D像進(jìn)行去噪、增強(qiáng)及集料間粘連分割處理，得到瀝青混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)?；诖耍瑢?duì)AC-13，SMA-13和OGFC-13三種不同級(jí)配集料分布特征規(guī)律進(jìn)行了分析；考慮到瀝青混凝土內(nèi)部復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)分布問(wèn)題，首先對(duì)瀝青膠砂的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，提出采用高斯函數(shù)模型描述瀝青混凝土在單軸應(yīng)力作用下的應(yīng)力狀態(tài)，研究了材料參數(shù)、級(jí)配形式、空隙含量、成型方式等對(duì)膠砂應(yīng)力狀態(tài)的影響規(guī)律；其次在室內(nèi)制備了瀝青膠砂試件，采用單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)對(duì)瀝青膠砂的非線性粘彈性行為進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出采用最優(yōu)分段方法對(duì)Burgers模型進(jìn)行擬合，從而獲取粘彈性參數(shù)；最后，結(jié)合理論和試驗(yàn)成果，采用矢量化建模方法建立了瀝青混凝土有限元模型，對(duì)其力學(xué)性質(zhì)的非均勻性及各向異性特性加以分析，從而揭示出瀝青混凝土細(xì)觀力學(xué)變化引起的宏觀響應(yīng)。 研究發(fā)現(xiàn)采用等效圓直徑法與體視學(xué)原理可以解決以往不能同時(shí)識(shí)別瀝青混凝土中粗細(xì)集料的問(wèn)題；以拆分合并強(qiáng)度為判斷指標(biāo)的改進(jìn)多邊形逼近方法進(jìn)行瀝青混凝土建模，有效減小了數(shù)值模型的規(guī)模，提高了數(shù)值分析的計(jì)算效率；對(duì)不同級(jí)配形式瀝青混凝土數(shù)值模型的分析結(jié)果表明骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的瀝青膠砂的應(yīng)力統(tǒng)計(jì)平均值和應(yīng)力偏差均好于其他類型的瀝青混凝土，空隙的存在能夠減小瀝青膠砂的應(yīng)力統(tǒng)計(jì)平均值，但同時(shí)也會(huì)使瀝青膠砂的應(yīng)力分布更加均勻；此外，對(duì)比分析了多尺度模型和各向同性假設(shè)下瀝青路面應(yīng)力分布的差異性，表明采用傳統(tǒng)理論分析得到的瀝青路面的應(yīng)力值低于多尺度模型的計(jì)算結(jié)果；采用時(shí)域搜索擬合的方式并結(jié)合非線性尋優(yōu)方法確定出擬合殘差最小的分段時(shí)刻，最終得到了Burgers模型最優(yōu)擬合參數(shù)；通過(guò)二次開(kāi)發(fā)將非線性粘彈性模型運(yùn)用到瀝青混凝土粘彈性變形的預(yù)測(cè)中，發(fā)現(xiàn)采用非線性粘彈性模型的混凝土粘彈性變形預(yù)測(cè)值高于線性粘彈性預(yù)測(cè)值，并且與試驗(yàn)結(jié)果更加接近，考慮瀝青膠砂的非線性粘彈性效應(yīng)能更好反映瀝青混凝土的真實(shí)粘彈性變形特性；對(duì)碾壓成型試件不同方向的模擬和試驗(yàn)結(jié)果表明，瀝青混凝土呈現(xiàn)微弱的各向異性特性，與以往各向同性材料的假設(shè)存在一定的差異。本研究構(gòu)建了瀝青混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)響應(yīng)之間的聯(lián)系，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

傳統(tǒng)的瀝青混合料研究方法是從宏觀角度進(jìn)行唯象研究，以宏觀力學(xué)指標(biāo)作為設(shè)計(jì)檢測(cè)的主要依據(jù)，但長(zhǎng)期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，宏觀力學(xué)指標(biāo)的分析在一定程度上難以勝任復(fù)雜的瀝青混合料力學(xué)行為的分析。因此，本研究從瀝青混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)入手，利用細(xì)觀力學(xué)的研究方法，對(duì)瀝青混凝土材料及其力學(xué)性質(zhì)的非均勻性加以分析，結(jié)合理論和試驗(yàn)成果建立真實(shí)的物理模型，對(duì)瀝青混凝土材料的力學(xué)性能進(jìn)行研究，從而揭示出瀝青混合料細(xì)觀力學(xué)變化引起的宏觀響應(yīng)，同時(shí)，真實(shí)反映出瀝青混合料的受力傳遞機(jī)理和變形機(jī)理。具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

數(shù)字圖像處理技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，現(xiàn)已基本成熟完善。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)在各個(gè)研究領(lǐng)域都得到推廣。它的出現(xiàn)，為瀝青混合料的研究提供了新的途徑。本論文利用工業(yè)CT技術(shù)，并基于對(duì)二維數(shù)字圖像統(tǒng)計(jì)特性的分析，對(duì)瀝青混合料的體積組成進(jìn)行了研究。 二維斷層圖像表達(dá)了某一截面的信息。但是，僅由二維斷層圖像人們很難建立起三維空間準(zhǔn)確的立體形象和結(jié)構(gòu)概念。為提高判別和仿真的準(zhǔn)確性與科學(xué)性，需要建立混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)直觀立體的效果，展現(xiàn)混合料的內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)與形態(tài)。 應(yīng)用工業(yè)CT對(duì)瀝青混合料三維空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行識(shí)別與分析，是瀝青混合料研究領(lǐng)域的一大進(jìn)步。使用德國(guó)YXLON公司生產(chǎn)的Compact-225型工業(yè)CT掃描了瀝青混合料試件，采用機(jī)器配置的圖像處理軟件VGStudio MAX 2.0重建并分析了試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，測(cè)量了體積參數(shù)，并對(duì)瀝青混合料內(nèi)部的空隙分布特性做了初步研究。 直接開(kāi)展瀝青砂膠和集料顆粒三維特性研究還存在集料顆粒復(fù)原困難、圖像重建和逆向工程等問(wèn)題。而從理論上和技術(shù)上都說(shuō)明，采用統(tǒng)計(jì)方法是能夠從批量二維圖像的分析中反映或計(jì)算出三維實(shí)體信息的，方法也容易實(shí)現(xiàn)。本項(xiàng)目以二維斷層圖像或連續(xù)截面圖像為研究對(duì)象，運(yùn)用概率和統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，通過(guò)分析工業(yè)CT掃描獲得的空隙斷層圖像，提出一種將三維體研究轉(zhuǎn)換為二維截面研究的體視學(xué)方法；進(jìn)一步以計(jì)算粗集料骨架間隙率VCAmix的過(guò)程為例，將這種方法加以推廣；另外通過(guò)把集料假設(shè)為球形，采用體視學(xué)方程由二維截面上的級(jí)配推導(dǎo)了瀝青混合料的三維體積級(jí)配。最后，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)結(jié)合體視學(xué)方法，通過(guò)分析一定數(shù)量截面中粗集料的分布狀態(tài)計(jì)算出粗集料在三維體積中的分布狀態(tài)，為均勻性的研究提供定量評(píng)價(jià)指標(biāo)。 本項(xiàng)目研究所取得的成果為瀝青混合料數(shù)字圖像處理技術(shù)由二維向三維過(guò)渡奠定了基礎(chǔ)。 2100433B

青年基金項(xiàng)目對(duì)裂隙發(fā)展及其對(duì)土體強(qiáng)度影響規(guī)律進(jìn)行了定量化研究，結(jié)果顯示，膨脹土中裂隙分布具有明顯的方向性，土體工程力學(xué)性質(zhì)也因此呈現(xiàn)出各向異性特征。初步滲氣試驗(yàn)結(jié)果表明，滲透性不僅能反映裂隙發(fā)育程度，也可表征裂隙的各向異性特征。要真正搞清裂隙對(duì)膨脹土性質(zhì)的影響規(guī)律，深入研究裂隙分布的各向異性是前提和基礎(chǔ)。本項(xiàng)目擬改進(jìn)和完善現(xiàn)有測(cè)試手段和方法，采用CT法和電（導(dǎo)）法，在現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)進(jìn)行膨脹土裂隙觀測(cè)試驗(yàn)，研究裂隙的空間分布各向異性特征及演化規(guī)律；進(jìn)行滲氣和滲水試驗(yàn)，建立反映膨脹土裂隙各向異性的孔隙分布模型，結(jié)合數(shù)值模擬手段，分析裂隙形態(tài)及分布對(duì)土體滲透性各向異性特征的影響機(jī)理和規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)合理論研究，定量地揭示膨脹土裂隙各向異性特征及其影響的相關(guān)規(guī)律，是本項(xiàng)目的特色和創(chuàng)新之處。本項(xiàng)目的研究將有助于加深對(duì)膨脹土特性的認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步豐富特殊土研究理論和方法，也有助于膨脹土工程合理處置措施的選擇。