硫酸盐渍土地区路基水、热、盐、力耦合效应的室内和现场试槽试验及数值模拟研究

摘要

不同类型的盐渍土，在不同的环境和条件下(温度、水分、盐分等)对工程建筑物都具有不同程度的破坏作用。硫酸盐渍土是盐渍土中对工程建筑危害最典型的盐渍土，温度、水分和盐分的变化将使修筑在硫酸盐渍土地区的路基产生盐胀和冻胀，导致路基不均匀隆起、松胀、开裂，从而降低了路基的强度和稳定性。 本文以硫酸钠盐渍土作为理论分析和试验研究的主要对象。参考以往对冻土研究取得的热、水、力三场耦合理论成果，首先推导出水分迁移条件下的温度场、变温条件下的水分场二维控制微分方程，然后运用土壤物理学和传热学的基本理论，考虑水分场和盐分场的耦合作用，利用土壤水盐运移基本规律，推出水分场和盐分场耦合问题的二维控制微分方程。再运用溶液结晶学和冻土力学的基本理论，在已有冻胀变形研究成果的基础上，考虑盐胀变形的影响，推出含水量、含盐量和盐渍土体积应变的关系式。文章还假定盐渍土体为各向同性的弹性体，结合变形场与应力场的控制方程，提出了考虑盐渍土路基盐胀和冻胀两种情形下的二维热、水、盐、力四场耦合方程。 本文模拟硫酸盐渍土地区路基野外实际情况，进行了硫酸盐渍土室内大型模型试验研究，对路基中温度场、水分场、盐分场以及路表变形进行动态观测，得出了水分场、盐分场、温度场、应力场相互作用规律。 文章还用等格距隐式有限差分格式对耦合方程进行了离散，采用Jacobi迭代法，并借助于Matlab编程对定解条件下的水分、温度、盐分、进行了数值求解，同时在有限差分时段内采用有限元法对盐渍土路基的应力变形场进行了求解，并与现场试验路的测试结果进行了比较分析，验证了耦合方程的可行性。 文章最后就盐渍土地区路基的修筑技术进行了一般的讨论，认为充分认识路基的水分、热质、盐分的迁移规律是有效治理盐渍土路基盐胀、冻胀病害的关键。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究目的及意义

1.2国内外研究综述

1.2.1盐渍土力学和工程特性研究

1.2.2盐渍土盐胀机理研究

1.3本文研究的主要内容和难点

1.3.1本文研究的内容

1.3.2本文研究的难点

第二章盐渍土路基耦合模型的理论分析

2.1水热迁移方程的建立

2.1.1土水势理论

2.1.2盐渍土路基水分迁移控制方程

2.1.3热流输运方程的建立

2.2水盐运移方程的建立

2.2.1溶质运移的三种作用

2.2.2水盐运移偏微分方程

2.2.3盐渍土体膨胀变形关系式的建立

2.2.4水、热、盐、力四场耦合模型的提出

第三章室内试验研究

3.1室内大型模型试验方案

3.2试验结果分析

3.2.1温度分布

3.2.2水分分布

3.2.3盐分分布

3.2.4各断面路表变形

3.3本章小结

第四章室外试验研究

4.1现场试验路方案

4.2试验结果分析

4.2.1温度分布

4.2.2盐分分布

4.2.3各断面路表变形

4.3本章小结

第五章数值模拟

5.1数学模型的有限差分法离散

5.1.1水分迁移偏微分方程的离散

5.1.2热传导方程的离散

5.1.3盐分迁移的离散单元

5.1.4盐胀力模型的有限元求解

5.2边值条件与土工参数的选取

5.2.1边值条件

5.2.2土工参数

5.3程序设计

5.4数值模拟结果分析

5.4.1温度计算结果

5.4.2水分计算结果

4.4.3盐分计算结果

5.4.4路基表面位移

5.5本章小结

第六章盐渍土地区路基修筑技术探讨

6.1盐渍土地区路基设计原则

6.1.1一般原则

6.1.2路基最小填筑高度的设定

6.2盐渍土路基处治方法

6.2.1水分隔断

6.2.2结构加固

6.2.3去除盐分

6.3盐渍土路基病害防治中应着重考虑的几个问题

6.3.1关于毛细水上升高度

6.3.2关于盐胀深度

6.3.3关于隔断层位置

6.3.4关于盐渍土的溶陷

第七章结论与展望

7.1主要研究结论

7.2研究展望

参考文献

附录

攻读学位期间取得的研究成果

致谢