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結(jié)題摘要

傳統(tǒng)針對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?，對AC-13，SMA-13和OGFC-13三種不同級配集料分布特征規(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)分布問題，首先對瀝青膠砂的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了統(tǒng)計分析，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)、級配形式、空隙含量、成型方式等對膠砂應(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，采用單軸壓縮蠕變試驗對瀝青膠砂的非線性粘彈性行為進(jìn)行了試驗研究，提出采用最優(yōu)分段方法對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識別瀝青混凝土中粗細(xì)集料的問題；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)值分析的計算效率；對不同級配形式瀝青混凝土數(shù)值模型的分析結(jié)果表明骨架密實結(jié)構(gòu)的瀝青膠砂的應(yīng)力統(tǒng)計平均值和應(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)計平均值，但同時也會使瀝青膠砂的應(yīng)力分布更加均勻；此外，對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算結(jié)果；采用時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刻，最終得到了Burgers模型最優(yōu)擬合參數(shù)；通過二次開發(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)測值高于線性粘彈性預(yù)測值，并且與試驗結(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粘彈性變形特性；對碾壓成型試件不同方向的模擬和試驗結(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)計檢測的主要依據(jù)，但長期的實踐經(jīng)驗表明，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)合理論和試驗成果建立真實的物理模型，對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，真實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)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)已基本成熟完善。隨著計算機(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)，并基于對二維數(shù)字圖像統(tǒng)計特性的分析，對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對瀝青混合料三維空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行識別與分析，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)，測量了體積參數(shù)，并對瀝青混合料內(nèi)部的空隙分布特性做了初步研究。 直接開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題。而從理論上和技術(shù)上都說明，采用統(tǒng)計方法是能夠從批量二維圖像的分析中反映或計算出三維實體信息的，方法也容易實現(xiàn)。本項目以二維斷層圖像或連續(xù)截面圖像為研究對象，運(yùn)用概率和統(tǒng)計學(xué)理論，通過分析工業(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)一步以計算粗集料骨架間隙率VCAmix的過程為例，將這種方法加以推廣；另外通過把集料假設(shè)為球形，采用體視學(xué)方程由二維截面上的級配推導(dǎo)了瀝青混合料的三維體積級配。最后，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)結(jié)合體視學(xué)方法，通過分析一定數(shù)量截面中粗集料的分布狀態(tài)計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價指標(biāo)。 本項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)由二維向三維過渡奠定了基礎(chǔ)。 2100433B

青年基金項目對裂隙發(fā)展及其對土體強(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)。本項目擬改進(jìn)和完善現(xiàn)有測試手段和方法，采用CT法和電（導(dǎo)）法，在現(xiàn)場和室內(nèi)進(jìn)行膨脹土裂隙觀測試驗，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，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)及分布對土體滲透性各向異性特征的影響機(jī)理和規(guī)律。試驗結(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，是本項目的特色和創(chuàng)新之處。本項目的研究將有助于加深對膨脹土特性的認(rèn)識，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。