[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

说明书

本发明公开了一种考虑湿‑力耦合作用下的路基非均匀湿度场确定方法，具体为：选取某路面结构作为几何模型，假定路面为不透水结构；获取路面结构所在地气象数据；获取不同压实度、上覆应力情况下路基土的水力参数；将土水特征曲线参数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；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，实现湿度场的湿‑力耦合。本发明准确确定任意时刻的路基湿度场变化，能够更加准确的得到路基湿度场的变化规律。

技术领域

本发明属于道路工程技术领域，涉及一种考虑湿-力耦合作用下的路基非均匀湿度场确定方法。

背景技术

路基受降雨入渗、蒸发、植物蒸腾、地下水等复杂的自然环境因素影响，在复杂环境因素作用下，路基湿度在运营期随时间逐步发生改变，而路基湿度状态对路基的服役性能有着显著的影响，准确、合理的研究路基湿度场演变规律对合理预测路基工作性能有着重要的意义。在进行湿度场计算时，路基土土水特征曲线是最为重要的本构方程，路基土土水特征曲线受路基压实度、上覆应力等因素影响，路基在环境条件作用下，含水率升高，将会导致上覆压力的增加，上覆压力的改变又反过来影响路基土水特征曲线，进而影响路基湿度场改变，路基湿度场存在湿-力耦合相互作用关系。目前，通常采用GeoStudio、Ansys等有限元数值计算软件来进行路基湿度场的确定，很难考虑不同因素的耦合关系对路基湿度场变化的影响，因此，无法准确的获取任意时刻的路基湿度场变化。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种考虑湿-力耦合作用下的路基非均匀湿度场确定方法，准确确定任意时刻的路基湿度场变化，能够更加准确的得到路基湿度场的变化规律，解决了现有技术中存在的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种考虑湿-力耦合作用下的路基非均匀湿度场确定方法，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；