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湿陷性黄土路基水分场及其变形特性数值分析

胡欣  
【摘要】:湿陷性黄土结构疏松、强度高、压缩性小;在降雨作用下易发生湿陷变形,公路湿陷性黄土路基沉降及破坏往往比较严重。论文以固原到西吉高速公路工程为依托,对宁夏固原地区的湿陷性黄土路基的水分场及变形进行研究。论文主要研究内容及结论如下:(1)基于GEOSTUDIO平台,通过物理经验模型(Arya-Paris模型)及固原黄土物理力学参数,拟合得到了固原黄土在不同干密度情况下的土水曲线;采用VG模型以土水曲线反算出固原黄土的渗透函数。建立土柱模型分析了饱和含水量、干密度及土类对土体毛细水上升的影响。(2)考虑路基压实分区特征、固原气候条件、雨水径流条件及边沟排水等因素,建立了不同雨强、不同地下水位及降雨方式下的固原黄土路基的水分渗透数值模型。分析表明:1)在小雨条件下,雨水在边坡处渗流紊乱、先浸润坡脚,降雨结束后孔隙水压力分布较降雨前期分布更均衡。2)随着降雨强度增加,雨水向坡脚汇集,表层土体暂态饱和。3)受压实度影响,降雨强度增加后,路基新生了浸润线,并出现了水分分区现象。(3)建立了不均匀条件下(地表倾斜、路基填筑材料不均匀、地基初始含水量分布不均匀)的数值模型,分析了路基的水分分布规律。分析表明:1)当雨水垂直于倾斜路基表面入渗,降雨入渗深度及入渗方向改变,导致浸润线及土体含水量发生变化。2)填料的不同渗透特性及持水能力,导致降雨后路基的含水量和孔隙水压力均出现“极值交替”现象。3)地基初始含水量的差异性影响雨水的渗流路径,但对路堤浅层土体含水量的变化影响小,对路堤底部含水量的变化影响大。(4)对降雨条件下不同地基处理方法(换填、素土/灰土挤密桩)的处理效果进行了数值模拟。分析表明:1)路基换填后,换填区域水平方向含水量的最大变异系数值8%,最大平均含水量20%,含水量值较低且水平分布均匀;竖直方向含水量的最小变异系数值40%,最大平均含水量13%,含水量值较低但竖向分布不均匀。换填后路基表面最大沉降值减小10cm。2)素土挤挤密桩改变了路基内部的雨水的渗流方向,湿陷区域土体平均含水量值降低了2%;含水量在素土挤密桩底部达到最大值,竖向含水量分布变异系数平均值14%,含水量竖向分布均匀性较好;浸润线从湿陷区域下降到非湿陷区域,路基中心最大沉降值为8.3cm。3)桩体材料为灰土时,降雨后浸润线位置降低,挤密区域的土体竖向含水量分布变异系数平均值23%,平均含水量12%,含水量值较低但竖向分布较不均匀;降雨后路基的最大沉降值比素土桩减少约1.3cm。(5)论文对固原黄土路基的含水量、沉降等指标进行了现场监测。监测数据对比分析,数值模拟结果与现场实测值的变化规律基本一致。


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