雨水冲刷作用下双层排水沥青路面空隙堵塞特性.pdf
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1、第 卷第 期 年 月东 南 大 学 学 报(自 然 科 学 版)().:./.雨水冲刷作用下双层排水沥青路面空隙堵塞特性蔡正森范剑伟马 涛朱雅婧(东南大学交通学院 南京)(广东华路交通科技有限公司 广州)摘要:基于流固耦合数值仿真划分了雨水渗流下双层排水沥青路面的堵塞阶段明确了不同粒径路表沉积物的堵塞比例得到了易堵塞沉积物的粒径区间分析了双层排水路面上层空隙率、渗流速率、路表沉积物质量和单、双层排水路面结构对堵塞结果的影响.结果表明双层排水路面上下层与整体空隙的堵塞阶段各异.随着上层空隙率增加堵塞物粒径分布区间增大上层空隙堵塞加剧而限制整体排水功能.随着渗流速率增大沉积物堵塞比例下降.随着单位
2、面积沉积物质量增加路面空隙中小粒径沉积物以大粒径沉积物为核心聚集加剧堵塞.与单层排水路面相比双层排水路面中沉积物堵塞比例明显降低且堵塞物粒径分布区间增大表明双层排水路面抗堵塞能力更佳.该研究可为排水路面设计与堵塞预估提供参考.关键词:雨水渗流双层排水路面空隙堵塞流固耦合沉积物中图分类号:文献标志码:文章编号:()()(.):.:收稿日期:.作者简介:蔡正森()男博士生马涛(联系人)男博士教授博士生导师.基金项目:国家自然科学基金资助项目()、国家重点研发计划资助项目()、宁夏回族自治区重点研发计划资助项目().引用本文:蔡正森范剑伟马涛等.雨水冲刷作用下双层排水沥青路面空隙堵塞特性.东南大学学
3、报(自然科学版)():.:./.:/.排水沥青路面具有较大的空隙率雨水从连通空隙中迅速排出可有效抑制路面的水漂现象增强雨天行车的安全性并具有一定的降噪功能.排水沥青路面建成后由轮胎磨损物和空气中细颗粒组成的路表沉积物随降雨不断进入排水路面内部形成空隙中的堵塞物使路面排水性能下降.随着空隙率的增大排水路面的排水性能增强但空隙更易堵塞且结构承载能力下降.为在保证结构性能的前提下充分提升排水性能且增强抗堵塞性能目前在传统单层排水路面的基础上发展形成了双层排水路面.双层排水路面上层最大公称粒径较小空隙率较低对路表沉积物起阻挡作用下层最大公称粒径较大空隙率较高排水性能较好上下层结合可同时实现较好的抗堵塞
4、性能与排水性能.但目前对双层排水路面的研究仍不足.对排水路面空隙堵塞的研究目前主要有以下 种方法:开展足尺试验或对所铺筑排水路面进行长期观测 制备试件开展室内堵塞试验 应用离散元等数值方法进行模拟试验.研究表明排水路面空隙的堵塞状态与排水路面级配和厚度、堵塞物粒径和质量、雨水径流速率、降水频率以及养护清洗方式等因素 均明显相关.在颗粒堵塞作用下排水路面的空隙率先经历一个快速降低的过程此后堵塞速率逐渐减缓直至达到相对稳定状态.当堵塞物粒径大于空隙平均粒径时堵塞更易发生在排水路面表面而当堵塞物粒径较小时堵塞易发生在排水路面内部.为表征排水路面的堵塞状态目前主要有直接法和间接法 种方法.直接法传统上
5、大多通过 扫描、光学显微镜等直接观测堵塞前后排水路面空隙的变化情况或测试堵塞物颗粒在空隙中的堵塞沉积状态但空隙堵塞过程的实测操作复杂且干扰因素较多而近年来兴起的离散元 计算流体动力学()流固耦合数值模拟方法可以有效还原堵塞的微观机制及其发展过程.间接法通过测试排水路面的排水性能指标如渗水系数等间接表征空隙的堵塞情况渗水系数随空隙堵塞的发展而降低.此方法操作较为简便所测得的宏观排水性能指标与实际工程需求联系较紧密但对堵塞机制的揭示存在不足.当空隙堵塞严重时可通过清洗部分空隙恢复排水性能.本文开展流固耦合数值仿真并通过室内试验验证仿真可靠性模拟雨水渗流作用下双层排水路面的堵塞阶段明确不同粒径路表沉
6、积物的堵塞比例得到易堵塞沉积物的粒径区间并对比模拟与试验结果以验证仿真模型的准确性.进一步研究双层排水路面上层空隙率、渗流速率和路表沉积物质量对堵塞结果的影响并将双层排水路面空隙堵塞结果与单层排水路面进行对比.研究结果可为排水沥青路面的设计与堵塞预估提供参考.试验与模拟.排水路面材料本文所选用的双层排水路面由.混合料上层和 混合料下层组成 和 混合料的油石质量比分别为.和.作为对比单层排水路面选 用 混合料油石质量比为.、和 混合料均采用加入 改性剂质量分数为的高黏沥青集料均为玄武岩各混合料级配如图 所示.空隙率根据下文要求设置.()原图()模型图 种代表性集料的原图及其模型.数值建模与流固耦
7、合仿真流固耦合模型将离散元所构建的双层排水路面结构与计算流体动力学所表征的雨水渗流作用相耦合.首先构建 种代表性集料的模型采用 射线断层扫描仪对粗集料进行扫描应用 软件对扫描图片进行降噪、阈值分割处理应用 模块中自带的二元及中间面插值算法构建三维轮廓 并将轮廓导入离散元软 件 中以半径不同的小球填充集料轮廓.种代表性集料的原图及其模型如图 所示.排水沥青混合料由集料相、胶浆相与空隙相共同组成.其中集料相由粒径大于.的各档集料组成胶浆相由高黏沥青和粒径小于.的集料与矿粉组成.对粒径大于.的各档集料根据表 选用图 所示的 种集料模型按一定比例缩放以表征不同粒径的集料各档集料模型随机投放.为保证计算
8、效率参照相关研究中的处理方法将胶浆相统一由 的小球表征.对初步构建的路面模型进行轴向压实最终所东南大学学报(自然科学版)第 卷:/.得双层排水路面模型的尺寸为 .其中上、下层高度分别为.和 单层排水路面模型的尺寸为 .单、双层模型的空隙率根据下文要求设置模型如图 所示图中黑色颗粒为表征胶浆相的小球浅灰与深灰色均为集料相.表 排水沥青混合料质量分数混合料类型粒径/.双层.双层.单层.()单层模型()双层模型图 排水路面离散元模型 路表沉积物主要由轮胎磨损物和空气中细颗粒组成受交通量和气候条件影响不同区域的沉积物类型、级配与含量均有较大差别.上海某排水路面使用 年后经清洗所得堵塞物的级配数据如表
9、所示可见.以下粒径的堵塞物所占比例超过 据此构建沉积物的离散元模型.为保证计算效率粒径小于.的沉积物统一用直径为.的圆球表征其余各档沉积物均以直径为此档中值粒径的圆球表征.表 上海某排水路面堵塞物的级配粒径/.通过率/.应用 软件内置的流固耦合模块分别使用 和 ()接触模型表征沉积物 沉积物以及沉积物 路面单元之间的相互作用.参照相关研究接触模型参数中的碰撞恢复系数、静摩擦系数和滚动摩擦系数分别设置为.、.和.沉积物颗粒的表面能为 /杨氏模量为 泊松比为.密度为 /.模拟开始前首先根据所选的沉积物质量在模型顶部随机投放上文所述的沉积物颗粒.模型侧面边界均设置为不透水模拟中雨水以一定的渗流速率从
10、模型顶面流入而从底面流出同时添加重力场使沉积物在水流和重力作用下进入路面模型中如图 所示.沉积物与路面单元之间可发生碰撞但仅沉积物发生位移而路面单元保持静止直至路面模型中残留沉积物的质量保持稳定后停止模拟.参考现有研究与工程实践本文设置、/三个渗流速率 、三种双层排水路面的空隙率组合并选用双层和单层 种排水路面结构.上海某排水路面清洗所得堵塞物的数据表明排水路面空隙的堵塞速率约为每年./考虑路图 流固耦合模型面沉积物并非完全堵塞于排水路面空隙中设置.、.、./三个单位面积路面沉积物质量.模拟计算堵塞于路面空隙结构中沉积物的堵塞比例(即堵塞于空隙中的沉积物质量与沉积物总质量之比)随时间的变化曲线
11、以及不同粒径沉积物的堵塞比例(即堵塞于排水路面模型空隙中的某档粒径沉积物质量与该档粒径沉积物的总质量之比).试件制备与试验方法早期建成的双层排水路面多采用 方法建设即先摊铺压实下层待下层冷却后在其表面洒布黏层油再摊铺上层沥青并压实.目前已有专用摊铺机可应用 方法进行建设即上下层混合料同时摊铺、同时压实.方法第 期蔡正森等:雨水冲刷作用下双层排水沥青路面空隙堵塞特性:/.铺筑的排水路面相比 方法上下层空隙分布能形成良好的过渡排水性能更佳.因此本文采用 方法成型室内试验试件在 高的车辙板模具内依次放入 混合料和 沥青混合料根据公路工程沥青及沥青混合料试验规程()中 的规定对双层混合料一并进行轮碾压
12、实.成型后对双层车辙板试件进行切割得到 .的长方体试件用于开展室内堵塞试验双层上下层厚度分别为.和 .设计室内试验测试不同粒径沉积物堵塞于排水路面空隙中的质量比.如图 所示先用胶带与防水胶严密封堵试件侧面将试件放入塑料槽中塑料槽的水平截面尺寸略大于封堵后试块的水平截面尺寸.为确保水不会从试件与塑料槽的间隙中流出采用防水胶充分封闭这一间隙.根据表 中的级配由集料与矿粉制备沉积物试样将其均匀洒布于试件顶面总质量记作.之后通过水管向顶面均匀注水收集试件底部流出的滤出液充分过滤后放入烘箱中烘干烘干物的质量记作.取出试件待其干燥后清扫残留于试件顶面的沉积物其质量记作.由此可得堵塞于试件内部的沉积物质量为
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