饱和沥青路面动力耦合分析与路面非饱和水设计理论研究

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。