路基路面施工技术论文提纲

论文题目：基于格子Boltzmann方法的路面路基细观渗流特性及试验研究

摘要：在我国南方多雨湿热地区,公路路面路基水损害问题比较突出,其中需解决的最基本问题是准确得到路面路基材料的渗流特性与路面水渗入率,从而经济合理地进行路面路基防排水结构设计、施工与养护。以往的相关研究,多基于宏观角度及传统计算流体力学方法,但基于细观结构的渗流规律研究较少。论文首次将格子Boltzmann方法（LBM）引入路面路基防排水设计与分析中,通过X-ray CT和SEM扫描图像技术研究不同类型的路面路基材料细观结构;采用饱和单相流动模拟计算路面沥青混合料与路基花岗岩残积土填料细观渗流特性,并通过室内试验进行验证;利用LBM方法的特点与优势,进一步探讨多孔介质孔隙细观渗流与裂隙细观渗流一般特性及其影响因素;综合上述研究结果,分析讨论了路面路基整体结构路面水渗入率问题;最后,通过南方多雨地区不同路面结构状况下的路基现场含水率长期、系统监测,验证了本文路面路基材料细观渗流特性的有关研究结论。论文的主要工作和创新成果如下:（1）通过室内成型与现场取芯,基于X-ray CT图像探讨南方地区实际工程中四类典型沥青混合料（AC-13C、SMA-13、GAC-16C、OGFC-13）的内部空隙结构特征参数（空隙率、空隙连通性、空隙体积、空隙平均直径与弯曲度等）。（2）基于扫描电镜方法（SEM）探讨南方地区典型路基填料花岗岩残积土原状样及其在不同压实度下的内部孔隙结构特征参数（孔隙率、孔隙直径、形状系数和分形分盒维数等）。（3）鉴于路面沥青混合料的渗水性能的重要性,以及目前室内与现场渗水试验方法存在诸多缺陷,自行研制了可加围压侧壁橡胶膜止水沥青混合料渗透系数测试仪,测试理论严谨、操作简单、结果可靠。（4）基于X-ray CT图像进行沥青混合料芯样三维重建,采用格子Boltzmann方法探讨其在三个方向的渗透系数kxx、kyy、kzz及其渗透系数偏量kxz、kyz等,并利用自行研制的渗透系数测试仪,通过室内试验进行对比分析。（5）基于花岗岩残积土SEM图像,研究分析细观孔隙结构特征,并采用四参数随机生长法（QSGS）进行三维重建,采用格子Boltzmann方法探讨其原状样及不同压实度下的渗透系数kzz(=kxx=kyy),并通过室内试验进行对比分析。（6）格子Boltzmann方法方便处理复杂边界条件优势,研究分析管道直径变化、弯曲度及形状系数对单一管道渗流特性影响,探讨多孔介质三维细观渗流的一般规律性。（7）研究分析了粗糙度、隙宽变化与弯曲度对路面路基裂隙渗流特性的影响,探讨复杂裂隙细观渗流的一般规律性。（8）以路面路基整体作为研究对象,推导路面水渗入率计算公式,得到路面渗水量与排水量的准确计算方法,并修正现行排水规范的路面渗水率经验值。（9）选择南方多雨地区的两条典型高速公路进行路基含水量长期现场监测,进一步验证了路面路基渗流特性、路面渗入率计算分析与测试的准确性,为今后的路面路基防排水设计与施工提供有价值的参考。

关键词：路面路基排水设计;连通孔隙率;弯曲粗糙裂隙;路面水渗入率;格子Boltzmann方法（LBM）;含水率长期现场监测

学科专业：道路与铁道工程

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 沥青路面材料内部渗流特性研究

1.2.2 公路路基材料内部渗流特性研究

1.2.3 格子Boltzmann方法在多孔介质细观渗流中的应用研究

1.3 本文主要研究内容

1.4 本章小结

第二章 多孔介质细观渗流研究的基本方法

2.1 多孔介质孔隙特征分析

2.1.1 多孔介质细观图像获取方法

2.1.2 多孔介质孔隙特征分析方法

2.2 基于格子Boltzmann方法多孔介质饱和单相渗流理论

2.2.1 饱和单相单弛豫时间模型

2.2.2 常用的边界处理格式

2.2.3 格子单位与物理单位之间转换

2.3 本章小结

第三章 公路路面路基空(孔)隙结构细观研究

3.1 试件制备

3.1.1 室内试验样品制备

3.1.2 现场取样样品

3.1.3 仪器设备性能

3.2 路面沥青混凝土空隙结构特征分析

3.2.1 面空隙分析

3.2.2 体空隙分析

3.2.3 连通空隙分析

3.2.4 弯曲度分析

3.3 花岗岩残积土孔隙结构特征分析

3.3.1 孔隙率计算

3.3.2 等效平均孔隙半径及分布

3.3.3 孔隙分形盒维数计算

3.4 本章小结

第四章 基于格子Boltzmann方法路面路基饱和单相渗流研究

4.1 饱和单相渗流模型验证

4.2 不同沥青混合料渗透系数室内试验与数值模拟

4.2.1 沥青混合料渗透系数测定仪研制与试验

4.2.2 沥青混合料渗透系数数值模拟计算

4.3 花岗岩残积土渗透系数室内试验与数值模拟

4.3.1 花岗岩残积土渗透系数室内试验

4.3.2 花岗岩残积土渗透特性数值模拟

4.4 路面沥青混合料渗透系数分量计算与分析

4.4.1 竖直方向与水平方向渗透系数关系

4.4.2 主向与切向渗透系数关系

4.4.3 不同芯样高度渗透系数关系

4.5 本章小结

第五章 路面路基多孔介质三维细观渗流特性数值模拟

5.1 管道渗流单一影响因素分析

5.1.1 弯曲度对单一管道渗流影响

5.1.2 喉道对单一圆管渗流影响

5.1.3 截面形状对单一圆管渗流影响

5.2 多孔介质三维细观渗流综合影响因素分析

5.2.1 连通孔隙率对多孔介质三维渗流影响分析

5.2.2 多因素对多孔介质三维渗流综合影响分析

5.3 路面路基多孔介质三维渗流试验验证

5.4 本章小结

第六章 基于粗糙度与弯曲度的沥青混合料单裂隙渗流特性研究

6.1 单裂隙面渗流理论

6.2 单裂隙面渗流修正公式

6.2.1 隙宽不变,粗糙单裂隙面渗流修正公式

6.2.2 上下裂隙面光滑,变隙宽渗流公式

6.2.3 吻合粗糙裂隙面,变隙宽渗流公式

6.2.4 基于弯曲度光滑裂隙面渗流特性

6.3 沥青混合料单裂隙面渗流室内试验与分析

6.3.1 试验过程

6.3.2 试验结果与分析

6.4 本章小结

第七章 路面路基结构路面水渗入率简化计算与分析

7.1 路面路基结构路面水渗入率简化计算模型

7.2 路面水渗入率的计算分析

7.2.1 模型解析

7.2.2 路面水渗水量计算

7.3 讨论分析

7.3.1 计算分析

7.3.2 现场试验分析

7.4 本章小结

第八章 公路路基内部含水率现场监测与分析

8.1 广佛高速公路试验段现场试验与监测

8.1.1 工程概况

8.1.2 现场监测方案

8.1.3 现场监测结果及分析

8.2 茂湛高速公路试验段现场试验与监测

8.2.1 工程概况

8.2.2 现场监测方案

8.2.3 现场监测结果及分析

8.3 监测试验段改扩建及路况跟踪检测

8.3.1 广佛高速试验段路面跟踪检测分析

8.3.2 茂湛高速试验段路面跟踪检测分析

8.4 本章小结

结论与展望

1 主要结论

2 论文主要创新点

3 进一步研究设想

参考文献

致谢

附件