饱和沥青路面动力耦合分析与路面非饱和排水设计理论研究

论文摘要

在多雨地区,沥青路面常见的病害主要为水损害。路面渗入水、沥青路面结构层和交通荷载的动力耦合作用是导致路面水损害的主要原因之一。防排水系统的合理设计是减轻水损害产生的重要手段。因此,本文考虑路面结构内部滞留水、路面结构层与移动交通荷载的共同作用,基于路面材料为弹性多孔介质的假设和Biot固结理论,建立路面结构层内的水、路面结构层、移动交通荷载的动力耦合模型。采用数值变换和解析计算等方法获得路面结构层中各物理场（应力场、渗流场、位移场、加速度场）分布的半解析解和数值解,以阐述水损害机理,为路面防排水设计提供理论参考。本文基于非饱和渗流理论,建立了路面排水基层排水模型（包括稳态和瞬态渗流模型）,拓展和完善了路面内部结构排水系统设计理论和评价体系,并且为基于非饱和渗流理论的排水设计方法的提出提供了理论基础。通过系统的理论推导和数值计算,获得如下创新性成果：（1）基于Biot固结理论,建立了移动交通荷载下,“面层-基层-路基”三层体系概化模型和水力耦合动力控制方程以及不同结构类型的“面层-排水基层-半刚性基层-路基”四层体系概化模型和水力耦合动力控制方程,并获得了相应的解答；（2）建立了面层和排水基层之间的水量交换模型,获得了考虑路面裂缝特性及龟裂破损程度的路面渗水量理论计算公式；（3）考虑非饱和渗流影响,结合Gardner土水特征曲线方程改进了一维稳态Boussinesq方程,建立了分析和量化排水基层中毛细水作用影响的模型,并得到了稳态渗流情况下排水基层中水位高度分布的半解析解；（4）基于一维瞬态Boussinesq方程和Gardner土水特征曲线方程,建立了路面排水基层瞬态渗流排水模型,获得了排水基层非饱和渗流控制方程的瞬态解析解,并导出了排水基层中排水量随排水时间变化的显式表达式。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 本文研究的意义与目的
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 沥青路面动力响应分析的国内外研究现状
• 1.2.2 路面排水基层排水系统国内外研究现状
• 1.2.2.1 关于路面水渗入率的研究现状
• 1.2.2.2 关于路面排水基层排水系统设计和评估的研究现状
• 1.2.3 以往研究存在的主要问题
• 1.3 本文研究内容
• 1.4 研究方法及技术路线
• 第二章 移动交通荷载作用下饱和沥青路面动力响应分析
• 2.1 前言
• 2.2 路面动力响应数学模型和模型求解
• 2.2.1 三维模型动态响应控制方程推导
• 2.2.1.1 有效应力原理
• 2.2.1.2 质量守恒定律
• 2.2.1.3 Darcy定律
• 2.2.1.4 动量守恒
• 2.2.1.5 本构方程
• 2.2.2 二维路面渗流模型假设和动态响应控制方程的建立
• 2.2.2.1 面层渗流模型的动态响应控制方程
• 2.2.2.2 基层模型的动态响应控制方程
• 2.2.2.3 路基模型的动态响应控制方程
• 2.2.3 二维路面模型动态响应控制方程求解
• 2.2.3.1 移动交通荷载表达式
• 2.2.3.2 控制方程的通解形式
• 2.2.3.3 边界条件及解析表达式
• 2.3 数值计算和分析
• 2.3.1 模型验证
• 2.3.2 对比分析
• 2.3.2.1 饱和路面与干燥路面动力响应对比
• 2.3.2.2 面层渗透系数（k）对动力响应的影响
• 2.3.2.3 交通荷载速度（c）对动力响应的影响
• 2.3.2.4 边界排水条件的影响
• 2.3.2.5 固相剪切模量（G）的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 移动交通荷载作用下面层-基层水力耦合效应分析
• 3.1 前言
• 3.2 路面结构层在动荷载作用下的动态响应控制方程
• 3.2.1 面层的动态响应控制方程
• 3.2.2 排水基层的动态响应控制方程
• 3.2.2.1 饱和状态下排水基层的动态响应控制方程
• 3.2.2.2 干燥状态下排水基层的动态响应控制方程
• 3.2.3 半刚性基层动态响应控制方程
• 3.2.4 路基动态响应控制方程
• 3.3 移动交通荷载表达式
• 3.4 动态响应控制方程的通解形式
• 3.4.1 路面面层动态响应控制方程通解
• 3.4.2 排水基层动态响应控制方程通解
• 3.4.2.1 饱和排水基层动态响应控制方程通解
• 3.4.2.2 干燥排水基层动态响应控制方程通解
• 3.4.3 半刚性基层动态响应控制方程通解
• 3.4.4 路基动态响应控制方程通解
• 3.4.5 边界条件与模型解析
• 3.4.5.1 面层边界条件
• 3.4.5.2 排水基层边界条件
• 3.4.5.3 半刚性基层边界条件
• 3.4.5.4 路基边界条件
• 3.4.5.5 物理场表达式
• 3.5 模型计算与对比分析
• 3.5.1 模型之间的对比
• 3.5.1.1 渗流场分布特征
• 3.5.1.2 应力场分布特征
• 3.5.1.3 位移场分布特征
• 3.5.1.4 加速度场分布特征
• 3.5.2 不同排水条件的对比
• 3.5.2.1 渗流场分布特征
• 3.5.2.2 应力场分布特征
• 3.5.2.3 位移场分布特征
• 3.5.2.4 加速度场分布特征
• 3.6 本章小结
• 3.6.1 关于渗流场分析小结
• 3.6.2 其他物理场分析小结
• 第四章 破损沥青路面结构路表水渗入量计算
• 4.1 前言
• 4.2 路表水入渗计算模型建立
• 4.2.1 路面材料入渗模拟
• 4.2.2 裂缝水流动的模拟
• 4.2.3 龟裂路面裂缝水流动的模拟
• 4.3 路面渗入率的计算分析
• 4.3.1 模型解析
• 4.3.2 面层和排水基层渗水量计算
• 4.4 讨论分析
• 4.4.1 试验分析
• 4.4.2 计算分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 路面排水基层中毛细水作用对渗流排水的影响分析
• 5.1 引言
• 5.2. 研究方法
• 5.2.1 概念模型
• 5.2.2 基于Boussinesq方程的模型（BM）
• 5.2.3 基于Laplace方程的模型（LM）
• 5.2.4 基于Richards方程的模型（RM）
• 5.2.5 模型解析
• 5.2.5.1 一维基于Boussinesq方程模型的解析解
• 5.2.5.2 二维基于Laplace方程模型和基于Richards方程模型的数值解
• 5.2.6 模拟参数取值
• 5.3 不同模型的计算结果和分析
• 5.3.1 路面横坡为平坡时的排水基层水位计算对比
• 5.3.2 路面横坡为斜坡时的排水基层水位计算对比
• 5.4 本章小结
• 第六章 基于稳态BOUSSINESQ方程的排水基层非饱和排水模型的建立与解析
• 6.1 前言
• 6.2 基于稳态BOUSSINESQ方程的排水模型建立
• 6.2.1 概念模型及物理条件描述
• 6.2.2 考虑毛细作用的基于Boussinesq方程模型
• 6.3 改进的基于BOUSSINESQ方程模型解析
• 6.3.1 平坡排水基层模型的精确解
• 6.3.2 斜坡排水基层模型的解析解
• 6.4 模型验证
• 6.4.1 用于对比和验证的2D模型
• 6.4.2 模拟计算参数取值
• 6.4.3 验证对比分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 基于瞬态BOUSSINESQ方程的排水基层非饱和排水模型的建立与解析
• 7.1. 前言
• 7.2. 改进的基于瞬态BOUSSINESQ方程的模型
• 7.3. 瞬态MBM的建立与求解
• 7.3.1 数学物理模型的建立
• 7.3.2 边界条件与初始条件
• 7.3.3 通解的推导过程
• 7.3.4 通解的补充
• 7.4. 模型验证和分析讨论
• 7.4.1 解析解、差分数值解和SUTRA数值解的对比验证
• 7.4.2 排水基层排水能力的评估
• 7.4.3 初始水位对排水时间的影响
• 7.4.4 饱和排水和非饱和排水过程的对比分析
• 7.5. 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 全文总结
• 8.1.1 移动交通荷载作用下饱和沥青路面动力响应分析
• 8.1.2 移动交通荷载作用下面层-基层水力耦合效应分析
• 8.1.3 破损沥青路面结构路表水渗入量计算
• 8.1.4 路面排水基层中毛细水作用对渗流排水的影响分析
• 8.1.5 基于稳态Boussinesq方程的排水基层非饱和排水模型的建立与解析
• 8.1.6 基于瞬态Boussinesq方程的排水基层非饱和排水模型的建立与解析
• 8.2 本文研究的创新点
• 8.3 进一步研究建议
• 8.4 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 博士期间的主要科研成果
• 1.1 博士期间发表的学术论文
• 1.1.1 已录用和发表的论文
• 1.1.2 已投稿的论文
• 1.2 博士期间主持和参与的科研项目
• 1.3 博士期间获奖情况