传统针对沥青混凝土的宏观唯象研究方法在一定程度上难以胜任复杂的沥青混凝土力学行为的分析。因此，本研究从细观结构入手，采用CCD数码相机获取沥青混凝土断面图像，利用MATLAB软件自行编写子程序对图像进行去噪、增强及集料间粘连分割处理，得到沥青混凝土的细观结构。基于此，对AC-13，SMA-13和OGFC-13三种不同级配集料分布特征规律进行了分析；考虑到沥青混凝土内部复杂的应力状态分布问题，首先对沥青胶砂的应力状态进行了统计分析，提出采用高斯函数模型描述沥青混凝土在单轴应力作用下的应力状态，研究了材料参数、级配形式、空隙含量、成型方式等对胶砂应力状态的影响规律；其次在室内制备了沥青胶砂试件，采用单轴压缩蠕变试验对沥青胶砂的非线性粘弹性行为进行了试验研究，提出采用最优分段方法对Burgers模型进行拟合，从而获取粘弹性参数；最后，结合理论和试验成果，采用矢量化建模方法建立了沥青混凝土有限元模型，对其力学性质的非均匀性及各向异性特性加以分析，从而揭示出沥青混凝土细观力学变化引起的宏观响应。 研究发现采用等效圆直径法与体视学原理可以解决以往不能同时识别沥青混凝土中粗细集料的问题；以拆分合并强度为判断指标的改进多边形逼近方法进行沥青混凝土建模，有效减小了数值模型的规模，提高了数值分析的计算效率；对不同级配形式沥青混凝土数值模型的分析结果表明骨架密实结构的沥青胶砂的应力统计平均值和应力偏差均好于其他类型的沥青混凝土，空隙的存在能够减小沥青胶砂的应力统计平均值，但同时也会使沥青胶砂的应力分布更加均匀；此外，对比分析了多尺度模型和各向同性假设下沥青路面应力分布的差异性，表明采用传统理论分析得到的沥青路面的应力值低于多尺度模型的计算结果；采用时域搜索拟合的方式并结合非线性寻优方法确定出拟合残差最小的分段时刻，最终得到了Burgers模型最优拟合参数；通过二次开发将非线性粘弹性模型运用到沥青混凝土粘弹性变形的预测中，发现采用非线性粘弹性模型的混凝土粘弹性变形预测值高于线性粘弹性预测值，并且与试验结果更加接近，考虑沥青胶砂的非线性粘弹性效应能更好反映沥青混凝土的真实粘弹性变形特性；对碾压成型试件不同方向的模拟和试验结果表明，沥青混凝土呈现微弱的各向异性特性，与以往各向同性材料的假设存在一定的差异。本研究构建了沥青混凝土细观结构与宏观力学响应之间的联系，具有重要的理论意义和工程应用价值。