[发明专利]考虑湿-力耦合作用下的路基非均匀湿度场确定方法

权利要求书

1.一种考虑湿-力耦合作用下的路基非均匀湿度场确定方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：

步骤S1：选取某路面结构作为几何模型，假定路面为不透水结构，中央分隔带和排水沟性能良好；

步骤S2：获取路面结构所在地气象数据，包括降雨量和蒸散量；

步骤S3：获取不同压实度、上覆应力情况下路基土的水力参数，即初始压力值、饱和渗透系数、土水特征曲线；其中，初始压力值按照最佳含水率选取，饱和渗透系数通过室内渗透试验获得，土水特征曲线采用Van Genuchten模型，见式(1)：

其中：θ_s为饱和体积含水率；θ为体积含水率；θ_r为残余体积含水率；a为与进气值有关的参数；n为土水特征曲线过渡段斜率有关的参数；m为与曲线末端残余含水率有关的参数，m＝1-1/n；h为压力水头，h＝-ψ/(ρg)，ψ为基质吸力，ρ为水的密度，g为重力加速度；

将参数a、n、θ_s改进，表述为关于压实度和上覆应力的函数表达式，如式(2)～(4)所示：

其中：K为压实度；σ为上覆应力；p_a为大气压强；a₀、a₁、a₂、n₀、n₁、n₂、s₀、s₁、s₂为式(2)～(4)的拟合参数；通过拟合得到拟合参数a₀、a₁、a₂、n₀、n₁、n₂、s₀、s₁、s₂；

步骤S4：在进行路基湿度场模拟时，路基含水率的改变会影响土体密度，进而改变上覆压强，上覆压强又影响了土水特征曲线，进而影响湿度场的求解，存在循环依赖关系；通过COMSOL Multiphysics数值软件中的弱形式偏微分方程有限元法实现所述循环依赖关系，得到湿-力耦合作用下的路基非均匀湿度场。

2.根据权利要求1所述的一种考虑湿-力耦合作用下的路基非均匀湿度场确定方法，其特征在于，所述步骤S4具体按照以下步骤进行：

步骤S41：确定COMSOL Multiphysics数值软件中理查兹方程中的基本参数，即路基土的饱和体积含水率θ_s、残余液体体积含水率θ_r、水力传导率K_s、van Genuchten模型中的参数α、n；

其中，水力传导率K_s即所述步骤S3得到的饱和渗透系数；路基土的饱和体积含水率θ_s为与压实度、应力相关的函数，记为S1；van Genuchten模型中的参数α为与压实度、应力相关的函数，记为a1；van Genuchten模型中的参数n为与压实度、应力相关的函数，记为n1；残余体积含水率θ_r、水力传导率K_s设为目标数值；

步骤S42：根据实际需求，通过初始地下水的高度确定水头H₀，并确定质量通量N₀、初始压力p，输入COMSOL Multiphysics数值软件；

步骤S43：在弱形式偏微分方程模块中创建一个新的物理场u，物理场u的两个变量分别为u1、u2，用于将所述式(2)～(4)写入COMSOL Multiphysics数值软件中进行计算；其中，u1在数值上等于Van Genuchten模型中的有效饱和度，对应式(1)中的u2在数值上等于饱和体积含水率θ_s；

步骤S44：设定S1＝abs(u2)，abs()表示绝对值函数，与式(4)对应；a1的表达式与式(2)对应，n1的表达式与式(3)对应；

步骤S45：在进行路基湿度场湿-力耦合计算时，采用向后差分公式的时间进步法进行求解，调整求解器容差设置求解精度，当求解精度满足要求时，完成有限元计算，得到路基质量含水率分布，即得考虑湿-力耦合作用下的路基非均匀湿度场。