高寒区水工沥青混凝土动力特性及破坏机理研究

The asphalt concrete(AC) has good seepage resistance performance and deformability, so it is regarded as the most suitable impervious body of dam, which is widely used in this field of domestic and overseas. However, the mechanical properties of AC hasn’t formed a complete theoretical system so far, especially the dynamic characteristics of AC in cold area under earthquake is the key problem of its engineering security needs to be solved urgently. According to present situation, this application will focus on the study of the dynamic characteristics and failure mechanism of hydraulic asphalt concrete under low temperature. Relative researches will be carried out. By the research of combining experiment and theory, and the combination of macroscopic phenomenons and microscopic mechanical properties, the dynamic strength test of AC under seismic loads and different static loads, the CT experiment of microscopic damage and failure process of AC and the two-dimensional and three-dimensional micro-mechanical and mathematical model and nonlinear dynamic analysis of AC specimens will be studied. Thus, the dynamic failure mechanism of AC in cold area would be revealed and its dynamic constitutive relation under low temperature would be built. In a word, this application is to provide theoretical foundation and scientific basis for the AC study of seismic design, promoting the development of AC.

沥青混凝土具有较好的防渗性能，较强的变形能力，适宜作为大坝的防渗体,在国内外水工领域得到了广泛的应用。然而，沥青混凝土的力学性能至今仍没有形成较完善的理论体系，尤其是处于高寒区的沥青混凝土在地震作用下的动态特性是其工程安全保障所需要亟待解决的关键问题。针对现状，本申请项目重点开展水工沥青混凝土在低温下的动力特性及破坏机理研究。采用试验与理论相结合、宏观现象与细观力学特性相结合的研究方法进行低温下沥青混凝土在地震荷载作用和不同初始静载下的动态强度试验研究、沥青混凝土细观损伤和破坏全过程CT试验研究以及沥青混凝土试件的二维及三维细观力学数学模型与非线性动力分析研究，揭示高寒区沥青混凝土地震作用下的动力破坏机理，建立低温下沥青混凝土的动力本构关系。旨为沥青混凝土结构工程的抗震设计和研究提供理论基础及科学依据，推动沥青混凝土工程的发展。

水工沥青混凝土是由骨料、沥青以及填料按一定比例混合而成的多相复合材料，具有防渗性能好、变形性能优等特点，主要应用于土石坝心墙和面板中。本项目围绕高寒区沥青混凝土在地震作用下的动态力学特性问题开展研究，采用宏细观试验、理论分析、数值模拟等研究方法，研究了沥青混凝土动态力学性能的演化规律，揭示了沥青混凝土动态破坏机理。首先，考虑温度、应变率、初始静载、尺寸效应等因素，开展了沥青混凝土动态力学性能试验研究，研究了动态拉压强度、弹性模量等力学参数的演化规律，揭示了沥青混凝土的动态破坏模式和破坏机理，建立了动态拉压应力-应变模型。其次，基于宏观试验数据结果，建立了基于遗传算法改进的BP神经网络数据处理方法。基于颗粒流离散元计算方法，建立了沥青混凝土的三维随机骨料模型，考虑颗粒黏结损伤和塑性特征，二次开发了颗粒接触模型；并在试验基础上，进行了离散元数值参数影响分析，研究了沥青混凝土破坏过程中能量演化的机制及其细观破坏机理。最后，基于CT实时扫描和数字图像处理技术，建立了沥青混凝土三维数字模型，揭示了不同变形阶段沥青混凝土的细观破裂过程，研究了三维裂隙动态变化规律和分形特征。研究成果为沥青混凝土动态力学性能研究提供理论基础及科学依据，对推动沥青混凝土防渗工程的发展具有重要的科学意义和工程应用价值。