填方路基土水汽迁移规律试验研究及数值模拟

论文摘要

随着我国高速公路建设逐步向中西部山区延伸,出现了大量的高填深挖路基,如何减少填方路基的工后沉降成为了当前需要解决的重要问题。除已经明确的诸如路基填筑方法、施工压实不足及实际行车荷载的原因外,路基体内的水汽迁移变化也是路基工后沉降的一个主要原因。当前,虽然对非饱和土水汽迁移问题有了一定的研究,但对于非饱和土导水参数的求解方法上尚不统一,其整个迁移过程和迁移规律的研究和认识尚有待进一步完善和补充。本文结合湖南省潭衡高速公路填方路基工程实践,对某典型填料的非饱和土水汽迁移规律进行了系统的研究。首先,在张力计原理的基础上,通过对张力计的一系列的改装,研究了该填料土基质吸力的量测方法;其次,以该填料土的PSD数据为基础,结合分形理论,求出了该土样的PSD分形维数。在Menger海绵模型的基础上,将毛细管模型应用于土水特征曲线中,导出了该土样基质吸力的函数关系式。通过该结果与实测结果的对比分析,验证了理论分析和实验方法的准确性。另外,设计了一维压实土柱水分再分布试验,通过土中水汽再分布过程推导出非饱和土导水参数的函数关系式;通过设计不同流量边界条件下的压实土柱试验,对其水汽迁移变化规律及其与压实度、各边界条件之间的关系进行了试验研究,并采用有限元分析软件对该实验进行数值模拟,二者结果吻合较好,说明该软件对非饱和水汽迁移问题模拟是可信的;最后,采用该软件建立该典型路基二维实体模型,对某典型路基土在自然气象条件下的水汽迁移规律进行了数值模拟,并对护坡草皮对路基水汽迁移规律的影响进行了进一步的探讨。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外的研究现状
• 1.2.1 非饱和土水力参数研究现状
• 1.2.2 非饱和土水汽迁移数值模拟研究现状
• 1.3 本文研究的目的与意义
• 1.4 主要工作及研究思路
• 第二章 非饱和土水汽迁移基本理论
• 2.1 基本概念
• 2.1.1 非饱和土中吸力
• 2.1.2 非饱和土水特征关系
• 2.2 水汽迁移理论及方法
• 2.2.1 土中水的形态和能态
• 2.2.2 水汽迁移理论
• 2.3 水汽迁移问题的求解
• 2.4 小结
• 第三章 非饱和土导水参数研究.
• 3.1 非饱和土土水特征关系研究
• 3.1.1 粒径重量分形法
• 3.1.2 分形维数的确定
• 3.1.3 基于分形特征的土水特征关系表达
• 3.1.4 计算结果及分析
• 3.2 非饱和土基质吸力的量测
• 3.2.1 实验室吸力计的研制过程
• 3.2.2 试验操作方法及步骤
• 3.2.3 量测结果及分析
• 3.2.4 尚存在的几个问题
• 3.3 非饱和土导水参数分析
• 3.3.1 基本原理
• 3.3.2 一维水汽再分布试验
• 3.3.3 导水参数计算结果及分析
• 3.4 小结
• 第四章 非饱和土水汽迁移规律试验研究
• 4.1 概述
• 4.2 试验土样基本物性指标试验
• 4.3 非饱和土水汽迁移规律试验及影响因素分析
• 4.3.1 试验的制备
• 4.3.2 试验内容设计
• 4.3.3 试验结果及分析
• 4.4 小结
• 第五章 填方路基土水汽迁移规律数值模拟研究
• 5.1 HYDRUS2D程序介绍
• 5.1.1 HYDRUS2D功能介绍
• 5.1.2 HYDRUS2D的算法基础
• 5.2 土柱试验数值模拟对比分析
• 5.2.1 模型建立及相关参数
• 5.2.2 数值计算及结果分析
• 5.3 填方路基水汽迁移规律数值模拟
• 5.3.1 工程概况
• 5.3.2 有限元模型的建立
• 5.3.3 填料参数
• 5.3.4 草皮根系吸水模型
• 5.3.5 初始及边界条件
• 5.3.6 求解及结果分析
• 5.4 小结
• 第六章 结论
• 6.1 结论
• 6.2 有待进一步探讨的问题
• 参考文献
• 致谢
• 附录A（攻读学位期间发表论文目录）
• 附录B（攻读学位期间参与课题目录）