道路表面水膜厚度對摩擦系數(shù)影響研究

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1、道路表面水膜厚度對摩擦系數(shù)的影響研究學(xué)號：080606122姓名：俞力超（南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院交通土建工程系）摘要：本文主要研究了道路表面水膜厚度的影響因素，水膜對輪胎與路面接觸的影響。關(guān)鍵詞:降雨；路表水膜厚度;動力滑水1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀降雨在公路表面匯集的水流問題，屬于水文學(xué)研究的范疇。水文學(xué)中的坡面水流是指，流域在發(fā)生降雨情況下，降雨扣除植物截留、填洼和下滲等損失后，沿坡地地面流動的一種水流。坡面水流不受邊坡的約束而沿重力的分量方向流動，不僅降雨強(qiáng)度和降雨歷時影響坡面水流，而且坡面特性也影響坡面水流的流態(tài)。降雨在路面上引起的水流運(yùn)動，不發(fā)生截留和填洼，比水文學(xué)

2、中的坡面水流影響因素要少。在水文學(xué)中，坡面水流屬于產(chǎn)匯流理論的一個分支，它的研究是箍著產(chǎn)匯流理論的發(fā)展而發(fā)展。產(chǎn)匯流理論是在19世紀(jì)以后逐步建立和發(fā)展起來的，1856年達(dá)西提出的滲流力學(xué)的基本理論——達(dá)西定律，以及1871年圣維南導(dǎo)出的明渠緩變不恒定流的基本微分方程組——圣維南方程組，為研究產(chǎn)匯流理論的地面水流、河道水流、土壤中水流和地下水水流的運(yùn)動規(guī)律奠定了理論基礎(chǔ)。此后，坡面流在理論和試驗方面都得到了深入的研究和發(fā)展。水文學(xué)中，坡面水流的運(yùn)動波特征用圣維南方程組來描述。對于二維矩形坡面，在其寬度方向取單位長度，就可以轉(zhuǎn)化為一維坡面，其運(yùn)動波可用下面的圣維南方程組描

3、述:方程組(1-1)沒有解析解，因此，在坡面流情況下一般總是根據(jù)具體情況對此進(jìn)行合理的簡化，然后求其解析解或者數(shù)值解。簡化求解上述的方程組，有兩種模型。一種是通過水文學(xué)途徑得到的集總式運(yùn)動波模型。另一種是通過水力學(xué)途徑得到的分散式運(yùn)動波模型。水文學(xué)解法是用水量平衡方程代替圣維南方程組中的第一個方程，用蓄量方程來代替第二個方程。早在1944年，依扎德就根據(jù)規(guī)整的鋪砌坡面上的試驗資料，證明上述的近似代替方法是可行的。根據(jù)水量平衡方程和蓄量方程可以解出坡面水流上漲段和退水段的解析解。水力學(xué)解法是對圣維南方程組無因次化，引入運(yùn)動流數(shù)岸，把偏微分方程組變?yōu)槌Ｎ⒎址匠探M，并且作變

4、量代換，然后將新變量對應(yīng)的線性微分方程按冪級數(shù)展開求解，最后得到近似的解析解。由于圣維南方程組沒有解析解，只能通過簡化得到近似的解析解，就有學(xué)者利用數(shù)學(xué)方法得劍方程組的數(shù)值解。坡面流的數(shù)值解包括有限差分解和有限元解，有限差分法和有限元法在坡面流的數(shù)值解方面得到廣泛的應(yīng)用。有限差分法求解坡面水流有兩種方法，一是特征線差分法，就是首先將圣維南方程組轉(zhuǎn)化為特征線方程，然后再用差分法求解；二是直接差分法，這種方法是采用矩形網(wǎng)格直接對圣維南方程組進(jìn)行顯式或者隱式差分，隱式差分是無條件穩(wěn)定的，顯式差分時必須選定矩形網(wǎng)格的尺寸滿足柯朗條件，才能穩(wěn)定求解。坡面流的有限元解是應(yīng)用伽遼金

5、法，把坡面流的定解問題寫成對應(yīng)的積分形式。將原問題較復(fù)雜的求解區(qū)域劃分為較規(guī)則的子區(qū)域．然后對各單元進(jìn)行分析得到單元矩陣，使基本微分方程變成代數(shù)方程，加入求解問題的邊界條件，求解總體代數(shù)方程，得到問題的解。此外，還可以通過模擬試驗的途徑，研究坡面水流的機(jī)制。國外從事這方面的試驗工作比較早。1946年美國的伊薩德利用水槽研究了均勻降雨條件下的坡面漫流，得出了可以用假設(shè)的出流與蓄量關(guān)系代替動力方程的結(jié)論。1955年日本京都大學(xué)巖恒雄一利用長24m，寬19．6m的鋁制水稽，研究側(cè)向均勻供水的地表徑流機(jī)制。匈牙利的涅姆斯、蘇聯(lián)齊蒙特和捷克的涅邁茨等對這方面也做了研究。1971

6、年，美國的Smith和Woohiser在室內(nèi)研究了滲透地表上的坡面流過程””，試驗所用士槽尺寸為12．1×0．05×I．22m。我國動力水文試驗比較少，但也取得了不少成果。水利水電科學(xué)院朱咸等利用室內(nèi)不透水流域模型檢驗單位線假定的試驗研究，不僅首先由試驗證實了匯流現(xiàn)象的非線性，而且為實際生產(chǎn)中的非線性改正提供了基本依據(jù)。鐵道科學(xué)院西南研究所的吳學(xué)鵬等通過不透水表面匯流試驗，分析比較了坡面匯流的各種理論和計算方法。中國科學(xué)院地理研究所、南京水文水資源研究所、黃河水利委員會合作進(jìn)行的大型土柱入滲試驗，揭示了降雨入滲過程的若干規(guī)律。西安理工大學(xué)的沈晉等針對西北黃土地區(qū)的坡面

7、，進(jìn)行了坡面降雨產(chǎn)流試驗和模擬研究，通過試驗詳細(xì)觀測分析了降雨過程中坡面表層土壤水分運(yùn)動產(chǎn)流過程，研究了黃土坡面的入滲特性和漫流特征。吳彰春等在1995年對坡面匯流進(jìn)行了試驗研究，通過室內(nèi)模擬的降雨匯流試驗，分析了降雨強(qiáng)度、雨型、坡面形狀、坡度和粗糙度等因素對坡面匯流的影內(nèi)，著重探討了雨強(qiáng)與洪峰流量及匯流時間的關(guān)系、雨型對洪峰流量的影響規(guī)律等問題，對坡面匯流的理論研究及小流域的徑流計算都具有現(xiàn)實的意義。在我國北方黃土地區(qū)和南方花崗巖地區(qū)修建公路、鐵路時，由于線路工程開挖路塹，使天然條件下較為緩’漫的自然侵蝕過程在很短的時間內(nèi)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ绦约铀贈_刷過