环境温湿度对石灰处治膨胀土路堤边坡稳定性影响的数值模拟研究

摘要

有关公路处治膨胀土路堤在经过一段时间运营，经历几个环境干湿循环后土体性状变化的研究，对分析评价其稳定性具有重要的实际意义。本论文从土体内部温湿度场变化及其对土体强度的影响入手，建立土体热湿耦合模型，使用有限差分软件FLAC对石灰改良膨胀土路堤边坡长期稳定性进行分析，并结合室内模型试验结果，验证了其热力学及非饱和渗流模型的合理性，并对石灰处治膨胀土路堤边坡在湿热环境下其内部温度场以及湿度场分布情况进行了探讨。 影响温度传导的最主要因素为土体热传导系数，它取决于土壤的颗粒组成，化学成份、干容重、湿度等。路堤边坡土可视为均质土，其颗粒组成、化学成分一定，干容重以及孔隙率在土体未发生大的破坏之前也可视为定值。因而土体湿度是影响土体热传导的关键因素为。含水量变化对温度传递的影响虽然没有直接通过耦合方程表现出来，但模型中温度传导系数设置为关于含水量或饱和度的函数，则可以实现温湿耦合。 在室内模型试验中，环境温湿度对边坡土体温度的影响深度约为2m，土体表面0.5m深度范围内温度变化幅度较大。边坡土体坡面位置的温度变化幅度相对于坡顶和坡角处要大。由于土体的导热系数较小，随着土体深度的增加，温度的滞后效应比较明显。 室内干湿循环三轴强度试验得出石灰处治膨胀土强度随干湿循环次数的增加而衰减，尤其在土体经过干湿循环并且浸泡饱和之后强度衰减更为显著。运用FLAC软件对三种石灰处治膨胀土路堤边坡模型在三种工况下的稳定性进行分析计算，结果表明环境因素引起的土体干湿循环对土体强度以及边坡长期稳定性的影响非常明显，决定了路堤边坡的长期稳定性能。

目录

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声明

第一章绪论

1.1选题依据及研究意义

1.2国内外膨胀土处治技术及其研究发展现状

1.2.1膨胀土处治分类

1.2.2石灰改良膨胀土研究现状

1.3温度场、湿度场耦合模拟研究现状

1.3.1国外学者的研究成果

1.3.2国内学者的研究成果

1.3.3广西大学就温度场、湿度场耦合模拟研究所做的一些工作

1.4边坡稳定性评价分析方法研究现状

1.4.1定性评价分析方法

1.4.2确定性的定量分析方法

1.4.3不确定性分析方法

1.5本文研究的内容、方法、路线

1.5.1研究内容

1.5.2研究方法与技术路线

第二章石灰改良膨胀土路堤室内模型试验

2.1石灰改良膨胀土的理论介绍

2.1.1碳酸钙对膨胀土的影响

2.1.2石灰对土粒表面结合水膜的影响

2.1.3石灰对土粒间粘结的影响

2.2膨胀土料和石灰的选取

2.2.1膨胀土的选取及其基本物理性质

2.2.2石灰的选取

2.3膨胀土处治方案设计

2.3.1最佳掺灰比的确定

2.3.2最佳含水量的确定

2.3.3闷灰时间的确定

2.4试验模型的设计与制作

2.4.1环境发生器简介

2.4.2路堤边坡模型的设计与制作

2.4.2监测仪器的埋设

2.5环境温度、湿度改变对边坡模型温湿度场的影响试验

2.6小结

第三章非饱和土体渗流的热湿耦合模型介绍

3.1基本方程

3.1.1热传导方程

3.1.2液态流方程

3.1.3气态流方程

3.1.4温度与力学耦合

3.1.5湿热耦合

3.2边界条件

3.2.1温度边界条件

3.2.2水流边界条件

3.3数值模拟

3.3.1拉格朗日差值法与FLAC程序原理

3.3.2 FLAC网格及有限差分方程

3.3.3 FLAC程序热力学模块介绍

3.3.4 FLAC程序两相流模块介绍

3.4小结

第四章FLAC数值模拟计算及对比分析

4.1室内路堤边坡几何模型

4.1.1初始条件

4.1.2边界条件

4.1.3计算时间

4.2土体热物理力学参数及力学和水力参数

4.2.1导热系数

4.2.2.土体体积热容

4.2.3土体力学和水力参数

4.3计算结果分析与对比

4.3.1模拟工况

4.3.2土体导热系数修正

4.3.3一个温度循环后土体内温、湿度场分析

4.4温湿度变化对土体长期稳定性的影响

4.4.1温湿变化对土体强度的影响

4.4.2路堤边坡稳定性计算方案

4.4.3计算结果及分析

4.5小结

第五章结论及建议

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文情况

攻读硕士学位期间参加的科研工作