非均匀多孔沥青混合料中水流的三维细观渗透行为

水流在沥青混合料内部的渗透行为是沥青路面损害的关键因素，以往都是从宏观尺度研究沥青路面的水损害行为。我们针对水流在沥青路面内部的细观水损害行为开展深入研究。首先，借助X-ray CT（Computerized Tomography）和三维数值模拟技术，表征沥青混合料内部空隙的细观分布，识别混合料内部的空隙特征，针对材料密度连续变化特点，结合数字图像处理技术，对CT图像进行高斯平滑和H-maxima转换，以消除图像噪音和降低图像内颗粒像素密度变异性，重点研究分水岭分割算法在沥青混合料CT图像中的实现，对图像内粗集料进行分割与参数量测，并对所提出的方法进行级配验证，获得了一系列研究成果，这是对沥青混合料内部三组份（集料、砂胶和空隙）精细分割的基础；改进了渗透测试装置进行沥青路面渗透行为模拟，对稳态水压力模式的水流渗透冲刷行为取得一定成果。本项目的研究从细观视角揭示封闭混合料内部水流的细观渗透规律，为有效控制水损害奠定理论和技术基础。 2100433B

沥青路面水损害是世界各国面临的重大难题，而水流在沥青路面内部的作用效应是导致其水损害的关键因素。以往研究方法尚未确切阐明水流在混合料内部的渗透行为，本项目拟从沥青混合料的三维细观尺度入手，借助X-ray CT（Computerized Tomography）和三维数值模拟技术，准确表征沥青混合料内部空隙的三维分布，精细识别空隙的连通特征，深度优化现有沥青混合料的三维重构算法，构建反映沥青混合料内部真实三维形貌的数值试样，结合改进的渗透测试装置以及三维流体模型，模拟在不同水力梯度方向和不同水压力模式（稳态、脉动和高脉动）下，水流在混合料细观空隙内的流速、流动路径、水压力传导、冲刷效应以及瑞流特征，并据此建立不同方向上渗透系数的数值预测方法，构建沥青混合料内部动态三维可视化流场模型。本项目旨在从新的视角揭示封闭混合料内部水流的细观渗透规律，为有效控制水损害奠定理论和技术基础。

车辙是沥青路面主要病害之一，严重影响路面行车安全和舒适性。传统的连续均质的分析方法难以体现沥青混合料中集料的离散特性。沥青混合料作为多相复合材料，其力学特性与集料、沥青砂浆及空隙的体积含量、空间分布及细观结构息息相关。项目通过建立沥青混合料细观力学模型，虚拟永久变形试验，从细观结构层次分析沥青混合料的永久变形行为。 首先，考虑粗集料颗粒的不规则形状，编写三维不规则多面体形状集料的生成算法，生成各档粒径。利用X-ray CT扫描及数字图像处理技术，生成满足级配特征、考虑了粗集料不规则形状、尺寸与空隙满足一定分布状态的沥青混合料三维离散元数字试件，并与真实试件进行对比验证。 其次，分析沥青混合料内部各相组成材料之间的接触行为，建立了微观接触模型参数与宏观试验参数的关系，并通过室内试验确定了相应的微观参数。采用离散元软件PFC3D，建立了沥青混合料三维虚拟单轴静态蠕变试验和重复荷载蠕变试验方法，分析了虚拟试验结果的变异性，并通过室内试验进行了验证。提出了基于时温等效原理的三维单轴静态蠕变试验和重复荷载蠕变试验的计算效率优化方法，大幅减少三维离散元粘弹性模型的计算时间。在虚拟蠕变试验基础上分析了虚拟试件内部接触力和位移的分布变化及蠕变行为的影响因素。 再次，通过沥青混合料三维虚拟试件生成方法，生成了三维沥青混合料虚拟车辙试件，建立了虚拟车辙试验方法。在虚拟车辙试验基础上分析了车辙试验过程中沥青混合料内部接触力的分布及变化、位移分布、粗集料空间运动轨迹、粗集料转动情况及粗集料接触状态的变化，一定程度上从细观角度揭示了沥青混合料车辙形成机理。 最后，通过虚拟单轴蠕变试验和虚拟车辙试验方法，对集料的宏观特征（粗集料含量和集料分布特征）、集料的细观结构（棱角性、长轴取向及表面纹理）和空隙的细观结构（单个空隙的大小、空隙分布及空隙取向）对沥青混合料的高温永久变形性能的影响进行了分析，提出了提高沥青混合料高温稳定性的合理化建议。 2100433B

非均匀流是不满足均匀流条件的流动。

是与均匀流相对的概念，详细内容可以参考均匀流的词条。

中文名称

非均匀流

英文名称

nonuniform flow

定　　义

流体的流速大小及方向沿程不断变化的水流。

应用学科

地理学（一级学科），水文学（二级学科）

明渠非均匀渐变流是指流速沿程变化较小而流线接近于平行直线的明渠水流 。