降雨影响下薄层密封路面水分预测的数值方法研究

本研究针对降雨诱发非粘结粒料路面(UGPs)水分渗透导致结构弱化的难题，开发了基于SEEP/W软件的数值模型，通过耦合液态水与蒸汽流动方程，实现了基层(8% MAPE)和底基层(7% MAPE)饱和度(DoS)的精准预测。研究整合了澳大利亚昆士兰现场监测数据与气象参数，揭示降雨贡献86%的湿度变异度，为气候适应性路面设计提供了可靠工具。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，薄层密封路面正面临前所未有的水分侵蚀挑战。这类占澳大利亚路网80%的低成本道路，其非粘结粒料基层(UGMs)在湿度超过70%饱和度(DoS)时，回弹模量(M_r)会骤降55%，导致年均数十亿澳元的养护成本。传统经验设计方法难以捕捉瞬态水分动态，而现场监测又存在成本高、数据离散的局限。

昆士兰科技大学团队在《Results in Engineering》发表的研究，创新性地采用SEEP/W有限元软件构建了耦合液态水达西流(Darcy's Law)与水蒸气菲克扩散(Fick's Law)的数值模型。通过Marsden试验路段2年的现场数据校准，整合10mm沥青密封层渗透系数(1.3×10^-6 m/s)和Fredlund-Xing土壤-水特征曲线(SWCC)参数，并引入气象局的风速和太阳辐射数据完善地表边界条件。

主要技术方法

1. 部署9个频域反射仪(FDR)传感器监测基层-底基层-路基的容积含水量(VMC)；
2. 采用Fredlund-Xing模型(式5)和van Genuchten模型(式6)拟合SWCC曲线；
3. 通过Sobol方差分解量化水文要素敏感性；
4. 建立地下水波动与路基DoS的线性关联模型(式10)。

研究结果
3.1. 收敛性验证
输入与计算的导水系数曲线在0.002-30 kPa吸力区间完全重合，质量守恒验证显示降雨-蒸发-径流累计误差<0.1%，证实模型稳定性。

3.2. 层间水分分布
基层中部DoS均衡值为0.71，较表层高28%，证实毛细阻滞效应；底基层因粒径更细(D₆₀=3.05mm)保持0.81的更高饱和度，显示深度相关的持水特性。

3.3. 模型验证
在165天强降雨事件中，模型准确预测了基层DoS从0.72到0.98的骤升过程(MAPE=7.53%)，但干燥阶段低估了12%的持水时长，反映蒸汽传输建模的局限。

3.4. 敏感性分析
Sobol指数揭示降雨贡献86.47%的DoS变异度，而蒸发作用(<0.001%)因缺乏现场微气候数据被显著低估，这解释了干燥过程模拟偏差。

3.5. 工程应用
模型模块化设计允许通过替换SWCC参数(表2)和K_sat值适配不同气候区，其预测的均衡DoS与Austroads规范要求偏差<2%，可直接用于回弹模量校准。

该研究突破了传统稳态湿度假设的局限，首次实现了薄层密封路面瞬态水分场的精准重构。尽管在蒸汽相变和侧向流模拟存在改进空间，但其建立的"气候-材料-性能"关联框架，为应对极端降雨频发下的路面耐久性设计提供了新范式。未来整合机器学习代理模型后，可进一步扩展至全寿命周期性能预测领域。