非饱和土路基水作用机理及其迁移特性研究

论文摘要

随着蓬勃发展的国民经济对交通需求的日益提高,公路、铁路建设不断扩大,细粒土（粉质土和粘质土）、膨胀土及湿陷性土等非饱和土作为路基材料也逐渐增多,非饱和土的工程性质及非饱和土水分迁移特性也越来越引起工程界及科研者的重视。修建的路基一般属于非饱和土范畴,而含水量是影响非饱和土工程性质的主要因素。建后路基暴露于自然环境中,路面荷载作用、降雨渗流作用、地下水毛细作用及四季温度变化等因素直接给路基水分迁移提供动力,使路基中的水分产生迁移,路基土含水量发生变化,导致路基工程性质下降。因此,为了了解路基水分迁移的规律及程度以提高路基工程设计,对外界因素下路基土的水分迁移研究非常必要。本文基于以上工程实践要求,主要通过理论分析、室内试验及数值模拟等手段系统地研究了水分对非饱和土路基工程性质作用机理、路基水分在毛细作用、降雨作用路基渗流和路基裂隙渗流作用及水热耦合作用迁移等问题。首先,本文研究了非饱和土吸力的本质问题。从吸力的承载体—土颗粒水膜的本质特征进行了研究,引用并扩展了水膜理论,从广义的水膜理论及土性方面分析了非饱和土总吸力问题,推导了广义非饱和土水膜理论下的总吸力公式;同时,通过对长沙非饱和红粘土的非饱和土三轴试验,获得了长沙非饱和重塑红粘土的土水特征曲线及在不同的吸力下抗剪强度特性。其次,研究了毛细作用下路基水分迁移特性。探讨了路基中毛细作用机理和毛细上升高度与时间、土颗粒大小的关系;基于简单的路基毛细作用模型及土-水特征曲线,初步导出单位体积路基土毛细作用下含水量的变化关系。利用多孔介质理论,分析路基土毛细作用多孔介质模型;分别从结合路基毛细作用模型、土-水特征曲线及多孔介质理论,从两方面导出单位体积路基土毛细作用下含水量的变化公式。再次,研究了降雨渗流作用下的水分迁移特性。基于路基内部水运动原理,分析了降雨渗流（包括路表渗流及路基裂隙渗流）对路基的浸润作用,探讨了IEM和FDEM降雨模型强降雨及弱降雨强度下雨水入渗路基机理,推导出降雨强度与雨水入渗路基深度的公式,研究了降雨作用下非饱和土路基的饱和-非饱和流,且基于一般渗流方程的基础上,初步导出了降雨作用下非饱和土路基的饱和-非饱和渗流公式;同时,对路基土质裂隙进行了初步探讨,分析了非饱和土路基裂隙介质特征,并建立考虑吸力水头的土质裂隙渗流公式。最后,研究了水-热偶合作用下路基的水分迁移特性。研究了路基温度场及温度场与水分场耦合作用下路基水分迁移规律,同时,根据前人路基土性热参数的测试成果,利用matlab语言数值模拟砂质路基和粘性土路基在不同初始干密度及不同初始含水量条件下的路基温度场随时间变化特性;按照质量守恒及热力学定理推导了水-热耦合方程,分别分析了水-热耦合场的基质势与温度场的耦合作用及渗流场与温度场的耦合作用,继而推导了基质势-温度场及基质势-温度场-渗流场耦合方程;数值模拟砂质路基和粘性土路基分别在基质势、基质势-温度场及基质势-温度场-渗流场三场耦合作用下路基中的水分场随时间的变化过程,初步探讨了三场偶合作用下不同土质路基在不同的初始干密度及初始含水量变化下土中含水量变化的机理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 问题的提出及研究意义
• 1.1.2 气候对路面破坏的影响
• 1.1.3 路基水分影响因素
• 1.1.4 路基水分汇源分析
• 1.1.5 路基水分迁移作用
• 1.2 非饱和土路基水分迁移研究现状
• 1.2.1 毛细作用下水分迁移研究现状
• 1.2.2 渗流作用下水分迁移研究现状
• 1.2.3 温度场作用下水分迁移研究现状
• 1.3 本文研究主要内容
• 第2章 非饱和土水分作用机理及试验研究
• 2.1 概述
• 2.2 土中水分析
• 2.2.1 结合水
• 2.2.2 非结合水
• 2.3 非饱和土应力特性分析
• 2.3.1 非饱和土有效应力分析
• 2.3.2 水膜理论的吸力研究
• 2.4 含水量对非饱和土工程特性影响研究
• 2.4.1 土水特征曲线
• 2.4.2 饱和度对土中吸力的影响
• 2.5 长沙非饱和重塑红粘土试验研究
• 2.5.1 土-水特征曲线（SWCC）试验研究
• 2.5.2 长沙非饱和红粘土强度三轴试验研究
• 2.5.3 结果分析
• 2.6 小结
• 第3章 毛细势下非饱和土路基水分迁移
• 3.1 概述
• 3.2 土中毛细作用研究
• 3.2.1 土的毛细作用机理及对路基工程影响
• 3.2.2 毛细作用的几个基本概念
• 3.2.3 土的毛细作用影响因素
• 3.2.4 毛细水-气界面力学分析
• 3.2.5 路基中毛细水上升高度
• 3.3 土的多孔介质模型分析
• 3.3.1 土孔隙几何分析
• 3.3.2 土孔隙分布模型
• 3.4 土的渗透系数多孔介质模型讨论
• 3.4.1 渗透系数多孔介质表示
• 3.4.2 土的固有渗透率分析
• 3.5 毛细作用下水分迁移量研究
• 3.5.1 路基模型
• 3.5.2 路基中含水量变化公式推导
• 3.5.3 实例分析
• 3.6 小结
• 第4章 降雨作用下非饱和土路基水分迁移研究
• 4.1 概述
• 4.2 降雨对路基浸润作用分析
• 4.3 降雨入渗机理分析
• 4.3.1 入渗机理分析
• 4.3.2 地表入渗边界条件
• 4.3.3 一维入渗简化数学模型
• 4.4 路面地表径流渗透路基模型
• 4.4.1 瞬态降雨模型
• 4.4.2 连续降雨模型
• 4.5 降雨作用下路基裂隙渗流路基分析
• 4.5.1 路基裂隙成因分析
• 4.5.2 路基土体裂隙介质分析
• 4.5.3 路基裂隙水渗流模型
• 4.6 降雨作用下非饱和土路基的饱和-非饱和流分析
• 4.6.1 基本方程
• 4.6.2 路基土中饱和-非饱和流分析
• 4.6.3 数值模拟分析
• 4.6.4 实验对比
• 4.7 小结
• 第5章 非饱和土路基温度场及水分迁移影响研究
• 5.1 概述
• 5.2 非饱和土导热性质
• 5.2.1 非饱和土传热机制
• 5.2.2 土的导热性质参数分析
• 5.3 温势下非饱和土路基水分迁移特点
• 5.3.1 温势下土体水分迁移机理
• 5.3.2 温度势下非饱和土路基水分迁移特点
• 5.4 路基温度场分析
• 5.4.1 路基温度场控制方程
• 5.4.2 路基温度边界条件
• 5.5 路基温度场模拟分析
• 5.5.1 路基模型及参数值的选取
• 5.5.2 不同土性下路基温度场变化影响分析
• 5.6 小结
• 第6章 水热耦合下非饱和土路基水分迁移研究
• 6.1 概述
• 6.2 非饱和土路基基质势-温度耦合作用分析
• 6.2.1 液态水迁移控制方程
• 6.2.2 气态水迁移控制方程
• 6.2.3 非饱和土路基水热耦合总水分迁移方程
• 6.3 基质势-温度-渗流水势相互作用机理分析
• 6.3.1 路表渗流与温度场耦合机理
• 6.3.2 路表渗流与路基基质势相互影响分析
• 6.4 边界条件
• 6.4.1 上边界条件
• 6.4.2 下边界条件
• 6.5 水热耦合迁移方程有限元模拟
• 6.5.1 有限元分析
• 6.5.2 基质势作用下路基含水量分布模拟
• 6.5.3 基质势-温度势耦合作用下路基含水量模拟分析
• 6.5.4 基质势-温度势-渗流耦合作用下路基含水量模拟分析
• 6.6 实例分析
• 6.7 小结
• 结语
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间论文、科研及获奖情况