非饱和状态下沥青混凝土雨水入渗模型研究

论文摘要

人们在很多领域都开展过对渗流模型的研究,无论是在理论研究方面还是在实际应用方面。各种理论方法也应用于渗流模型的研究,比如多孔介质理论法、重整化群法等。在各工程领域凡涉及到液体的流动时均需要对液体的渗流进行研究以探讨渗流所造成的安全隐患及破坏性。比如油气田的开发,堤坝的防灾,高边坡的稳定性等等。沥青混凝土路面的水损害是水与车辆荷载共同作用所造成的结果。水在沥青混凝土路面中的运动也涉及到渗流问题,正是由于降雨渗入沥青混凝土路面内部才造成沥青混凝土路面的大量水损害问题。本文正是基于沥青混凝土路面水损害与雨水入渗的相关性而进行研究。首先介绍多孔介质理论,将多孔介质理论引入沥青混凝土,并认为沥青混凝土的渗流状态符合达西渗流定律,从而建立起沥青混凝土路面的饱和-非饱和渗流模型。然后在国家自然科学基金的资助下自主开发了可以精确测定沥青混凝土渗透系数的渗透仪。通过制作各种类型的沥青混凝土试件及在各种压力水条件下测定试件渗透系数,分析各种因素对沥青混凝土渗透性能的影响。最后采用有限元软件对沥青混凝土路面进行降雨模拟以求解渗流模型,分析了在不同条件下雨水在沥青混凝土路面及路基中的分布及运动状态。特别是本文借鉴非饱和土力学的基本概念,认为在降雨初期及雨停后沥青混凝土路面其实是处于一个非饱和状态下的入渗及排水问题,这是降雨初期路面的一个真实状态。本文着重分析了这种非饱和状态对雨水入渗及路面排水的影响。国外也开始重视并着手研究这种非饱和状态对沥青混凝土路面水损害的影响,因为这更加真实的反应了路面的有水状态,对后期进一步研究沥青混凝土路面水损害的发生提供更真实的依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 我国沥青混凝土路面水损害的现象及原因
• 1.1.2 问题的提出
• 1.2 国内外研究及发展动态
• 1.2.1 渗透性的研究现状
• 1.2.2 入渗模型的研究现状
• 1.3 研究内容及技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究目标
• 1.3.3 技术路线
• 第二章 多孔介质渗流基本定律及渗流模型的建立
• 2.1 多孔介质理论
• 2.1.1 多孔介质的定义
• 2.1.2 多孔介质的孔隙性
• 2.1.3 多孔介质的压缩性
• 2.2 连续介质方法
• 2.2.1 流体连续介质
• 2.2.2 多孔连续介质
• 2.3 沥青混凝土的多孔介质特性
• 2.4 达西定律
• 2.4.1 达西实验及其公式
• 2.4.2 达西定律的适用范围
• 2.5 沥青混凝土二维饱和入渗模型的建立
• 2.5.1 沥青混凝土饱和渗流连续性方程式
• 2.5.2 沥青混凝土饱和渗流基本微分方程式
• 2.5.3 沥青混凝土饱和渗流积分方程式
• 2.5.4 定解条件
• 2.6 非饱和入渗模型的建立
• 2.6.1 多孔介质非饱和渗流的基本概念
• 2.6.2 非饱和渗流基本微分方程
• 2.6.3 非饱和渗透系数
• 2.6.4 定解条件
• 2.7 本章小结
• 第三章 沥青混凝土渗透仪的制作
• 3.1 制作沥青混凝土渗透仪的原理依据
• 3.2 变水头渗透仪的制作
• 3.2.1 变水头渗透仪的基本结构图
• 3.2.2 渗透仪的工作原理
• 3.2.3 渗透仪操作步骤及渗透系数的计算
• 3.3 有压水渗透仪
• 3.3.1 有压水渗透仪原理图
• 3.3.2 操作步骤及渗透系数的计算
• 3.4 渗透仪误差影响因素分析
• 3.4.1 围压的影响
• 3.4.2 水压力的影响
• 3.4.3 试件侧壁的影响
• 3.4.4 橡胶模的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 沥青混凝土的渗透性实验
• 4.1 材料基本实验
• 4.1.1 路面类型的选择
• 4.1.2 SMA 及AC 沥青混凝土的组成及特点
• 4.1.3 实验所用材料基本性能的检测
• 4.1.4 级配类型
• 4.1.5 试件成型及性能检测
• 4.2 试件空隙率的测定
• 4.2.1 真空密封法的介绍
• 4.2.2 真空密封法与表干法的比较
• 4.2.3 有效空隙率的测定
• 4.3 渗透系数
• 4.3.1 渗透系数的测定
• 4.3.2 渗透系数分析
• 4.3.3 有压水渗透系数的测定
• 4.3.4 饱和度对渗透系数的影响
• 4.4 非饱和沥青混凝土排水试验
• 4.5 本章小结
• 第五章 饱和-非饱和降雨入渗的有限元模拟
• 5.1 降雨强度的计算
• 5.2 高速公路路面降雨入渗模型的建立
• 5.2.1 降雨入渗模型建立
• 5.2.2 网格划分
• 5.2.3 材料及参数
• 5.2.4 边界条件
• 5.3 雨水的非饱和入渗及排水过程分析
• 5.3.1 30min 降雨过程分析
• 5.3.2 排水分析
• 5.3.3 速度矢量云图
• 5.3.4 设置边缘排水系统的影响
• 5.4 不同基层的影响
• 5.4.1 上基层为级配碎石基层
• 5.4.2 底基层为级配碎石基层
• 5.5 面层不同压实度的影响
• 5.6 不同雨型的影响
• 5.7 不同高度地下水位的影响
• 5.8 中央分隔带的影响
• 5.8.1 雨水入渗宽度与深度
• 5.8.2 不同参数对入渗的影响
• 5.9 本章小结
• 第六章 总结与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间发表的论著及取得的科研成果