CN109342295A - 一种基于流固耦合分析的透水沥青路面渗透性能评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于流固耦合分析的透水沥青路面渗透性能评价方法，包括室内试验确定路面各结构层的材料参数和水文参数；建立各结构层的非饱和渗流模型；建立透水沥青路面系统数值模型，对路面系统内部初始湿度场进行模拟；基于饱和‑非饱和的流固耦合理论分析降雨入渗过程，模拟降雨条件下湿度场的动态变化；评价透水沥青路面的渗透性能。本发明方法综合考虑到路面范围内地下水以及路基土类型引起的初始湿度场对路面内部渗透性能的影响，较为准确地模拟降雨入渗过程与地下水位波动之间的相互耦合和影响；将室内试验与数值模拟相结合，实现透水沥青路面系统内部降雨入渗过程的瞬态分析，能够更为直观的评价道路结构的渗透性能，切实可行又高效。
Description
技术领域
本发明属于道路工程路面透水性能评价技术领域，具体来说，涉及一种基于流固耦合分析的透水沥青路面渗透性能评价方法。
背景技术
透水沥青路面设计主要考虑两方面的性能要求，一方面是路面有足够的强度承受设计荷载，另一方面是具有良好的渗透性能以渗透设计降雨量，避免路面产生积水而影响行车安全。因此，透水沥青路面在完成基于道路交通量的路面材料和结构设计以后，还应对所设计的路面进行透水性能的评价和验证。现行的《公路排水设计规范》(JTGT D33-2012)中基于饱和渗流理论的路面结构排水评价方法，忽视了多孔介质内空气与水之间的作用，评价结论偏不安全。此外，雨水径流下渗是一个动态的、随时间和空间强烈变化的过程，雨水的渗透量受到降雨条件、路面结构、入渗坡度、初始路面含水量、路基土类型、地下水位等诸多因素的影响。因此，对透水沥青路面整体渗透性能进行科学、准确地评价是一个复杂的综合性难题。
目前，关于透水路面渗透性能的评价主要集中在单一的路面结构层透水性能研究，或者透水路面系统性能的小型室内试验研究，忽略了道路面范围内地下水以及路基土类型引起的初始湿度场变化对路面内部渗透性能的影响和降雨入渗过程对地下水位波动产生的影响。而大尺度的室内试验或者试验路段研究费时费力，所得结论难以在其他实际工程中推广应用。同时，目前研究所得的结论过于宏观，不能直观的通过透水沥青路面系统内部降雨入渗过程评价渗透效果，导致路面结构透水设计调整缺乏切实可行的理论依据和指导。因此，提出一种能够综合考虑地下水位、路基土质、降雨条件等影响因素的透水沥青路面系统渗透性能评价方法对透水路面的设计和性能维护具有重要参考价值。
发明内容
技术问题：针对现有透水路面渗透性能评价的不足，本发明拟解决的技术问题是，提出一种基于流固耦合分析的透水沥青路面渗透性能评价方法，能够综合考虑地下水位、路基土质、降雨条件等影响因素，评价方法切实可行又高效。
技术方案：本发明实施例提供的一种基于流固耦合分析的透水沥青路面渗透性能评价方法，包括以下步骤：
步骤10)进行室内渗透试验，确定透水沥青路面各结构层的材料参数和水文参数；
步骤20)利用Van Genuchten材料模型和Mualem渗透模型表征非饱和状态下透水沥青路面各结构层内体积含水量与非饱和渗透系数之间的动态变化关系，获得透水沥青路面各结构层的非饱和渗流模型；
步骤30)根据道路所在地的地质材料，确定路基土的物理参数和土水特征曲线；勘测确定地下水位距离路表的高度和路基土的初始体积含水量；
步骤40)根据透水沥青路面结构形式，首先建立透水沥青路面系统几何模型，并将步骤10)和步骤20)中所得的材料参数和非饱和渗流模型赋予各结构层，将步骤30)中路基土的物理参数赋予路基土层，建立透水沥青路面系统数值模型，并根据地下水位距离路表的高度设置透水沥青路面系统数值模型的孔压边界条件，对路面系统内部初始湿度场进行模拟；
步骤50)施加设计的降雨条件，利用有限元法进行求解透水沥青路面系统数值模型，由应力渗流控制方程和定解条件构成非饱和多孔介质应力场和渗流场耦合分析，模拟瞬态湿度场下的路面降雨入渗过程，获得透水沥青路面系统内部的渗流场分布；
步骤60)比较透水沥青路面系统内部的渗流场分布和路面渗透性能评价指标，评价透水沥青路面的渗透性能。
作为本发明的进一步限定，所述步骤10)中，所述材料参数包括密度、孔隙率、模量和泊松比；所述水文参数包括饱和渗透系数、残余体积含水量和饱和体积含水量。
作为本发明的进一步限定，所述步骤20)中，采用的Van Genuchten模型如式(1)所示，Mualem渗透模型如式(2)所示：
联合式(1)和式(2)，得到透水沥青路面各结构层的非饱和渗流模型，如式(3)所示：
上式中，θ表示体积含水量；θr表示多孔介质的残余体积含水量；θs表示多孔介质的饱和体积含水量；ψ表示基质吸力；α表示与空隙进气压力相关的经验参数；n表示孔径分布拟合参数，且m＝1-1/n；kw表示多孔介质非饱和渗透系数；ks表示多孔介质饱和渗透系数。
作为本发明的进一步限定，所述步骤40)中，根据地下水位距离路表的高度设置透水沥青路面系统数值模型的孔压边界条件如式(4)所示：
p(y)＝ρg(H0-y) 式(4)
式中，p(y)表示路表以下y处的孔压值；ρ表示水体密度；g表示重力加速度；H0表示地下水位距离路表的高度。
作为本发明的进一步限定，所述步骤40)中，建立的透水沥青路面系统数值模型，采用具有孔压自由度的CPE4P孔压单元模拟多孔介质，基于有效应力原理定义孔压相关的孔隙水流动，将孔隙流体的流速与孔压关联起来，如式(5)所示：
式中，vn表示边界法向方向的流速；kc表示渗流系数；uw表示边界上的孔隙水压力；表示参考孔压。
作为本发明的进一步限定，所述步骤50)中，透水沥青路面系统降雨入渗模拟中，采用扩展的达西定律进行非均质各向同性多孔介质渗流分析，如式(6)所示：
式中，表示雨水径流透过层状多孔介质结构层的等效渗透系数；Ki表示垂直层状多孔介质中第i层的渗透系数；Li表示垂直层状多孔介质中第i层的渗流路径长度；N表示多孔介质的层数；L表示各层渗流路径长度之和。
作为本发明的进一步限定，所述步骤50)中，设计的降雨条件以边界函数的形式施加在道路表面。
作为本发明的进一步限定，所述步骤60)中，路面渗透性能评价指标包括降雨过程中路表积水时间和降雨后路面内部雨水排空时间。
有益效果：
1、本发明引入Van Genuchten模型和Mualem渗透模型表征多孔介质内部非饱和状态下孔隙水流速与孔压的关系，获得透水沥青路面各结构层的非饱和渗流模型，进而模拟降雨过程中路面各结构层内饱和-非饱和动态变化过程，更加符合透水路面雨水渗流的实际状态。
2、本发明基于数值模拟的评价方法综合考虑了地质条件、地下水位所引起的初始湿度场对透水沥青路面雨水下渗性能的影响以及降雨入渗过程与地下水位波动两者之间的相互耦合和相互影响，采用扩展的达西定律进行非均质各向同性多孔介质渗流分析，使渗透性能评价考虑因素更全面，结论更有代表性。
3、本发明将室内试验获取的参数与数值模拟透水路面降雨过程相结合起来，相比于单纯的室内试验或者足尺寸试验，适用范围较广，可用于不同材料和结构类型的透水路面渗透性能评价，操作简单实用，且节省时间和费用。
4、本发明基于饱和-非饱和的流固耦合理论，实现透水沥青路面系统内部降雨入渗过程的瞬态分析，能够更为直观的评价道路结构的渗透性能，为路面结构透水设计调整及性能评价提供切实可行而又高效评价方法。
附图说明
图1为本发明提出的透水沥青路面渗透性能评价方法流程图；
图2为本发明具体实例中透水沥青路面结构示意图；
图3为本发明具体实例中路基土的土水特征曲线；
图4为本发明具体实例中初始湿度场分布图；
图5为本发明具体实例中降雨入渗过程中路面系统内部流速变化过程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
本发明实施例提出一种基于流固耦合分析的透水沥青路面渗透性能评价方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤10)进行室内渗透试验，确定透水沥青路面各结构层的材料参数和水文参数。所述材料参数包括密度、孔隙率、模量和泊松比；所述水文参数包括饱和渗透系数、残余体积含水量和饱和体积含水量。
步骤20)利用Van Genuchten材料模型和Mualem渗透模型表征非饱和状态下透水沥青路面各结构层内体积含水量与非饱和渗透系数之间的动态变化关系，获得透水沥青路面各结构层的非饱和渗流模型。
在步骤20)中，采用的Van Genuchten模型如式(1)所示，Mualem渗透模型如式(2)所示：
联合式(1)和式(2)，得到透水沥青路面各结构层的非饱和渗流模型，如式(3)所示：
上式中，θ表示体积含水量；θr表示多孔介质的残余体积含水量；θs表示多孔介质的饱和体积含水量；ψ表示基质吸力；α表示与空隙进气压力相关的经验参数；n表示孔径分布拟合参数，且m＝1-1/n；kw表示多孔介质非饱和渗透系数；ks表示多孔介质饱和渗透系数。
步骤30)根据道路所在地的地质材料，确定路基土的物理参数和土水特征曲线；勘测确定地下水位距离路表的高度和路基土的初始体积含水量。
步骤40)根据透水沥青路面结构形式，首先建立透水沥青路面系统几何模型，并将步骤10)和步骤20)中所得的材料参数和非饱和渗流模型赋予各结构层，将步骤30)中路基土的物理参数赋予路基土层，建立透水沥青路面系统数值模型，并根据地下水位距离路表的高度设置透水沥青路面系统数值模型的孔压边界条件，对路面系统内部初始湿度场进行模拟。
在步骤40)中，根据地下水位距离路表的高度设置透水沥青路面系统数值模型的孔压边界条件如式(4)所示：
p(y)＝ρg(H0-y) 式(4)
式中，p(y)表示路表以下y处的孔压值；ρ表示水体密度；g表示重力加速度；H0表示地下水位距离路表的高度。
在步骤40)中，建立的透水沥青路面系统数值模型，采用具有孔压自由度的CPE4P孔压单元模拟多孔介质，基于有效应力原理定义孔压相关的孔隙水流动，将孔隙流体的流速与孔压关联起来，如式(5)所示：
式中，vn表示边界法向方向的流速；kc表示渗流系数；uw表示边界上的孔隙水压力；表示参考孔压。
步骤50)施加设计的降雨条件，利用有限元法进行求解透水沥青路面系统数值模型，由应力渗流控制方程和定解条件构成非饱和多孔介质应力场和渗流场耦合分析，模拟瞬态湿度场下的路面降雨入渗过程，获得透水沥青路面系统内部的渗流场分布。
在上述步骤50)中，透水沥青路面系统降雨入渗模拟中，采用扩展的达西定律进行非均质各向同性多孔介质渗流分析，如式(6)所示：
式中，表示雨水径流透过层状多孔介质结构层的等效渗透系数；Ki表示垂直层状多孔介质中第i层的渗透系数；Li表示垂直层状多孔介质中第i层的渗流路径长度；N表示多孔介质的层数；L表示各层渗流路径长度之和。
在步骤50)中，设计的降雨条件以边界函数的形式施加在道路表面。作为优选，降雨条件中单位流通量和降雨历时分别为5.8×10-7m/s和12h。
步骤60)比较透水沥青路面系统内部的渗流场分布和路面渗透性能评价指标，评价透水沥青路面的渗透性能。
在步骤60)中，路面渗透性能评价指标包括降雨过程中路表积水时间和降雨后路面内部雨水排空时间。
作为优选，路面渗透性能评价指标的具体取值如表1所示。
表1路面渗透性能评价指标及其取值
以下是对本发明实施例方法的一个具体应用。
以北京市海定区一段透水沥青路面作为评价对象，该路段的道路结构如图2所示，应用本发明实施例提出的基于流固耦合分析的透水沥青路面渗透性能评价方法对该道路渗透性能进行评价，具体步骤如下：
步骤1、进行室内渗透试验，确定透水沥青路面各结构层的材料参数和水文参数，所得各参数如表2所示。其中砂垫层厚度为5cm，孔隙率为13％，饱和渗透系数为1.5×10- 3cm/s。
表2透水沥青路面各结构层的材料参数与水文参数
步骤2、利用Van Genuchten材料模型和Mualem渗透模型表征非饱和状态下透水沥青路面各结构层内体积含水量与非饱和渗透系数之间的动态变化关系，获得透水沥青路面各结构层的非饱和渗流模型如式(3)所示，所需参数见表2。
步骤3、根据道路所在地的地质材料，确定路基土的物理参数如表3所示，土壤的土水特征曲线如图3所示，通过击实试验得到土壤的最优体积含水率为0.236cm3/cm3，对应的干密度为1.593g/cm3，土壤饱和渗透系数为2.28×10-4cm/s。根据勘测资料确定地下水位距离路表的高度为5m和路基土的初始体积含水量为0.162。
表3路基土的物理参数
步骤4、根据透水沥青路面结构形式，首先建立透水沥青路面系统几何模型，并将步骤1和步骤2中所得的材料参数和非饱和渗流模型赋予各结构层，将步骤3中路基土的物理参数赋予路基土层，得到透水沥青路面系统数值模型，并根据地下水位距离路表的高度设置透水沥青路面系统数值模型的孔压边界条件，采用CPE4P孔压单元进行定义求解，之后对路面系统初始湿度场进行模拟，得到初始湿度场分布如图4所示。
步骤5、设计降雨条件，单位流通量和降雨历时分别为5.8×10-7m/s和12h，以边界函数的形式施加在道路表面，利用ABAQUS软件中提供的有限元法数值解法进行求解，由应力渗流控制方程和定解条件构成非饱和多孔介质应力场和渗流场耦合分析，模拟瞬态湿度场下的路面降雨入渗过程，获得透水沥青路面系统内部的渗流场分布，变化过程如图5所示。
步骤6、由透水沥青路面系统内部的渗流场分布变化过程得到降雨入渗模拟结果见表4，与表1进行比较，由此评价该段透水沥青路面渗透效果达到良好等级。
表4降雨入渗模拟结果
应用本发明实施例方法对透水沥青路面渗透性能进行评价的结果与实际情况相符，说明本发明方法是切实可行的，且准确地，其评价结果具有重要的参考价值。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种基于流固耦合分析的透水沥青路面渗透性能评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤10)进行室内渗透试验，确定透水沥青路面各结构层的材料参数和水文参数；
步骤20)利用Van Genuchten材料模型和Mualem渗透模型表征非饱和状态下透水沥青路面各结构层内体积含水量与非饱和渗透系数之间的动态变化关系，获得透水沥青路面各结构层的非饱和渗流模型；
步骤30)根据道路所在地的地质材料，确定路基土的物理参数和土水特征曲线；勘测确定地下水位距离路表的高度和路基土的初始体积含水量；
步骤40)根据透水沥青路面结构形式，首先建立透水沥青路面系统几何模型，并将步骤10)和步骤20)中所得的材料参数和非饱和渗流模型赋予各结构层，将步骤30)中路基土的物理参数赋予路基土层，建立透水沥青路面系统数值模型，并根据地下水位距离路表的高度设置透水沥青路面系统数值模型的孔压边界条件，对路面系统内部初始湿度场进行模拟；
步骤50)施加设计的降雨条件，利用有限元法进行求解透水沥青路面系统数值模型，由应力渗流控制方程和定解条件构成非饱和多孔介质应力场和渗流场耦合分析，模拟瞬态湿度场下的路面降雨入渗过程，获得透水沥青路面系统内部的渗流场分布；
步骤60)比较透水沥青路面系统内部的渗流场分布和路面渗透性能评价指标，评价透水沥青路面的渗透性能。
2.根据权利要求1所述的基于流固耦合分析的透水沥青路面渗透性能评价方法，其特征在于，所述步骤10)中，所述材料参数包括密度、孔隙率、模量和泊松比；所述水文参数包括饱和渗透系数、残余体积含水量和饱和体积含水量。
3.根据权利要求1所述的基于流固耦合分析的透水沥青路面渗透性能评价方法，其特征在于，所述步骤20)中，采用的Van Genuchten模型如式(1)所示，Mualem渗透模型如式(2)所示：
联合式(1)和式(2)，得到透水沥青路面各结构层的非饱和渗流模型，如式(3)所示：
式中，θ表示体积含水量；θr表示多孔介质的残余体积含水量；θs表示多孔介质的饱和体积含水量；ψ表示基质吸力；α表示与空隙进气压力相关的经验参数；n表示孔径分布拟合参数，且m＝1-1/n；kw表示多孔介质非饱和渗透系数；ks表示多孔介质饱和渗透系数。
4.根据权利要求1所述的基于流固耦合分析的透水沥青路面渗透性能评价方法，其特征在于，所述步骤40)中，根据地下水位距离路表的高度设置透水沥青路面系统数值模型的孔压边界条件，如式(4)所示：
p(y)＝ρg(H0-y) 式(4)
式中，p(y)表示路表以下y处的孔压值；ρ表示水体密度；g表示重力加速度；H0表示地下水位距离路表的高度。
5.根据权利要求1所述的基于流固耦合分析的透水沥青路面渗透性能评价方法，其特征在于，所述步骤40)中，建立的透水沥青路面系统数值模型，采用具有孔压自由度的CPE4P孔压单元模拟多孔介质，基于有效应力原理定义孔压相关的孔隙水流动，将孔隙流体的流速与孔压关联起来，如式(5)所示：
式中，vn表示边界法向方向的流速；kc表示渗流系数；uw表示边界上的孔隙水压力；表示参考孔压。
6.根据权利要求1所述的基于流固耦合分析的透水沥青路面渗透性能评价方法，其特征在于，所述步骤50)中，透水沥青路面系统降雨入渗模拟中，采用扩展的达西定律进行非均质各向同性多孔介质渗流分析，如式(6)所示：
式中，表示雨水径流透过层状多孔介质结构层的等效渗透系数；Ki表示垂直层状多孔介质中第i层的渗透系数；Li表示垂直层状多孔介质中第i层的渗流路径长度；N表示多孔介质的层数；L表示各层渗流路径长度之和。
7.根据权利要求1所述的基于流固耦合分析的透水沥青路面渗透性能评价方法，其特征在于，所述步骤50)中，设计的降雨条件以边界函数的形式施加在道路表面。
8.根据权利要求1所述的基于流固耦合分析的透水沥青路面渗透性能评价方法，其特征在于，所述步骤60)中，路面渗透性能评价指标包括降雨过程中路表积水时间和降雨后路面内部雨水排空时间。
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