为了探究沥青混合料在荷载及环境作用下的性能及破坏机理，越来越多的研究者采用工业CT[44-50]、图片处理[51-55]及离散元数值模拟等技术手段从微细观角度进行研究，并取得了许多研究成果。离散单元法使用显式积分迭代算法，允许大的位移和转动，可使用非线性模型描述颗粒之间的接触，能够很好地模拟混合料内部的压密、颗粒的受力及移动、裂缝的萌生和扩展等，具有其他手段或软件无法比拟的优点，因此在土木工程研究中越来越受到研究者的重视。现就离散单元法的研究成果进行归纳总结。

离散元方法（Discrete Element Method）是1971 年由Cundall 和Strack提出来的，它的思想源自分子动力学[56]。由于计算机内存的限制，直到1974 年二维的离散元才趋向完善，并于1978 年翻译成Fortran 文本[57]。离散单元法最早应用于岩石力学中，后来将其发展并应用到土力学中[58]。随着计算机的快速发展，三维离散元法于1986 年开发出来，其发展及应用空间越来越广泛。

国外在离散元方面的研究进行得比较早。1999 年，Jensen 利用离散元研究了颗粒的形状和表面的粗糙度对集料性能的影响[59]。同样在1999年，NG 利用离散元研究了压实过程对集料微结构的影响。

2007 年，Hyunwook Kim 等利用离散元对单边切口梁断裂性能进行了研究[60]，断裂模型如图1-14 所示。

图1-14　非均质离散元断裂模型与裂纹示意图

2010 年，Junwei Wu 利用离散元对沥青混合料试件在单调荷载作用下的破坏规律进行了研究[61]。

2010 年，Habtamu Melese Zelelew 等利用离散元研究了沥青混合料在单轴压缩蠕变下微结构的变化规律[62]。

2012 年，Mansour Fakhri 借鉴离散元研究了SMA 沥青混合料在荷载作用下的永久变形规律[63]。

2013 年，Huanan Yu 等利用三维离散元建立了表征沥青混合料复数模量的方法[64]。动态模量、相位角室内试验结果-离散元模拟结果如 1-15图和图1-16 所示。

图1-15　动态模量试验与模拟结果均等线图

图1-16　相位角试验与模拟结果均等线图

2013 年，W. Cai 等通过室内试验和离散元数值模拟试验研究了沥青混合料在等应变率下的应力-应变关系[65]。

2015 年，Khattak 等采用离散元建立了微观力学模型，用于模拟碳纳米纤维改性沥青混合料的本构行为，并用单轴压缩试验进行了校准[66]。

2016 年，Tao Ma 等借助离散元建立了虚拟车辙试验方法，研究了车辙试件在荷载作用下位移与接触力之间的分布规律[67]。

2017 年，Changhong Zhou 等借助离散元建立了虚拟三轴试验方法，研究了颗粒形状与剪切强度之间的关系，并得出由立方体颗粒形成的试件抗剪强度最好[68]。

在国内，利用离散元进行沥青混合料微细观结构的研究起步较晚，但是近些年由于其独特优势，引起了研究者的高度重视，得到了快速发展。

2007 年，黄晚清通过建立离散单元模型，对集料在重力场作用下的堆积行为进行数值试验，分析了SMA 沥青混合料骨架内在影响因素和微观结构特性[69]。

2008 年，田莉采用不规则多边形及多面体单元模拟级配矿料，通过自定义接触模型研究了沥青玛脂黏弹特性；通过室内试验，对数值试验结果进行校准，从微细观角度研究了沥青混合料内在的应力分布[70]。

2009 年，陈俊采用离散元分析了沥青路面在重复荷载作用下层底的受力特性[71]。

2010 年，车法等通过离散元程序建立了沥青路面物理模型，对沥青路面在刹车荷载作用下的开裂发展过程进行了研究[72]。

2011 年，蒋玮等利用离散单元对环氧沥青混合料级配结构进行评价，对环氧沥青混合料骨架结构的受力状况进行了分析[73]，在局部加载条件下，级配a、级配b 的骨架结构受力如图1-17 所示。(www.daowen.com)

图1-17　局部加载条件下混合料骨架结构受力图

2012 年，吴利强采用离散元程序模拟了沥青混凝土静压法和振动法成型过程，得出成型方法不同配位数也不同，并对宏观试验的应力-应变行为有一定影响[74]。

2012 年，蒋玮等利用离散元建立了多孔沥青混合料粗集料骨架力学模型，对多孔沥青混合料的级配范围进行了优化[75]。

2013 年，谭超借助离散元进行三轴数值模拟试验，研究了胶浆参数、骨料参数及围压对沥青混合料力学性能的影响规律[76]。

2013 年，马晓晖等采用离散元建立沥青混合料颗粒流模型，通过计算混合料中各空隙的位置和体积等参数，得到了混合料中的空隙分布特征[77]。

2013 年，陈俊采用离散元模拟了沥青路面分别在静荷载、垂直振动荷载及匀速移动荷载作用下的力学响应[78]。

2013 年，陈渊召等通过离散元模型，对沥青混合料的力链网络图、接触力矢量图进行分析，研究了橡胶颗粒改性沥青混合料破坏的机理[79]。

2014 年，王振等利用离散元软件对OGFC-10、OGFC-13、OGFC-16混合料进行虚拟单轴压缩和劈裂试验，研究了确定最佳集料级配的方法[80]。

2014 年，杨军等采用离散元建立了沥青混合料细观力学模型，通过虚拟三轴剪切试验，对该模型的合理性进行了验证[81]。

2014 年，曲立杰等利用离散元建模，通过对颗粒间的接触力以及位移矢量的分布进行分析，研究了级配碎石结构层在力的作用下应力消散的过程[82]。

2014 年，师晓鸽等通过离散元程序分析了颗粒接触特性及应力传递规律，从细观角度分析了矿料滑移破坏机理[83]。

2014 年，周等通过离散元建立了多孔沥青混合料车辙板模型，研究了多孔沥青路面在不同温度条件下空隙结构的衰变规律[84]。

2014 年，范亮平等结合数字图像处理技术，构建了沥青混合料离散元模型，从微细观角度研究了集料分布状态对沥青混合料力学性能的影响规律[85]。

2015 年，唐俊讳等借助三维离散元模型，研究各档集料和油石比对沥青混合料高温性能的影响[86]，建立的三维离散元模型及集料的竖向位移-转动角如图1-18 和图1-19 所示。

图1-18　离散元模型

图1-19　AC20 基准级配集料的竖向位移-移动角

2016 年，周长红等利用离散元软件对沥青混合料的单轴贯入试验进行数值模拟，研究了压头尺寸对沥青混合料单轴贯入破坏强度、试件破坏时的轴向位移以及破坏时的劲度模量的影响[87]。

2017 年，马涛利用离散元软件生成了多孔沥青混合料二维车辙板虚拟试件并进行虚拟车辙试验，研究了加载过程中多孔沥青混合料空隙衰变规律[88]。

从以上的研究可以看出，由于离散元相对于其他分析手段具有其独特的优势，所以2010 年以来，离散元法引起了许多研究者的重视，并取得了一系列成果。然而从以上研究成果可以看出，大部分研究还是针对虚拟试验的建立以及宏观参数对沥青混合料性能的影响进行分析的，而从微观机理角度进行分析的研究很少，更没有相关文献从微细观角度探究沥青混合料剪切变形过程中各微观结构随时间变化的规律，对于沥青混合料剪切变形的机理还缺乏更深层次的认识。实际上，沥青混合料在剪切荷载作用下变形的过程也是沥青混合料微细观组构演化的过程，本书将借助离散元从微观组构角度着手进行分析，研究在外界荷载作用下沥青混合料内部组构随时间的演化规律。