寒旱区路基复合侵蚀破坏机理的微细观试验研究

摘要

内蒙古自治区位于干旱寒冷的中国北方，因全年大风日数、沙尘暴日数、积雪日数较多，加之常年平均气温较低、温差变化较大，使得沙漠公路在风沙、风雪、风雨等恶劣的自然环境下，不可避免地遭受着风携沙、风吹雪、风驱雨等复合侵蚀作用。
　　本文主要以沙漠风沙土路基作为研究对象，以不设边坡防护作为最不利情况进行研究。通过风携沙粒子、风吹雪粒子、风驱雨滴粒子的风洞高速摄影试验，研究风携带下的不同粒子与路基边坡撞击瞬间的相互作用；研究路基断面设计参数对粒子撞击路基边坡的位置、撞击瞬间的角度和速度的影响。对于同种粒子，当风速一定，路基填料含水率一定时，路基模型为矮路基，边坡坡率越缓，则大粒子大部分撞击在坡中上部后回弹并继续从路基顶面越过，而小粒子大部分越过路基顶面；路基模型为高路基，边坡坡率越缓，大粒子大部分撞击在路基边坡经多次向上反弹后能量逐渐损失，沿坡面下滑或粒子反弹后直接飞向路基坡脚处堆积，而小粒子大部分附着在坡面上。对于同种粒子，路基模型的各种参数相同时，路基填料含水率增大，导致沙粒子和雪粒子附着在路基坡面的粒子增多，雨滴粒子渗入路基减少，很快形成冲刷路基现象。
　　通过改变路基中心线与来风向的夹角，利用风洞高速摄影试验，对不同夹角下各种粒子运动轨迹进行研究。路基模型的各种参数相同时，当路基中心线与来风向的交角变小时，在路基坡面处形成的涡流小，路基填料被风卷走的也就减少了，沙粒子打击在坡肩回弹后越过路基，或者粒子堆积坡脚处减少，对路基的风蚀侵害变小。雪粒子附着在坡面上增多，考虑温度的变化则会对路基造成因积雪融化渗入路基内部而引发冻融循环破坏，或融水坡面径流侵蚀破坏，而风驱雨滴粒子打在坡脚处的雨滴减少，对路基的雨滴凿蚀破坏减小。
　　以风吹雪粒子可能引发的冻融风蚀复合侵蚀为例，通过体视显微镜进行微观扫描，研究路基在冻融风蚀复合侵蚀作用下对路基的破坏机理。利用Micrograph图片分析软件提取路基土冻融风蚀前后微观孔隙结构参数，分析冻融循环次数、路基土含水率、风蚀作用对路基各试验层孔隙面积的影响。当路基填料含水率一定，随着冻融次数的增加，对路基坡面表层侵蚀破坏越大，随着水平测试深度增加，由坡面向内部侵蚀作用减小。冻融后继续进行吹蚀路基，路基在复合侵蚀作用下，坡面的破坏更为严重，尤其对路基坡肩的影响最为严重。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.2.1 风携沙-风蚀研究现状

1.2.2 风吹雪-风雪复合侵蚀研究现状

1.2.3 风驱雨-风雨复合侵蚀研究现状

1.3 研究的目的与意义

1.4 研究的主要内容

第二章 风吹粒子与路基相互作用的风洞高速摄影试验

2.1 风洞试验中的相似性问题与等效问题

2.1.1 室内风蚀风洞试验的基本原理

2.1.2 风吹雪粒子的模拟与等效

2.1.3 风携沙粒子的模拟与等效

2.1.4 风驱雨滴粒子的模拟与等效

2.2 风洞高速摄影试验方案

2.2.1 风沙土的基本物理力学指标

2.2.2 试验仪器与自制设备

2.2.3 试验方法及步骤

2.3 试验结果与分析

2.3.1 风携沙试验结果与分析

2.3.2 风吹雪试验结果分析

2.3.3 风驱雨试验结果分析

2.3.4 路基与来风向交角不同对不同粒径粒子的运动轨迹分析

2.4 本章小结

第三章 路基风雪复合侵蚀破坏机理的微细观试验

3.1 试验方案

3.1.1 试验仪器

3.1.2 试验方法与步骤

3.2 试验结果与微观结构变化

3.2.1 同一含水率下路基各测试层的微观结构与冻融风蚀的关系

3.2.2 路基坡面各测试层在冻融风蚀作用下的微观孔隙结构间的关系

3.2.3 不同含水率下路基坡肩处微观孔隙结构与冻融风蚀关系

3.2.4 考虑路基3次风蚀的情况与文献[36]作对比分析

3.3 本章小结

第四章 结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

参考文献

致谢

作 者 简 介

攻读硕士学位期间发表的论文