双层排水沥青路面动水压力变化规律分析方法技术

本发明专利技术是一种双层排水沥青路面动水压力变化规律的分析方法，属于排水沥青路面技术领域。解决构建双层排水沥青路面模型时，通过在虚拟区域设定空隙率生成均匀的孔隙来表征双层排水沥青路面孔隙结构，与沥青混合料摊铺后空隙自然分布不一致，且难以真实反映双层排水沥青路面上、下层动水压力变化规律的问题。本发明专利技术采用离散元软件生成集料颗粒组成颗粒床层作为双层排水沥青路面组合模型，将该模型导入计算流体动力学软件进行多相流计算，揭示双层排水沥青路面上、下层动水压力变化规律。本发明专利技术中的双层排水沥青路面模型与沥青混合料摊铺过程生成的孔隙吻合度高，对双层排水沥青路面上、下层动水压力的分析及车辆安全行驶具有十重要的现实意义。

【技术实现步骤摘要】
双层排水沥青路面动水压力变化规律分析方法
本专利技术是一种双层排水沥青路面动水压力变化规律的分析方法，属于排水沥青路面

技术介绍
夏季降雨量较大，传统的密集配沥青路面因其内部孔隙小无法及时排出导致路表面滞留水，水分只能从道路表面利用其横坡排出，由于路缘石阻拦作用，路表面会积留大量雨水，致使道路积水现象更加严重。当车辆以较高的车速通过时，对于路表水膜产生一定量的扰动，一部分的表面滞留水因车轮荷载作用被瞬时挤压入沥青内部空隙，产生较高的孔隙水压力，当车轮荷载移除时，孔隙内部水也会因泵吸作用向外排出，形成负孔隙水压力，正负孔隙水压力依次交替出现。在负孔隙水压力等因素影响下，轮胎与路表面接触面积变小，加上汽车车速较快等因素，汽车轮胎易打滑。此外，车轮还会在沥青路面孔隙结构内部产生较大的动水压力，加剧了路面水损害。特别是雨天时，车辆行驶时溅起的水雾也影响后车安全行驶。另一方面，路面表面滞留水因高速冲击作用，会从车轮胎两侧和轮胎花纹缝隙向四周排出，形成瞬时的冲刷水压力，两种水压力同时发生，对集料表面的沥青膜产生较大冲刷，导致沥青膜剥落，引起沥青路面松散、坑槽等破坏，进而对沥青路面结构层产生不利影响。沥青路面暴露在自然环境中，受水损坏和荷载的作用下，极易出现松散、剥落等病害。沥青路面水损害方面的大量分析表明，动水压力是沥青路面水损害的一个重要的诱因。近年来，沥青路面动水压力的分析主要侧重于现场实测、数值模拟、实测数据与数值计算拟合分析、动水压力影响因素等方面。对于车辆荷载作用下产生动水压力的分析主要是通过开展动水压力的数值模拟和在路面结构层埋置传感器进行实测。对动水压力进行实测是目前较为普遍采用的方式。国内外学者的分析发现，动水压力在沥青路面水损坏中起着重要作用。但是，因为沥青混合料摊铺时温度一般在150℃以上，普通的孔隙水压传感器不能直接埋设，对路面内部埋置的传感器得出的数据存在不同程度的影响，导致目前动水压力的实测数据很少。目前虽然对水损坏的发展规律及水的作用也进行过一些探讨，但经验性的偏多，缺乏基于实测数据的定量分析，使得对动水压力引发水损坏的驱动作用和机理分析并不深入。根据现有的技术条件，现场实测的动水压力尚难完全真实表征实际受力环境。再者，由于在沥青混合料中埋置传感器，因数量较多，会出现较原来空隙率增大或出现传感器受水压力面增大的现象。按照水力学原理，均会导致所测试的孔隙水压力偏小。在这些室内外试验基础上，根据达西渗流定律的理论分析所得到的沥青路面内部孔隙水压力也会偏小。目前也有学者通过数值模拟的方法对沥青路面动水压力进行分析，但大多主要考虑轮胎的受力特性，如轮胎侧滑、水漂等，对双层排水沥青路面这一具有不同空隙率的上、下层结构组合的动水压力变化规律分析有待进一步研究。其次，不同的数值模型对双层排水沥青路面上、下层动水压力变化规律也起决定性作用，而目前常见的数值计算模型较为简单，主要通过在虚拟区域中设定空隙率生成均匀的孔隙来表征双层排水沥青路面孔隙结构状况，与多孔沥青混合料摊铺后孔隙自然分布规律不一致，与实际双层排水沥青路面孔隙结构存在较大差距，因而计算出的双层排水沥青路面上、下层动水压力分布结果与实际差别较大，存在较大误差。鉴于此，为了揭示双层排水沥青路面动水压力分布规律，基于离散元原理，本专利技术提供一种采用离散方法生成一定数量集料颗粒组成颗粒床层作为双层排水沥青路面结构组合模型，将生成的双层排水沥青路面结构组合离散元模型导入计算流体动力学软件，对双层排水沥青路面结构组合离散元模型进行多相流计算分析，从而揭示双层排水沥青路面上、下层动水压力变化规律。
技术实现思路
(1)技术问题本专利技术目的是提供一种双层排水沥青路面层动水压力变化规律的分析方法，解决在构建双层排水沥青路面动水压力模型时，在虚拟区域中设定空隙率，生成均匀的孔隙结构来表征双层排水沥青路面孔隙结构状况，与多孔沥青混合料摊铺后孔隙自然分布情况不一致，且难以真实反映在行驶车轮荷载作用下双层排水沥青路面上、下层动水压力变化规律及其相互影响的问题。(2)技术方案为了解决在构建双层排水沥青路面动水压力模型时，在虚拟区域中设定空隙率，生成均匀的孔隙结构代表排水沥青路面孔隙结构状况，与双层排水沥青路面摊铺后空隙自然分布情况不一致，且难以真实反映在行驶车轮荷载作用下双层排水沥青路面上、下层动水压力变化规律的问题。本专利技术技术方案如下：首先，使用CAD软件建立双层排水沥青路面整体框架，如图1所示，将该框架导入离散元软件后，分别在上、下层框架生成不同厚度和空隙率的集料颗粒，同时生成与模型顶面尺寸相同的板，集料颗粒经板压实后生成Bond键，形成双层排水沥青路面模型。然后，使用Python代码将.dem文件格式转为.stl文件格式，并导入有限元软件，在导入的双层排水沥青路面模型上添加车轮，然后进行网格划分。最后，使用计算流体动力学软件对含有车轮的双层排水沥青路面模型进行计算，获得不同工况下的双层排水沥青路面速度、压力分布等云图，通过云图中数值分布来揭示双层排水沥青路面上、下层动水压力的分布规律。(3)有益效果双层排水沥青路面因其具有较好的降噪性能、排水性能以及抗堵塞能力，在国外使用广泛，但随着使用年限的增长，杂物颗粒沉积于双层排水沥青路面孔隙中容易造成孔隙堵塞现象，水流在孔隙中渗流情况极为复杂，对其降噪性能、排水性能、抗堵塞性能造成一定影响。车辆高速行驶时，轮胎将水压入路面空隙中产生动水压力一方面会对沥青路面造成松散剥落等病害，另一方面，车轮离开压入点时，被急剧压缩的孔隙中的空气迅速膨胀产生负向压力，负向压力将孔隙中的水挤出路面，这种负向孔隙水压力对轮胎产生的升力会使轮胎与路表面接触面积变小，会出现汽车轮胎打滑，车辆制动距离变长等现象，影响了交通安全。本专利技术提供了一种双层排水沥青路面动水压力变化规律的分析方法，根据离散元软件构建的双层排水沥青路面模型，建立该模型的计算流体动力学分析方法，对减少因动水压力导致的路面损坏及车辆安全行驶具有十分重要的现实意义。附图说明图1双层排水沥青路面结构的整体框架示意图1-横坡，2-双层排水沥青路面上层框架，3-双层排水沥青路面下层框架具体实施方式本专利技术提供一种双层排水沥青路面动水压力变化规律分析方法，具体实施步骤如下：(1)双层排水沥青路面的下层和上层沥青混合料的级配分别采用多孔沥青混合料(PA)-20和PA-13，基于离散元方法建立两种级配的集料组成模型，PA-20只考虑粒径为20mm、16mm、13.2mm、9.5mm及4.75mm的集料颗粒，PA-13级配只考虑粒径为13.2mm、9.5mm及4.75mm的集料颗粒，设置PA-20、PA-13两种级配集料的杨氏模量、恢复系数、黏结半径，利用离散元软件自动计算颗粒质量与密度；(2)使用计算机辅助设计(CAD)软件建立长、宽、高分别为600mm、400mm、100mm且顶面中心至两侧具有2％横向坡度的几何体作为双层排水沥青路面整体框架，其中，双层排水沥青路面上层框架的长本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双层排水沥青路面动水压力变化规律的分析方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：/n(1)双层排水沥青路面的下层和上层沥青混合料的级配分别采用多孔沥青混合料(PA)-20和PA-13，基于离散元方法建立两种级配的集料组成模型，PA-20只考虑粒径为20mm、16mm、13.2mm、9.5mm及4.75mm的集料颗粒，PA-13级配只考虑粒径为13.2mm、9.5mm及4.75mm的集料颗粒，设置PA-20、PA-13两种级配集料的杨氏模量、恢复系数、黏结半径，利用离散元软件自动计算颗粒质量与密度；/n(2)使用计算机辅助设计(CAD)软件建立长、宽、高分别为600mm、400mm、100mm且顶面中心至两侧具有2％横向坡度的几何体作为双层排水沥青路面整体框架，其中，双层排水沥青路面上层框架的长、宽、高分别为600mm、400mm、60mm，下层框架的长、宽、高分别为600mm、400mm、40mm，将该模型整体框架导入离散元软件，在离散元软件中，将双层排水沥青路面下层框架内填满PA-20级配的集料颗粒，上层框架内填满PA-13级配的集料颗粒；/n(3)添加Hertz-Mindlin with bonding接触模型，并通过试验对Bond键中单位面积法向刚度、单位面积剪切刚度、临界法向应力、临界剪切应力及黏结板半径进行标定，表征沥青在沥青混合料中的胶结作用，在数值计算结束前，在不同粒径的集料颗粒之间生成Bond键，形成粘结强度，建立双层排水沥青路面模型；/n(4)使用Python程序将离散元软件导出的双层排水沥青路面模型格式转化为.stl格式，将.stl格式文件导入有限元软件，添加车轮模型，并设置流体域与流体边界层，划分网格后，生成.msh文件；/n(5)将.msh文件导入有限元软件，设置计算流体动力学软件中多相流模型与湍流模型，设定双层排水沥青路面模型的流体域，为了体现双层排水沥青路面不同的水膜厚度，将水流速度入口高度分别设置2mm、6mm、8mm及10mm，对双层排水沥青路面进行计算流体动力学分析；/n(6)将双层排水沥青路面模型、水和空气相对于车轮的运动速度分别设置为11m/s、16.7m/s、25m/s及33.3m/s，从而使双层排水沥青路面模型上车轮保持相对静止，分别模拟车辆以40km/h、60km/h、90km/h及120km/h的速度行驶在具有不同水膜厚度条件下双层排水沥青路面上；/n(7)运行双层排水沥青路面计算流体动力学模型，获得不同工况下的双层排水沥青路面上、下层流体相分布云图、速度分布云图、压力分布云图及水流迹线图，通过云图分布规律分别对不同工况下双层排水沥青路面上、下层水流迹线、水相分布位置及不同高度的压力值进行分析，揭示双层排水沥青路面动水压力分布规律。/n...

【技术特征摘要】
1.一种双层排水沥青路面动水压力变化规律的分析方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：
(1)双层排水沥青路面的下层和上层沥青混合料的级配分别采用多孔沥青混合料(PA)-20和PA-13，基于离散元方法建立两种级配的集料组成模型，PA-20只考虑粒径为20mm、16mm、13.2mm、9.5mm及4.75mm的集料颗粒，PA-13级配只考虑粒径为13.2mm、9.5mm及4.75mm的集料颗粒，设置PA-20、PA-13两种级配集料的杨氏模量、恢复系数、黏结半径，利用离散元软件自动计算颗粒质量与密度；
(2)使用计算机辅助设计(CAD)软件建立长、宽、高分别为600mm、400mm、100mm且顶面中心至两侧具有2％横向坡度的几何体作为双层排水沥青路面整体框架，其中，双层排水沥青路面上层框架的长、宽、高分别为600mm、400mm、60mm，下层框架的长、宽、高分别为600mm、400mm、40mm，将该模型整体框架导入离散元软件，在离散元软件中，将双层排水沥青路面下层框架内填满PA-20级配的集料颗粒，上层框架内填满PA-13级配的集料颗粒；
(3)添加Hertz-Mindlinwithbonding接触模型，并通过试验对Bond键中单位面积法向刚度、单位面积剪切刚度、临界法向应力、临界剪切应力及黏结板半径进行标定，表征沥青在沥青混合料...

【专利技术属性】
技术研发人员：许涛，许杰，孔成维，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32