环境湿热变化下皖西膨胀土路基工程性状研究

摘要

膨胀土是一种对环境湿热变化敏感，易吸水膨胀软化、失水收缩干裂且反复变形的高塑性粘土，膨胀土地区路基工程的稳定性，已成为当前公路工程地质中一个不可忽视的重要研究课题。结合实际工程，研究环境湿热变化下膨胀土工程特性与路基工程性状，并提出相应的工程措施与施工控制标准具有重要的理论意义和工程应用价值。依托皖西地区周集-六安高速公路建设项目，采用室内试验、模型试验、理论分析和数值模拟相结合的手段，重点研究皖西膨胀土的判别与分类标准、工程特性、路基毛细水上升规律及处置方案、环境湿热变化下膨胀土渗流与边坡稳定性分析方法，为膨胀土路基的合理设计提供科学依据，直接指导工程实践，同时，为进一步推动膨胀土及非饱和土力学学科的发展做出学术上的贡献。本文的主要研究内容和成果如下：
　　 对反映和表征膨胀土胀缩机理和特性的指标进行深入探讨，建立了含液限、塑性指数、自由膨胀率、黏粒含量、标准吸湿含水量5指标的膨胀土分类方法，并通过大量的试验给出了皖西膨胀土分类标准。
　　 对皖西膨胀土的压实特性、胀缩特性和强度与变形特性进行系统的试验研究，全面阐述皖西膨胀土的压实特性、胀缩特性和强度与变形特性的变化规律及其影响因素，并在此基础上探讨皖西膨胀土作为路基填料的工程适应性。
　　 开展了皖西中膨胀土石灰改性与粉煤灰改性试验研究，系统分析了不同配比条件下改性土的物理指标、压实特性、胀缩指标和力学特性的变化规律，在此基础上给出了皖西膨胀土改性方案及填筑控制标准。
　　 采用数值模拟方法，开展了不同垫层材料的膨胀土路基毛细水上升研究，同时开展毛细水上升示踪模型试验，探讨不同垫层材料和处置厚度对毛细水上升高度的影响，结合数值模拟和模型试验的成果，提出了控制膨胀土路基毛细水效应的基底处置方案建议。
　　 针对环境湿热变化下膨胀土路基长期稳定问题，建立了温度—渗流—应力三场耦合模型，以质量守恒定律、线动量平衡原理和能量守恒定律为基础，推导了非饱和土体温度场-渗流场-应力场三场耦合控制方程组，并用Galerkin法进行了有限元离散。通过典型耦合算例，说明了建立的耦合模型及其数值求解的正确性，为研究膨胀土路堤边坡在大气作用下的响应过程提供了理论基础。
　　 基于温度—渗流—应力三场耦合模型，以皖西地区实际蒸发量和降雨量作为边界条件，模拟了降雨、蒸发天气条件变化对路基工程行为的影响，并结合室内试验结果，分析了路基在大气热湿循环作用下的变形规律，在此基础上，建议了保持路基性能长期稳定的工程措施。

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论文说明：图表目录

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致谢

第一章绪论

1.1研究意义

1.2国内外研究现状

1.3本文的主要工作

第二章皖西膨胀土分类标准与工程特性试验研究

2.1概述

2.2皖西膨胀准土判别与分类标

2.3皖西膨胀土基本物理特性

2.4皖西膨胀土压实特性

2.5皖西膨胀土的胀缩特性

2.6皖西膨胀土的强度与变形特征

2.7中膨胀土石灰改性试验

2.8中膨胀土粉煤灰改性试验

2.9本章小结

第三章膨胀土路基毛细水上升规律及封底处置技术研究

3.1概述

3.2非饱和土毛细水上升机理

3.3毛细水上升过程水分运动方程与求解方法

3.4膨胀土路基毛细水上升数值分析模型与分析方案

3.5不同土质土体的毛细水上升规律

3.6垫层土质、级配对毛细水上升高度的影响规律

3.7垫层厚度、含水量对毛细水上升高度的影响规律

3.8膨胀土路基毛细水上升模型试验

3.9本章小结

第四章非饱和土温度-渗流-应力耦合数值模型研究

4.1物性方程

4.2THM耦合控制方程的建立

4.3定解条件

4.4.THM耦合控制方程的有限元离散

4.5本章小节

第五章温度-渗流-应力耦合效应对膨胀土路堤工程行为影响规律

5.1引言

5.2计算的基本模型和基本物性参数

5.3大气作用下路堤边坡响应的数值模拟

5.4本章小节

第六章结论与展望

6.1论文主要研究结果

6.2需要进一步研究的问题

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文