冻土路基水热迁移问题的理论模型及数值模拟

路基不均匀沉陷和冻胀变形、纵向裂缝等是多年冻土区或是季节冻土区道路工程的主要病害,路基中的热状况与水分状况及其变化是引起冻害严重与否的主要因素。路基中热量的差异和改变引起水分的迁移与转化,而传统的等温模型不能确切地反映温度变化条件下路基中水分的迁移。该文在土体水分等温模型的基础上,建立水热耦合迁移数值模型,引进非等温扩散流方程,提出在水热梯度共同作用下的二维水热迁移的理论模型,并以青藏公路K3363 880路段为对象,进行水热耦合计算,证明模型的有效性,从而进行温度场和水分场变化规律的研究。     

多年冻土路基水分迁移热力学性能分析

从水分场与温度场相互作用的角度,分别建立温度场单场控制方程和水热耦合效应的控制方程,应用有限元方法进行计算。通过对单因素温度场的计算结果与水热耦合作用下的温度场计算结果比较,分析水分迁移作用对路基温度场的影响。     

压实黄土路基导水参数的试验研究

基于黄土路基压实后土体的基本性质,根据路基土中水分运动的基本方程,通过室内一维土柱入渗试验,得到不同压实度的黄土湿润锋湿度与平均湿度、水分入渗速率的关系曲线。由黄土中水分再分布过程确定压实黄土路基的导水参数和水分扩散参数,并分析压实黄土路基内水分迁移,得出相应的黄土路基中水分入渗规律,为黄土路基严格控制压实度提供重要的理论依据。     

粗粒盐渍土路基水热盐力耦合方程修正及试验验证

为了研究粗颗粒硫酸盐渍土路基中的水盐迁移机理及路基内隔断层设置对水盐迁移的影响效果,并建立水盐迁移与路基盐胀、融陷变形的联系,基于非饱和土渗流和热传导理论,考虑水盐相变对水分场、温度场、盐分场和应力场的影响,分别针对已建立的水分场、温度场、盐分场进行满足粗颗粒硫酸盐渍土路基工程特性的修正,进而建立了适用于粗粒硫酸盐渍土路基水、热、盐、力场的耦合微分方程组。利用COMSOL Multi-physics软件建立了盐渍土路基水-热-盐-力场耦合数值模型,并通过室内大型粗颗粒盐渍土冻融循环试验结果对建立的数学模型的有效性进行验证。结果表明:在有地下水补给的冻融循环试验过程中,砾砂类硫酸盐渍土路基的低温影响敏感区域深度范围约为45 cm,土工布设置应综合考虑区域低温影响敏感深度和毛细水强烈上升高度;在毛细作用和温度影响下,砾砂盐渍土路基中的水、盐均向冷端迁移,其会导致土工布下方出现盐分聚集现象,其中硫酸根离子富集程度较强;隔断层可有效阻碍水盐纵向迁移路径,减弱水、盐向低温影响敏感区段迁移,从而达到减小路基盐胀、融陷的效果,同时减小路基变形的程度可以达到30%以上。     

硫酸盐渍土水-盐-热-力四场耦合理论模型

针对硫酸盐渍土盐胀过程中较为欠缺的四场耦合理论,在已有的冻土三场耦合模型的基础上,建立了盐渍土水-盐-热-力四场耦合动力学模型。首先,基于水动力学模型和质量守恒定律,在水分场方程和盐分场方程中分别引入等效含水量和等效含盐量的概念,以此为耦合因子简化了水-盐-热耦合模型,不仅考虑了溶质扩散及水动力弥散的作用,还考虑了结晶盐-盐溶液相变(化学反应)对盐分迁移,以及结晶盐相变潜热对温度场的影响。其次,根据能量守恒定律,增加结晶盐的相变潜热,使温度场方程更符合工程实际情况。同时,在建立应力场方程时,盐胀部分由溶质的摩尔质量差进行计算,冻胀部分由原土中的部分水加上迁移来的水减去硫酸钠结晶所需要的水进行计算,从而推导出了应力与水分迁移、盐分迁移以及温度的关系,完善了盐渍土四场耦合理论。最后运用该理论模型,计算分析了新疆某公路盐渍土路基的盐冻胀变形过程。结果表明:计算所得地温规律、盐分迁移规律和盐冻胀规律与实测结果基本一致,计算与实测结果均表明,从秋末至来年春季,硫酸盐渍土路基经历了降温到升温的温度剧烈变化阶段,此阶段路基的变形过程可分为平稳区、缓慢盐冻胀区、剧烈盐冻胀区、盐冻胀变形滞后区、缓慢沉降区、剧烈沉降区6个部分。     

大气作用下非饱和黄土路基湿度变化及影响因素研究

以西北地区的黄土路基为研究对象,以夏秋季节大气作用下的降雨—蒸发作用对路基湿度场、温度场以及变形的循环作用机理为研究目的,采用室内物理力学试验、人工填筑模型试验等多种研究方法,详实展开了降雨—蒸发循环作用下非饱和黄土路基土体含水率、温度、孔隙水压力以及变形的动态响应规律和稳定性研究;并对不同大气作用下,路基土体湿度场、温度场以及横向变形的变化规律和影响因素进行分析。发现非饱和黄土路基边坡在降雨入渗过程中,对应着一个临界入渗强度,路基边坡的表层土体含水率的变化比较明显,中雨对路基土体湿度变化的影响深度最大,路基不同位置土体含水率受到影响的程度不尽相同,非饱和黄土路基中水分的入渗速度要大于蒸发速度。     

水热耦合作用下的高寒阴湿地区道路翻浆分析

为了研究温度和水分对高寒阴湿地区道路翻浆的影响,通过有限元软件Geostudio提出水热耦合计算模型,并将分析结果与现场实测值进行对比。结果表明:水热耦合作用、水分场和温度场是造成该地区道路翻浆的主要因素;水热耦合作用下,检测地区最大冻结深度达1.8m,水分向上迁移,形成水分重分布,路基冻害加深;融化期路面下0.8～1.2m处最大含水率达到40%,从上到下含水率呈现先增大后减小的趋势。     

黄土路基积水入渗规律研究

在黄土地区修建高等级公路,常因路基顶面积水而影响路基使用性能,严重时会影响公路的正常使用。本课题基于黄土路基压实后土体的基本性质,通过室内一维土柱入渗试验,利用γ射线法对不同压实度下黄土积水入渗状况下的水分分布进行测试研究,得出相应的黄土路基积水入渗规律,为黄土路基综合排水设计提供重要的理论依据。     

沥青路面冻土路基的水分积累过程分析

为研究多年冻土地区沥青路面下部水分的累积情况,在青藏高原北麓河地区的沥青路面和砂砾路面下部进行不同深度和位置的原位水分监测。建立液态水分随时间变化的数据序列,计算2种路面不同位置的水分累积情况。结果表明:沥青路面路基中心、右路肩、右路肩与路基中心中间3个位置均在0.5～2.5m深度范围内和多年冻土顶板附近有明显的水分累积现象;受垂向和水平向渗流与水分迁移的影响,右路肩和路基中心位置水分汇集相对较多;随着沥青路面的使用,路基中心的水分将会不断增加;与砂砾路面相比,沥青路面对地面相对性质的改变减少了土体水分与大气交换的途径,加剧了土体中水分的累积,影响路基稳定性。     

冻区盐渍土水热耦合效应及对力学性能的影响

水份迁移和温度场变化是引起路基冻胀融沉的直接因素.针对冻区高氯盐渍土,经水热场耦合作用后水份迁移和温度场分布规律进行了室内动态试验,研究了水热耦合作用对力学性能的影响.结果表明:单向冻结过程中,水份向温度较低的地方迁移,迁移量随土体深度的增加而增加;水热耦合作用后的土体冻结强度有不同程度上升,提升后的强度随土体深度增加而降低,远离冻区端因盐晶析出导致土冻结强度有所回升.     

黄土路基双灰桩联合电渗法排水试验研究

非饱和黄土路基由于增湿会产生附加变形,降低路基强度。为研究非饱和土排水过程中含水率、离子含量、土体强度的变化规律,提出了双灰桩联合电渗法的排水技术,采用自主设计的试验系统进行了室内模型试验。试验表明:通过双灰桩联合电渗法使非饱和黄土路基内部的水分产生向双灰桩侧的迁移,含水率平均下降15 %;两侧双灰桩中的Ca2+等离子向土体内部迁移,结合双灰桩的膨胀挤密作用以及胶凝反应,提高了路基土体的强度,对路基产生一定的加固作用。     

公路黄土路基强度试验研究

为揭示黄土路基强度特性,以山西省太原至佳县高速公路吕梁段黄土路基为研究对象,采用正交试验方法,进行了黄土路基室内和现场CBR试验,研究了黄土路基CBR试验的影响因素和黄土路基强度试验方法的适用性。研究结果表明:黄土的物理特性、结构特征是影响黄土路基强度的内在因素;浸水时间与压实度是影响黄土路基CBR试验的外在主要因素;黄土的CBR值对含水量变化比较敏感;现场CBR值有较大的离散性,现场CBR值均大于室内CBR值;黄土路基的强度应以室内CBR值为控制指标,黄土路基施工控制应以现场含水量和压实度为控制指标。     

季冻区水热变化引起的路基冻胀翻浆研究

路基内部温度和水分呈现动态变化,水分的迁移和温度的改变导致道路冻胀翻浆的产生。为了研究季冻区路基内部水分、温度的变化,以黑龙江省鸡讷公路的林口至大罗密段为依托工程,对典型路段天然位置和路基内部的温度和水分进行实时监测。通过分析黑龙江哈同二级公路的道路病害类型,项目监测了天然位置和路基内部的温度变化过程,分析了路基内部水分和温度在时间和空间上的变化规律,为数值模拟路基水分和温度变化规律提供具体的数据资料。最后从水热变化角度分析了路基内部冻胀翻浆病害产生的机理。     

模糊综合评判在黄土路基承载力评价中的应用

通过分析影响黄土湿陷性及公路路基承载力的主要因素，给出影响黄土地区公路路基承载力分级的隶属函数，建立了黄土地区公路路基承载力等级模糊综合评判模型，用以对黄土地区公路路基承载力等级进行评价，并同实测值进行比较，验证了其可行性及计算精度。     

路基内部水分迁移特性研究

1项目来源广东省交通运输厅科技计划立项编号：2005-382主要完成单位广东华路交通科技有限公司解放军后勤工程学院3主要技术内容本项目通过对路基内部水分迁移特性的系统研究,掌握路基内部含水量变化规律及对路基路面结构整体强度、刚度和稳定性的影响,特别是掌握路基含水量变化对路基回弹模量的影响     

陇东地区黄土路基变形分析

黄土路基在运营一定年限以后,路基内含水率变化较明显,会导致路基在运营后期发生不均匀沉降,甚至造成路基破坏。本文依托十天高速甘肃段典型干旱半干旱地区黄土路基工程实际,采用有限元软件ADNIA,研究不同地下水位以及降水入渗对于路基变形的影响和设置了砂(砾石)对于黄土路基变形的影响。数值计算结果表明,随着地下水位的升高,路基竖向位移值也升高;砂(砾石)夹层的设置对于改善干旱半干旱地区黄土路基内部在后期运营时候的含水率以及路基的稳定性有很大的帮助。     

黄土路基温度场数值分析

基于黄土高原的气候特征及现有文献,提出了模拟黄土高原气候因素的地表温度场数值计算方法,并模拟气温、辐射量、湿度等边界条件,经过对黄土高原边界因素的分析研究,确定了适于黄土高原的模型参数.对西安和延安两地地表温度的计算结果与实测结果的对比分析表明了文内方法的合理性,分析了黄土路基温度场随气候的动态变化,探讨了温度梯度对非饱和黄土路基稳定性的影响,表明外界条件的昼夜变化对路基路面温度的影响不超过30 cm.     

湿陷性黄土路基加铺土工格网位移变化试验研究

为了避免黄土路基由于局部湿陷而造成整体强度和稳定性的破坏,本文提出了黄土路基加铺土工格网的设计方案,并对黄土路基的竖向和侧向位移进行了试验研究。研究结果表明:黄土路基加铺土工格网,可使路基应力重新均匀分布,横向沉降差和竖向沉降量显著减小,横向位移变化平缓,黄土路基的整体稳定性明显提高。     

冻融作用下水分迁移对压实黄土强度影响的宏微观试验研究

在季节性冻土区，冻融作用下土体的水分迁移及其伴生现象会诱发黄土路基发生病害，探明冻融作用下水分迁移对压实黄土强度的影响及其机制，对于黄土地区路基工程冻融病害防治非常必要。采用大尺寸设备对洛川黄土开展单向冻结-双向融化作用下的冻融循环试验，对土体温度场、水分场均加以监测，并在此基础上进行直剪试验和电镜扫描试验。结果表明：土体温度场在每级负温作用下50 h达到稳定，单向冻结完成后冻结深度为46 cm；含水量在冻结区增加，在未冻结区减小，土体融化后水分回迁但回迁量小于冻结时的迁移量；土体剪切强度与含水量分布沿土体轴向呈现出较强的一致性，冻融后土体强度随含水量增加而降低，临界冻结锋面处强度劣化效应最明显；随着冻融循环次数的增大，土体孔隙面积和分形维数均表现为增加，其中微、小孔隙减少，中、大孔隙增加，冻融循环7次后土体微结构基本趋于稳定，土体强度与孔隙面积成反比例关系；土体在冻-融过程中，冻结区水分的显著增加是造成土体强度衰减、孔隙增多的重要原因。     

基于室内模型试验的路基湿度变化规律研究

针对地下水上升和边坡渗水导致的路基不均匀变形问题,设计了室内路基模型试验,模拟地下水和边坡渗水对路基湿度场及其力学性质的影响。结果表明:采用底部补水和边坡洒水的方法可以有效模拟地下水和边坡渗水对路基的影响;当路基底部水源充足时,路基含水率随补水时间的增长由底部向顶部逐渐增大,密实度逐渐下降,其中边坡变化最为明显,路基左部次之,路基中部最小;边坡水分入渗时,路基水分迁移是以横向为主,密实度以边坡变化最为明显,路基左部次之,路基中部最小。