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考虑堵塞效应的排水沥青路面渗流行为多尺度研究

张馨岚  
【摘要】:持久的渗排水能力是衡量排水沥青路面使用性能的关键参数。渗排水能力主要受排水沥青混合料内部空隙的空间分布特征控制,而在路面长期服役过程中,因反复行车荷载导致的集料颗粒压实效应、固体小颗粒在混合料空隙内的堆积等作用使得混合料易出现空隙堵塞现象,导致路面渗排水能力出现不同程度的下降。为确保排水沥青路面的持久渗排水能力,需要深入了解水分在排水沥青混合料内部的渗透规律,评估其渗水性能衰减的主要影响因素。本文围绕空隙堵塞条件影响下的排水沥青路面内部水分渗透行为问题,以排水沥青混合料内部水分渗透过程为研究对象,运用宏、细观分析方法,多尺度表征排水沥青混合料内部渗水过程的各向异性,量化堵塞条件影响下的排水沥青路面渗水衰减过程。从宏观上,通过控制空隙率的变化来表征沥青混合料空隙堵塞条件,采用沥青混合料渗透性能各向异性装置开展渗水实验,获得了渗出水量及试件内部滞留水量,从宏观角度量化堵塞条件影响下的排水沥青路面渗水过程的空间各向异性。从细观上,基于X-ray CT扫描和数字图像处理技术,获取排水沥青混合料内部细观结构,选取空隙率、连通空隙率、空隙等效直径、弯曲度以及最小截面面积作为表征空隙变化的细观参数,得到堵塞条件影响下的排水沥青混合料内部空隙的变化过程。结合宏、细观分析结论,基于多孔介质渗流理论,利用ABAQUS建立水-荷载作用下的沥青路面有限元模型,结合细观分析信息对路面内部宏观渗透系数进行修正,模拟轮载作用下的路面渗水过程,获取路面内部渗水速度的时空变化过程。结果表明:排水沥青混合料内部的渗水过程具有明显的各向异性,滞留水量一定程度上可以反映混合料内部的半连通空隙。相比于总空隙率,采用连通空隙率来表征排水沥青混合料的排水性能更加准确,空隙的弯曲度影响排水时间,深度方向的最小空隙截面面积制约着排水能力。排水沥青路面横向渗透行为比垂向渗透行为更为显著,横向渗透系数大约是垂向渗透系数的1.66~2.43倍。随着空隙率衰减,各向渗透能力均有不同程度的衰减,垂向渗透能力衰减相对更快。轮载作用可以加快路面内部水分的垂向渗透。空隙堵塞严重时,水分在面层底部沿水平方向逐渐扩散,扩散范围由路表向内逐渐扩张,延长了水分在路面内部的滞留时间,对路面结构的稳定性不利。综上,较好的垂向渗透能力能够快速消除路表积水,提高行车安全性;当空隙被堵塞导致内部空隙率下降时,需要较高的横向渗透能力将水排出路面结构,提高路面结构耐久性。空隙堵塞条件影响下的排水沥青路面内部水分渗透行为分析,可以量化堵塞条件影响下的排水沥青路面渗水衰减过程,进而为排水沥青路面的设计与养护提供科学性指导建议。


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