湿热区花岗岩残积土路堤湿度迁移机理研究

论文摘要

我国东南沿海地区，夏季高温多雨，花岗岩分布广泛。随着高速公路建设规模的不断扩大，花岗岩残积土成为路堤主要填料之一，在路堤施工及开放交通服务期间，受地下水、大气降水、蒸发、路面结构透水、交通荷载等因素的影响，路堤湿度不断变化，填土的强度与刚度下降，导致路堤沉陷、路面开裂等公路工程病害普遍存在。因此，明确路堤的湿度迁移规律及湿度变化对花岗岩残积填土的工程特性影响具有重要意义。基于以上，本文针对福建地区典型花岗岩残积填土，采用室内模型试验与数值模拟相结合，系统研究花岗岩残积填土的工程性质及在毛细作用、雨水入渗及温湿耦合作用下路堤湿度的迁移规律。采用常规土工试验、吸力试验、水平土柱吸渗试验确定非饱和花岗岩残积土的物理特性、吸力特性、水分扩散率、非饱和导水率、饱和导水率与压实度关系；改进了综合考虑土体颗粒组成的热特性参数公式；采用常规三轴试验，明确不同层位花岗岩残积土的吸力强度与饱和度的关系。基于Richard非饱和渗流方程，以体积含水量为变量，编制了一维毛细水上升有限差分程序，并采用室内毛细水上升土柱试验对程序进行验证，模拟了不同压实度、初始含水量及考虑温度变化对毛细作用的影响，建立了不同条件下毛细水上升高度与上升速度模型，确定不同压实度、初始含水量条件下路堤土的最终毛细水上升高度值。基于Richard非饱和渗流方程，以体积含水量为变量，编制一维有限差分程序，并分别采用室内一维土柱入渗试验和有限元对上述程序进行验证；以负压力水头为变量，编制成层土路堤的二维ADI有限差分程序，模拟不同降雨强度、降雨历时、路面结构条件下路堤湿度迁移规律。依据非稳态导热方程，分别编制了一维、二维ADI有限差分程序，并采用室内土柱试验进行对比验证，在此基础上，应用二维程序模拟了福建气温、太阳辐射、风速等边界条件下，花岗岩残积土路堤温度分布及季节性变化规律，同时分析了不同压实度、热导率、体积比热容对路堤温度场影响特征。综合考虑温度对水分运动参数影响，利用Matlab语言编制温湿耦合程序，模拟了降雨-毛细耦合、温度-毛细耦合、温度-降雨-毛细耦合条件下路堤内的湿度迁移，获得花岗岩残积土路堤在不同环境条件下的温度场、湿度场年变化规律。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 花岗岩残积土的研究现状
• 1.2.2 湿度迁移的理论研究
• 1.2.3 湿度迁移规律研究现状
• 1.3 问题的提出、研究目标、研究内容、技术路线
• 1.3.1 问题的提出
• 1.3.2 研究目标
• 1.3.3 研究内容
• 1.3.4 技术路线
• 第二章 花岗岩残积填土的工程特性
• 2.1 花岗岩残积填土的物质成分
• 2.1.1 矿物成分
• 2.1.2 化学成分
• 2.1.3 物化特性
• 2.2 花岗岩残积填土物理特性
• 2.2.1 颗粒分析试验
• 2.2.2 比重试验
• 2.2.3 界限含水率试验
• 2.2.4 击实试验
• 2.3 花岗岩残积填土土-水分特征曲线
• 2.3.1 土水特征曲线模型
• 2.3.2 花岗岩残积填土吸力与含水量关系
• 2.4 花岗岩残积填土的水分运动参数
• 2.4.1 土体水分扩散率
• 2.4.2 饱和导水率
• 2.4.3 非饱和导水率
• 2.5 花岗岩残积填土的热特性参数
• 2.5.1 比热容
• 2.5.2 热导率
• 2.5.3 热扩散率
• 2.6 含水量对花岗岩残积土强度的影响
• 2.6.1 试验方法
• 2.6.2 变形与强度特性
• 2.6.3 吸力强度与饱和度的关系
• 2.7 本章小结
• 第三章 毛细作用下路堤湿度迁移研究
• 3.1 毛细特性
• 3.1.1 表面张力
• 3.1.2 水膜表面的力学平衡条件
• 3.2 毛细水上升的主要影响因素
• 3.2.1 土的类型
• 3.2.2 土的粒度
• 3.2.3 矿物成分
• 3.2.4 化学成分与浓度
• 3.2.5 含水量
• 3.2.6 密实度
• 3.2.7 温度
• 3.3 花岗岩残积土路堤毛细水上升研究
• 3.3.1 室内毛细水上升试验
• 3.3.2 路堤毛细水上升数值模拟
• 3.4 本章小结
• 第四章 降雨作用下路堤湿度迁移研究
• 4.1 降雨入渗理论
• 4.2 降雨入渗数学模型与求解
• 4.2.1 一维模型
• 4.2.2 二维模型
• 4.3 室内降雨入渗土柱试验
• 4.3.1 试验设计
• 4.3.2 试验结果与分析
• 4.4 降雨作用下路堤水分迁移数值模拟
• 4.4.1 一维降雨垂直入渗
• 4.4.2 二维降雨入渗模拟
• 4.5 本章小结
• 第五章 福建花岗岩残积土路堤温度场特征研究
• 5.1 传热学理论基础
• 5.1.1 非稳态导热微分方程
• 5.1.2 导热微分方程的定解条件
• 5.2 路堤温度场影响因素
• 5.2.1 土质特性
• 5.2.2 外界环境
• 5.2.3 路面结构类型
• 5.3 室内一维土柱试验温度动态观测与分析
• 5.3.1 试验研究与观测分析
• 5.3.2 数值计算对比验证
• 5.4 福建自然环境下路堤温度场二维数值模拟
• 5.4.1 福建自然气候边界条件
• 5.4.2 计算参数
• 5.4.3 非稳态导热差分方程
• 5.4.4 路基温度季节性变化特征数值模拟
• 5.4.5 路基温度的影响因素分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 温湿耦合条件下路堤湿度迁移分析
• 6.1 温湿耦合数学模型
• 6.2 路堤水热参数确定
• 6.2.1 考虑温度影响的导水率
• 6.2.2 考虑温度影响的水分扩散率
• 6.2.3 热湿扩散系数DT 确定
• 6.3 降雨-毛细耦合模型
• 6.3.1 初始条件与边界
• 6.3.2 计算结果分析
• 6.4 温度-毛细耦合分析
• 6.4.1 计算模型与边值条件
• 6.4.2 计算步骤
• 6.4.3 计算结果分析
• 6.4.4 影响因素分析
• 6.5 温度-降雨-毛细耦合分析
• 6.5.1 计算模型与边界条件
• 6.5.2 计算结果分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简介
• 攻读硕士期间发表的文章
• 攻读硕士期间参与的科研项目