浸水条件下湿陷性黄土地区高速铁路复合地基渗流有限元分析

论文摘要

郑州至西安铁路客运专线是我国也是世界上第一条在湿陷性黄土地区建设的高速客运专线。郑西客运专线沿线黄土分布广泛,约占全线总长度的80%,其中湿陷性黄土区段占全线总长度的65%,自重湿陷性黄土占线路总长度的27%。与普通铁路相比,高速铁路对路基的沉降要求更高,因此湿陷性黄土地基处理是郑西客运专线的重点控制工程。黄土湿陷性是湿陷性黄土在一定压力(自重或外荷载)作用下,受水浸湿原有土体结构发上破坏而产生的下沉变形,水的渗流作用既会使得黄土产生湿陷性变形,又会受到湿陷变形的影响,由此可见水对黄土的影响非常明显,因此研究渗流对黄土路基变形的影响具有重要的实践和理论意义。为探究渗流对黄土影响范围及程度,进而为黄土处理及变形计算提供依据,本文基于郑西客运专线湿陷性黄土路基处理试验及浸水试验,主要研究内容如下：(1)渗流场与温度场相似度的比较,进而得出利用ANSYS温度场模块模拟渗流场的合理性。(2)汇总郑西客运专线试验的相关资料,分析相关数据,为下一步建立有限元模型提供基本参数。(3)使用大型有限元软件ANSYS建立非饱和湿陷性黄土渗流有限元模型,运用含水率作为渗流的基本变量,通过对郑西客运专线浸水试验结果的反演得出地基经过强夯处理后不同含水率下的渗透系数,并利用这个渗透系数对没有补给的水源地渗流模拟。(4)使用大型有限元软件ANSYS建立未经过处理的湿陷性黄土地基渗流有限元模型,运用含水率作为渗流的基本变量,模拟降雨后一段时间内存在补给水和没有补给水的情况下的渗流情况,并与试验及上一节模拟情况做出对比,验证地基强夯效果。(5)使用大型有限元软件ANSYS建立饱和湿陷性黄土渗流有限元模型,运用水头作为渗流的基本变量,得出湿陷性黄土在饱和情况下的竖直和水平方向渗流范围及程度。考虑重力情况下将竖直方向的渗透系数加大一定倍数,模拟重力情况下的渗流范围。(6)将有限元模拟出的结果与现场实测资料对比,得出强夯地基处理效果以及利用水头和含水率作为基本变量计算渗流作用适用范围及条件。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 本文研究背景
• 1.2 高速铁路对于路基的要求
• 1.2.1 地基处理
• 1.2.2 路基面宽度及形状
• 1.2.3 基床
• 1.3 湿陷性黄土渗流国内外的研究现状
• 1.3.1 渗流研究的历史成果
• 1.3.2 国内对渗流的研究现状
• 1.3.3 国内对黄土研究现状
• 1.4 本文拟研究的主要方法及内容
• 1.4.1 研究方法
• 1.4.2 研究内容
• 2 渗流基本理论
• 2.1 土壤中水分表示方法
• 2.1.1 体积含水率
• 2.1.2 重量含水率
• 2.1.3 饱和度
• 2.1.4 导水系数函数
• 2.2 渗流场微分公式
• 2.2.1 达西定律
• 2.2.2 非饱和土中的达西定律
• 2.2.3 渗流微分方程
• 2.3 连续性方程
• 2.4 温度场与渗流场基本理论比较
• 2.5 土水势
• 2.5.1 土水势
• 2.5.2 土水势参考平面选取
• 2.6 土水势的分势
• 2.6.1 重力势
• 2.6.2 压力势
• 2.6.3 基质势
• 2.6.4 溶质势
• 2.6.5 温度势
• 2.7 土壤水吸力与土壤水分特征曲线
• 2.7.1 土壤水吸力
• 2.7.2 土壤水分特征曲线
• 2.8 本章小结
• 3 黄土的工程性质及现场浸水试验
• 3.1 湿陷性黄土的评价
• 3.2 湿陷性黄土地基处理方法
• 3.2.1 垫层法
• 3.2.2 强夯法
• 3.2.3 挤密法
• 3.2.4 荷载传递法—桩基础
• 3.3 路基现场浸水试验
• 3.3.1 浸水试验概述
• 3.3.2 加固路基浸水试验
• 3.4 本章小结
• 4 利用ANSYS进行渗透系数反演
• 4.1 参数反演理论
• 4.1.1 反演参数
• 4.2 渗流反演模型的建立
• 4.2.1 数学模型
• 4.2.2 反演计算的假定与原则
• 4.2.3 有限元模型单元介绍
• 4.2.4 二维有限元模型介绍
• 4.2.5 模型中所需基本数据
• 4.3 反演步骤
• 4.3.1 浸水五天
• 4.3.2 浸水七天
• 4.3.3 浸水十天
• 4.3.4 浸水二十天
• 4.3.5 浸水二十五天
• 4.3.6 汇总含水率变化
• 4.4 本章小结
• 5 非饱和黄土压实路基渗流有限元分析
• 5.1 利用反演参数模拟无补给水情况下对地基水分渗流模拟
• 5.1.1 无补给水只考虑基质势作用下的渗流模型
• 5.4
• 5.4.2 无补给水只考虑重力势作用下的渗流模型
• 5.4.3 汇总重力势和基质势作用下的地基渗流
• 5.5 本章小结
• 6 未处理地基渗流分析
• 6.1 使用ANSYS建立模型介绍
• 6.1.1 二维模型介绍
• 6.1.2 模型中基本数据的计算
• 6.2 原状地基土无补给水渗流模拟
• 6.2.1 无补给水只考虑基质势作用下的渗流模型
• 6.2.2 无补给水只考虑重力势作用下的渗流模型
• 6.2.3 汇总重力势与基质势渗流结果并与强夯地基比较
• 6.3 原状土有补给水渗流模拟
• 6.3.1 有补给水只考虑基质势作用下的渗流模型
• 6.3.2 有补给水只考虑重力势作用下的渗流模型
• 6.3.3 汇总重力势与基质势渗流结果并与强夯地基比较
• 6.4 本章小结
• 7 饱和湿陷性黄土路基渗流有限元模型
• 7.1 使用ANSYS建立的模型介绍
• 7.1.1 二维渗流模型
• 7.1.2 模型单元介绍
• 7.1.3 数学模型
• 7.1.4 定解条件
• 7.2 命令流原理分析
• 7.3 有限元模型分析
• 7.3.1 竖直方向渗流曲线
• 7.3.2 水平方向渗流曲线
• 7.3.3 汇总竖直方向和水平方向渗流结果
• 7.4 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果