基于數(shù)字圖像處理技術的瀝青混合料各向異性特性研究項目摘要

傳統(tǒng)的瀝青混合料研究方法是從宏觀角度進行唯象研究，以宏觀力學指標作為設計檢測的主要依據(jù)，但長期的實踐經(jīng)驗表明，宏觀力學指標的分析在一定程度上難以勝任復雜的瀝青混合料力學行為的分析。因此，本研究從瀝青混凝土的細觀結構入手，利用細觀力學的研究方法，對瀝青混凝土材料及其力學性質的非均勻性加以分析，結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性能進行研究，從而揭示出瀝青混合料細觀力學變化引起的宏觀響應，同時，真實反映出瀝青混合料的受力傳遞機理和變形機理。具有重要的理論意義和工程應用價值。

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雜的瀝青混凝土力學行為的分析。因此，本研究從細觀結構入手，采用CCD數(shù)碼相機獲取瀝青混凝土斷面圖像，利用MATLAB軟件自行編寫子程序對圖像進行去噪、增強及集料間粘連分割處理，得到瀝青混凝土的細觀結構?；诖?，對AC-13，SMA-13和OGFC-13三種不同級配集料分布特征規(guī)律進行了分析；考慮到瀝青混凝土內部復雜的應力狀態(tài)分布問題，首先對瀝青膠砂的應力狀態(tài)進行了統(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力作用下的應力狀態(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力狀態(tài)的影響規(guī)律；其次在室內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行了試驗研究，提出采用最優(yōu)分段方法對Burgers模型進行擬合，從而獲取粘彈性參數(shù)；最后，結合理論和試驗成果，采用矢量化建模方法建立了瀝青混凝土有限元模型，對其力學性質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觀力學變化引起的宏觀響應。 研究發(fā)現(xiàn)采用等效圓直徑法與體視學原理可以解決以往不能同時識別瀝青混凝土中粗細集料的問題；以拆分合并強度為判斷指標的改進多邊形逼近方法進行瀝青混凝土建模，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)值模型的分析結果表明骨架密實結構的瀝青膠砂的應力統(tǒng)計平均值和應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力統(tǒng)計平均值，但同時也會使瀝青膠砂的應力分布更加均勻；此外，對比分析了多尺度模型和各向同性假設下瀝青路面應力分布的差異性，表明采用傳統(tǒng)理論分析得到的瀝青路面的應力值低于多尺度模型的計算結果；采用時域搜索擬合的方式并結合非線性尋優(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用到瀝青混凝土粘彈性變形的預測中，發(fā)現(xiàn)采用非線性粘彈性模型的混凝土粘彈性變形預測值高于線性粘彈性預測值，并且與試驗結果更加接近，考慮瀝青膠砂的非線性粘彈性效應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存在一定的差異。本研究構建了瀝青混凝土細觀結構與宏觀力學響應之間的聯(lián)系，具有重要的理論意義和工程應用價值。

數(shù)字圖像處理技術出現(xiàn)于20世紀60年代，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)已基本成熟完善。隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術在各個研究領域都得到推廣。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，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行了研究。 二維斷層圖像表達了某一截面的信息。但是，僅由二維斷層圖像人們很難建立起三維空間準確的立體形象和結構概念。為提高判別和仿真的準確性與科學性，需要建立混合料內部結構直觀立體的效果，展現(xiàn)混合料的內部三維結構與形態(tài)。 應用工業(yè)CT對瀝青混合料三維空間結構進行識別與分析，是瀝青混合料研究領域的一大進步。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，采用機器配置的圖像處理軟件VGStudio MAX 2.0重建并分析了試件內部結構，測量了體積參數(shù)，并對瀝青混合料內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原困難、圖像重建和逆向工程等問題。而從理論上和技術上都說明，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，運用概率和統(tǒng)計學理論，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換為二維截面研究的體視學方法；進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為球形，采用體視學方程由二維截面上的級配推導了瀝青混合料的三維體積級配。最后，采用數(shù)字圖像處理技術結合體視學方法，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。 本項目研究所取得的成果為瀝青混合料數(shù)字圖像處理技術由二維向三維過渡奠定了基礎。 2100433B

青年基金項目對裂隙發(fā)展及其對土體強度影響規(guī)律進行了定量化研究，結果顯示，膨脹土中裂隙分布具有明顯的方向性，土體工程力學性質也因此呈現(xiàn)出各向異性特征。初步滲氣試驗結果表明，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。本項目擬改進和完善現(xiàn)有測試手段和方法，采用CT法和電（導）法，在現(xiàn)場和室內進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理和規(guī)律。試驗結合理論研究，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識，進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。