一种基于有限元分析的路面水膜厚度估算方法技术

本发明专利技术公开一种基于有限元分析的路面水膜厚度估算方法，首先建立排水路面结构的三维模型，该三维模型包括上面层、中面层、下面层，对三维模型进行材料属性定义和网格划分，获得有限元模型；设置边缘渗流面边界条件，对建模的路面施加降雨荷载与约束，在有限元软件中分析降雨在排水层内部的渗流状态，确定浸润性位置以及不同降雨强度的下面层所需厚度；给定材料属性以及边界条件，在路面上表层给定一个流量值，表示降雨强度，用软件计算后得到路面内部潜水的浸润面，浸润面最大高度即为排水沥青面层所需厚度，通过排水沥青面层所需厚度减去排水层厚度即为路面水膜厚度。本发明专利技术能够精确得出路面水膜厚度，真实、客观地反映路面排水性能。性能。性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于有限元分析的路面水膜厚度估算方法


[0001]本专利技术涉及路面结构性能评估方法，尤其涉及一种基于有限元分析的路面水膜厚度估算方法。

技术介绍

[0002]排水沥青路面的功能是排除路表水，通过削弱水膜厚度提升路面抗滑性能，因此明确不同工况下路面水膜厚度，有利于提升路面安全性。目前，仅从室内试验评价材料排水能力的评估手段具有较大的局限性，首先，室内试验以人为操作为主，由于路面排水性能受多种因素的影响，试验过程的变量及参数较多，从而增加了室内试验的计算量，其次，由于试验过程较难避免人为主观因素的干扰，使得评估结果存在主观不确定性，无法保证评估精度。

技术实现思路

[0003]专利技术目的：针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种基于有限元分析的路面水膜厚度估算方法。
[0004]技术方案：一种基于有限元分析的路面水膜厚度估算方法，包括如下步骤：
[0005]S1，建立排水路面结构的三维模型，所述三维模型包括由上至下的上面层、中面层、下面层，定义上面层和中面层为透水层，下面层为不透水层；所述三维模型采用平面应变单元模拟面层，对该三维模型进行材料属性定义和网格划分，获得有限元模型；
[0006]S2，设置边缘渗流面边界条件，限定雨水只能从靠近边沟的一面排出，将此面定义为雨水的边缘渗出面，三维模型中除了路面上表层和边缘渗流面之外，其他面均为不透水面；
[0007]S3，对建模的路面施加降雨重力荷载，并根据材料属性，对建模的路面添加构建约束；
[0008]S4，基于有限元模型，分析降雨在上面层、中面层内部的渗流状态，确定浸润性位置，根据浸润线位置确定不同降雨强度的下面层所需厚度；给定上面层、中面层的材料属性以及边缘渗流面边界条件，在路面上表层给定一个流量值，该流量值表示降雨强度；计算路面内部潜水的浸润面，浸润面最大高度即为最深处水膜厚度m最深处水膜厚度；
[0009]S5，定义上面层和中面层的厚度之和为排水层厚度，通过最深处水膜厚度减去排水层厚度即为路面水膜厚度：
[0010]m
水膜厚度
＝m
最深处水膜厚度
‑
m
排水层厚度
[0011]若结果为负，则表示路面不会产生水膜。
[0012]具体的，所述材料属性包括面层厚度、横向坡度、纵向坡度、密度、空隙率、排水层各方向渗透系数、基质吸力参数。所述排水层各方向渗透系数通过常水头试验测定。
[0013]进一步的，在上面层与中面层之间不设置防水粘结层，使得降水能够自由流通；在中面层与下面层之间设置防水粘结层，使得两层之间不透水。
[0014]进一步的，所述降雨强度由路面所在模拟路段的降雨观测站提供的降雨模型确定。可选的，所述降雨强度i
p
由如下降雨模型确定：
[0015][0016]式中，p表示降雨重现期，单位为年；t表示降雨历时，单位为min；i
p
表示降雨重现期p所对应的平均降雨强度，单位为mm/min。
[0017]进一步的，步骤S4中，采用试算法，在有限元分析软件中调整材料及降雨强度属性，分析雨水在上面层、中面层内部的渗流状态，确定浸润性位置。
[0018]有益效果：和现有技术相比，本专利技术具有如下显著进步：
[0019]1、基于有限元分析，针对多种材料属性以及复杂边界条件，对不同情况的路面进行直观的排水工况模拟，具有较强的灵活性和适用性。
[0020]2、综合考虑了多种影响因素，数据来源可靠，能够精确得出路面水膜厚度，真实、客观地反映路面排水性能。
附图说明
[0021]图1为本专利技术实施例的的重现期p＝5年下南通市降雨时间和平均降雨强度的关系曲线；
[0022]图2为本专利技术实施例的重现期p＝5年下的横向坡度2％(半幅路面)水面线形态；
[0023]图3为本专利技术实施例的重现期p＝5年下的空隙率18％沥青路面内部浸润面厚度随时间的变化示意图。
具体实施方式
[0024]下面将结合说明书附图，对本专利技术技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。
[0025]一种基于有限元分析的路面水膜厚度估算方法，包括如下步骤：
[0026]S1，建立排水路面结构的三维模型，三维模型包括由上至下的上面层、中面层、下面层，定义上面层和中面层为排水沥青混合料，具有透水性能，下面层为不透水层。三维模型采用平面应变单元模拟面层，对该三维模型进行材料属性定义和网格划分，获得有限元模型。
[0027]其中，材料属性包括面层厚度、横向坡度、纵向坡度、密度、空隙率、排水层各方向渗透系数、基质吸力参数；排水层各方向渗透系数通过常水头试验测定。
[0028]优选的，在上面层与中面层之间不设置防水粘结层，使得降水能够自由流通；在中面层与下面层之间设置防水粘结层，使得两层之间不透水。
[0029]S2，设置边缘渗流面边界条件，限定雨水只能从靠近边沟的一面排出，将此面定义为雨水的边缘渗出面，三维模型中除了路面上表层和边缘渗流面之外，其他面均为不透水面。
[0030]S3，对建模的路面施加降雨重力荷载，根据材料属性对模型添加构建约束，以此来模拟降雨在不同降雨强度以及不同材料属性路面的渗透情况。
[0031]S4，基于有限元模型，分析降雨在上面层、中面层内部的渗流状态，确定浸润性位置，根据浸润线位置确定不同降雨强度的下面层所需厚度。具体的，可采用试算法，在有限元分析软件中调整材料及降雨强度属性，分析雨水在上面层、中面层内部的渗流状态，来确定浸润性位置。
[0032]给定上面层、中面层的材料属性以及边缘渗流面边界条件，在路面上表层给定一个流量值，该流量值表示降雨强度，计算路面内部潜水的浸润面，随着流量值的不同，浸润面的空间分布发生改变，浸润面最大高度即为最深处水膜厚度m最深处水膜厚度。
[0033]S5，定义上面层和中面层的厚度之和为排水层厚度，通过最深处水膜厚度减去排水层厚度即为路面水膜厚度：
[0034]m
水膜厚度
＝m
最深处水膜厚度
‑
m
排水层厚度
[0035]若结果为负，则表示路面不会产生水膜。
[0036]可选的，降雨强度由路面所在模拟路段的降雨观测站提供的降雨模型确定。
[0037]下面采用本专利技术所介绍的方法，计算江苏省南通市某路段在不同工况下的路面水面厚度。
[0038]以江苏省南通市政府公布的如下暴雨强度公式作为降雨模型：
[0039][0040]式中，p表示降雨重现期，单位为年；t表示降雨历时，单位为min；i
p
表示降雨重现期p所对应的平均降雨强度，单位为mm/min。
[0041]计算重现期p＝5时不同降雨历时下平均降雨强度，如图1所示。
[0042]进行有限元建模，并设置材料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于有限元分析的路面水膜厚度估算方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，建立排水路面结构的三维模型，所述三维模型包括由上至下的上面层、中面层、下面层，定义上面层和中面层为透水层，下面层为不透水层；所述三维模型采用平面应变单元模拟面层，对该三维模型进行材料属性定义和网格划分，获得有限元模型；S2，设置边缘渗流面边界条件，限定雨水只能从靠近边沟的一面排出，将此面定义为雨水的边缘渗出面，三维模型中除了路面上表层和边缘渗流面之外，其他面均为不透水面；S3，对建模的路面施加降雨重力荷载，并根据材料属性，对建模的路面添加构建约束；S4，基于有限元模型，分析降雨在上面层、中面层内部的渗流状态，确定浸润性位置，根据浸润线位置确定不同降雨强度的下面层所需厚度；给定上面层、中面层的材料属性以及边缘渗流面边界条件，在路面上表层给定一个流量值，该流量值表示降雨强度；计算路面内部潜水的浸润面，浸润面最大高度即为最深处水膜厚度m最深处水膜厚度；S5，定义上面层和中面层的厚度之和为排水层厚度，通过最深处水膜厚度减去排水层厚度即为路面水膜厚度：m
水膜厚度
＝m
最深处水膜厚度
‑
m
排水层厚度

【专利技术属性】
技术研发人员：金光来，李一鹤，张志祥，
申请(专利权)人：江苏中路工程技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：