非饱和土路基水作用机理及其迁移特性研究

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1、湖南大学博士学位论文非饱和土路基水作用机理及其迁移特性研究姓名：刘小平申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：赵明华20080601博Ij学位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

2、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。从吸力的承载体一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

3、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

4、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

5、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非饱和十路基水作用机理及】￡迁移特性研究的测试成果，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。温度场及基质势一温度场．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、基质势一温度场及基质势．温度场．渗流场三场耦合作用下路基中

6、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。关键词：非饱和土水分迁移；吸力；毛细作用；降雨渗流；裂隙渗流；水热耦合IIAbstractWiththeincreasingrequirementoftraffictothedevelopmentofflourishingeconomyinourcountry，theconstructionofhighwayandrailroadwereenlarged，withtheresultthatsuchtheFin

7、e-grainedSoils(includingsiltysoilandclayeysoil)，expansivesoil，loess，collapsiblesoiletc．，weregraduallyusedassubgradematerials．Theengineeringpropertyofunsaturatedsoilandmoisturetransferhadbeenattractedmuchattentionbypracticalengineeringworkersandresearchersmoreandmore

8、·Theroadbedisbelongedtounsaturatedsoil，whichisgreatlyinfluencedbywatercontentofsoil．Theconstructedsubgradewasexposedtonaturalenvironment，s