本文是一篇建筑工程管理论文，本研究基于模糊集合理论、破损演化理论，运用CT扫描技术及图像处理技术，对CT扫描断面的CT数进行定量化分区。
1 绪论
1.1 研究背景与意义
为了实现“碳中和”目标，近些年来我国利用丰富的水、风、光等资源，建立了低碳、高效的绿色能源系统[1]。在水、风、光等低碳能源成功推广和使用的背景下，储能获得了爆发式发展，其目的在于解决风光能源的消纳问题[2]。
抽水蓄能电站是最常用的储能方法，且抽水蓄能电站兼具电动和发电两种运行机制，相较于高比率新能源并网的电力系统，通过部署抽水蓄能电站可以更好的维系电力系统的持续安全运行。因此，利用抽水蓄能电站进行储能在国际国内得到了大力推进[3]。自从天荒坪抽水蓄能电站竣工投运至今，国内在抽水蓄能防渗技术工程方面已能达到国际一流水平[4-6]。 抽水蓄能电站常选用沥青混凝土面板和心墙作为防渗体[7]，我国目前采取简式结构，包含整平粘结层、防渗层和隔绝层。其中，沥青混凝土防渗层是主要的构造层[8-9]，它具有杰出的防渗性、适应基础移位的能力，因而，在水利水电防渗漏建筑中广泛应用[10]。我国建成投入使用及在建的抽水蓄能电站已有多座[11]。其中，北京市半城子大坝、浙江省天荒坪电站、河南省宝泉水电站等项目均使用沥青混凝土心墙作为主要的防渗漏结构[2]。随着抽水蓄能电站的大量建设，对水工沥青混凝土材料力学性能进行研究的现实意义愈发重要。
沥青混合料是指在一定温度条件下，通过混合沥青原料、集料和浆料，使这些材料相对均匀且不经过压实形成的一种全新混合材料。通常情况下沥青混合料处于高温状态，经过碾压密实和冷却后变成了沥青混凝土。因此，沥青混凝土是由多种组分形成的整体化构造，包括沥青结构、沥青矿粉分散系统结构、矿物骨架结构等[12-13]。
目前，关于沥青混凝土材料性能的研究主要集中在宏观力学尺度。余梁蜀、赵科、王海建等 [14-16]通过设计不同配合比的沥青混凝土材料并进行相关物理试验，从宏观水平描述其影响。宁致远、刘云贺等[17]通过直接拉伸的物理试验来探寻水工沥青混合料的力学性能。然而，宏观物理试验不能合理解决沥青混凝土工程中的细观力学问题，所以多尺度研究沥青混凝土显得尤为必要。相关文献表明，沥青混凝土材料在宏观尺度下的不均匀特点是由细观尺度的非均质性导致的，因此从细观尺度设计沥青混凝土的方法愈发常用[18]。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 水工沥青混凝土防渗结构研究现状
水工沥青混凝土因具有优异的防渗性能、柔韧性、可塑性、抗冲击性、耐久性和自行修复裂缝的能力而被用作土石坝防渗体。此外，它还具有易于修补和加固的特点。据记载，早在5000年前沥青就被广泛用作水工结构的粘结材料，比如著名的通天塔、幼发拉底河和底格里斯河及尼罗河护堤工程[19]。随着设计和施工技术的进步，沥青混凝土大坝已取代土坝和石坝，成为水利工程中最常见的大坝形式[20-22]。沥青混凝土心墙土石坝因其具有较好的适应变形能力和防渗性能等优点被国际大型水坝委员会（ICOLD）认为是未来最适合建造的超高水坝[23]。所以，在水利水电工程建设中水工沥青混凝土变得愈发重要。
到了20世纪30年代左右，沥青混凝土正式被用作防渗材料应用于水工建筑物。世界上第一座采用沥青混凝土材料防渗的大坝是建于1929年的索推里坝，坝高12m[24]。葡萄牙在1949年建成的Vale de Caio坝，采用了沥青混凝土作为心墙材料，心墙被设置在坝体内部，受到坝壳的保护，从而提高了心墙的抗震能力，但缺点是不易检查，一旦发生渗漏则较难处理。随着对沥青混凝土性能的不断深入研究、在水利工程领域中沥青混凝土心墙坝的施工机械化水平逐步提高，全球相继建成近百座沥青混凝土心墙坝。
2 数值模型建立及物理试验分析的理论基础
2.4 邓肯-张本构模型的应用
本构模型的选取适当与否决定了计算结果的精确性及计算量的大小，因此，选取合适的本构模型是研究的关键。大多数的本构模型都围绕着线性、非线性、弹性、塑性。本文基于沥青混凝土的材料特征及受力状况，考虑计算量的大小、参数的数量，综合比较选取了典型的弹性非线性本构模型，即Duncan-Chang本构模型。
Duncan-Chang本构模型用近似双曲线的形式描绘应力-应变关系，具体见图2-1。
3.1 试验条件
（1）试样配合比
从防渗、强度等性能考虑，并结合新疆托帕水库工程，人工制样所选用的配合比如表3-1所示。
（2）试样尺寸
本实验样品一部分取自新疆托帕水库的沥青混凝土心墙坝工程，依据水工沥青混凝土试验规程，现场钻芯取样时，力求确保天气条件与室内制样时基本一致，且取芯时间相同，避免由于在不同环境条件下取样而导致物理性能的差异，如：密度和孔隙率[73]。一部分采用室内人工制样。两种方式得到的试样均加工为高度200mm，直径100mm的圆柱体试样，尺寸偏差为±2mm。 针对0.3MPa、0.5MPa、0.7MPa、0.9MPa下的围压，室内人工制样在每个围压下各做3组，共12个试件，对每个试件测量四次，并将其平均值作为最终尺寸。对于现场钻芯取得的每个试件测量四次，取其平均值为试件的最终尺寸。
3 水工沥青混凝土静三轴力学特性试验研究 .......................... 15
3.1 试验条件 .................................... 15
3.2 基于室内人工样的水工沥青混凝土静三轴力学特性研究 ........ 17
3.3 基于岩芯样的沥青混凝土静三轴力学特性研究 ........................ 21
4 水工沥青混凝土数值计算模型构建及试算 ............................. 27
4.1 结构随机型沥青混凝土数值计算模型 ............................ 27
4.1.1 沥青混凝土二维数值模型的构建 ......................... 28
4.2 数值试验材料参数确定............................. 31
5 沥青混凝土细观结构对整体强度演化规律研究 ....................... 41
5.1 孔隙率一定时数值模型的选用 ................................. 41
5.2 孔隙率不变对应力峰值及弹性模量的演化规律 ........................ 45
5.3 集料率一定时数值模型的选用 .................................................... 56
5 沥青混凝土细观结构对整体强度演化规律研究
5.1 孔隙率一定时数值模型的选用
在孔隙单元个数一定时，集料单元的个数越多、沥青胶浆单元的个数越低，试样应力-应变曲线的初始阶段越陡峭，即弹性段变化值越大，相应的破坏应力也越大，如图5-7中的集料率为47.86%和42.86%时最为明显，此时的集料单元个数达到21539和19287，沥青胶浆单元个数达到2302和3461。集料率为47.86%时，曲线在初始阶段呈现出“下凹”的趋势，是因为在初始阶段模型中存在孔隙，随着荷载的增加，模型中的孔隙逐渐被压密。集料率为28.90%、33.23%、37.82%时，随着集料率减少、沥青胶浆率上身，试样应力-应变曲线的初始阶段逐渐平缓，变缓的原因是集料单元个数减少、沥青胶浆单元个数增多，整体由脆性向粘弹性转变。
6 结论与展望
6.1 主要结论
基于模糊集合理论、破损演化理论，运用CT扫描技术及图像处理技术，对CT扫描断面的CT数进行定量化分区。在ABAQUS有限元软件中建立了接近沥青混凝土扫描截面的数值模型；确定了模型中各组分材料的本构模型参数；进行了细观结构不同时沥青混凝土的数值模拟试验；探究了细观结构变化对沥青混凝土强度的演化规律。本文的主要结论如下：
（1）基于模糊集合的破损演化理论，对水工沥青混凝土进行了定量化分区，将水工沥青混凝土划分为集料区、沥青胶浆区及孔隙区。基于此思想建立了与CT扫描断面相对应的数值模型，在数值模型中清晰的定义出了集料单元、沥青胶浆单元、孔隙单元，并将除三者之外的单元定义为界面单元。同时，分别定义了基于完整域测度的水工沥青混凝土孔隙率Kmn、沥青胶浆率Lmn和集料率Jmn，为后续研究水工沥青混凝土细观结构对整体强度的敏感性影响提供了理论依据。
（2）基于对新疆托帕水库现场钻取的沥青混凝土心墙样品和室内制样的试件进行了与工程现场环境条件相近的三轴试验。研究发现，两种条件下试样产生的应力-曲线均呈现出先线性变化，再非线性变化的特征，并且随着围压的增大，应力-应变曲线的峰值应力和应变成正比例增加。通过对比发现，现场采集的芯样在各围压下的峰值应力较大，但峰值应力所对应的应变值较小，说明现场芯样的材料强度较大，粘弹性较小，材料整体的延展性较弱，导致试样经过较小的变形就会达到应力峰值，从而产生破坏。室内制样的峰值应力较小，但与之对应的应变值较大，说明室内制样具有较大的粘弹性。主要原因是现场取得的样品是由整体浇筑而成，碾压密实，整体的强度较高，；另一方面是试验中存在一定的误差，导致两种条件下的峰值应力和应变有差异。对两种试样的力学特性研究，为后续数值计算模型参数的选取提供了借鉴，为数值模型的建立提供了理论依据。
参考文献（略）
