沥青混合料是一种由矿料、沥青胶结料及空隙三相组成的复杂颗粒材料。集料与砂胶之间的作用效应、沥青砂胶的材料性能以及空隙在混合料中的空间分布都影响着沥青混合料的力学性质。以经验为主的传统设计方法由于缺乏理论依据,不能满足实际工程需要。而将沥青混合料的体积组成关系作为设计指标的Superpave体积设计体系,由于受到研究手段的限制,无法直接得到沥青混合料内部的体积组成关系,体积设计方法完全依赖于经验,与传统的Marshall设计方法具有相同的局限性。为了获取沥青混合料在荷载作用下的微观或者细观尺度的力学响应,道路科学工作者试图开发一种能够准确反映沥青混合料细观结构的数值模型,利用该模型的数值分析结果研究沥青混合料的宏观响应与细观结构特征之间的内在联系。利用X射线断层扫描(X-ray Computed Tomography,简称为X-ray CT)方法扫描得到沥青混合料的CT切片图像,结合数字图像处理技术,建立沥青混合料的数值模型进行数值方法分析是实现该目标的有效方法。就目前国内外所取得的阶段性成果来看,利用X-ray CT技术进行细观数值建模在模型建立、材料属性赋值以及虚拟试验丰富程度等方面都存在不足。因此,要真正实现与实际沥青混合料结构相符的细观数值模拟还有大量的基础工作需要继续完善。本文主要针对沥青混合料在三维数值建模和虚拟试验时存在的不足,借鉴交叉学科的研究成果,通过建立基于CT切片图像的沥青混合料细观数值模型,并对沥青砂胶的三维粘弹本构模型进行ABAQUS子程序二次开发及其参数获取方法展开研究,利用该数值模型进行三轴蠕变数值仿真分析。首先,沥青混合料CT切片图像在应用过程中的第一步工作是对图像中的材质进行分类。本研究根据沥青混合料CT切片图像灰度分布特点,针对现有的在材质分割时常用算法存在的不足,对沥青混合料CT切片图像内部材质分类算法进行改进;对分割后的图像中集料颗粒出现相互接触的粘结现象,尝试从形态学多尺度角度入手,对沥青混合料粗集料粘连图像进行粘连分割,并从分割效果与分割精度两方面进行评价。结果表明,改进后的材质分割算法可以有效地减少效应带来的材质分割困难,分割算法简单有效。在粗集料粘连分割方面,形态学多尺度算法分割粘连图像的精度较高。借鉴现有基于CT切片图像的建模思想,结合图像分割与集料粘连处理的有关内容,借助MATLAB平台,自行开发程序,实现沥青混合料真实细观的三维数值模型重建;利用―天河二号‖超级计算机对不同单元尺寸的数值模型进行单轴蠕变分析,比较不同体素尺寸的蠕变劲度模量,分析体素单元尺寸大小对试验结果的影响,定量分析体素边长的尺寸效应。分析结果表明,对于蠕变试验数值仿真试验中,当体素边长不大于1mm时,体素大小对最后的蠕变结果影响不大,并推荐以1mm体素尺寸建立的数值模型作为分析模型。结合沥青砂胶三维粘弹本构模型,运用增量方法推导得到三维粘弹本构方程的增量形式,利用FORTRAN编程语言编制相应的UMAT用户材料子程序,尝试利用较为简单而且容易实现的蠕变试验,间接确定蠕变型三维粘弹性本构方程中的粘弹参数,避免直接测定依赖于荷载作用时间和温度的粘弹性材料泊松比,并对本构模型进行相关实验验证。比较简单荷载路径下的压缩和弯曲试验的数值仿真结果与实验实测结果,分析表明,本研究的沥青砂胶三维粘弹本构模型的UAMT用子程序以及粘弹参数确定方法的正确性和有效性。该模型能够能有精确地预测沥青砂胶的力学行为特性。最后根据沥青混合料三维数值建模方法,结合经过验证的沥青砂胶三维粘弹本构方程编制UMAT程序,分别进行2种围压、3种轴压条件下的三轴蠕变数值仿真试验,对比分析三轴蠕变试验结果与数值仿真结果,验证数值建模方法的有效性和确定了模型的适用范围。