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非饱和土水汽迁移特性试验研究

李颖颖  
【摘要】:土体中不仅存在液态水分迁移,而且还存在汽态水迁移,后者由于测试技术的限制,往往被忽视。实际上土体中液态水和汽态水迁移密切相关,水汽迁移是影响土体力学性能的重要因素。尤其是在干旱和半干旱地区,半刚性基层与黄土路基之间,由于水汽的迁移,会引发半刚性基层层底出现薄层脱空现象,进而引发路面发生破坏。本文针对土体中水汽迁移问题,研发试验装置和设计试验方案,进行水汽迁移室内试验,考虑不同的因素,分析土体中液态水和汽态水的变化,揭示土体中水汽迁移的机理。论文通过收集和整理现有的研究资料,分析了敦煌机场、沈阳桃仙机场道面与G30连霍高速永古段、克拉玛依地区高速公路路面病害发生的原因,结果表明半刚性基层和气候因素引起的“锅盖效应”,致使水汽迁移显著,是产生机场道面和公路路面病害的主要因素之一。土水特征曲线是反应土体基质吸力与含水率的关系曲线,直接影响水分迁移的特性,应用滤纸法测试了黄土和砂土土水特征曲线,并采用VG模型对测试结果进行拟合,且拟合效果良好。研发了室内非饱和土水汽迁移试验装置,进行了高温条件黄土和砂土水汽迁移试验,分析了含水率水平、含水率梯度、迁移时间及土质类型对水汽迁移的影响机制。结果表明:含水率梯度相同时,砂土的迁移量随着含水率水平的增加呈先增加后减小的趋势。黄土的迁移量随着含水率水平的增加呈增加的趋势;当干端初始含水率相同时,黄土和砂土的迁移量均随着含水率梯度的增加而持续的增加;迁移时间越长,迁移量越大;黄土的迁移量普遍大于砂土。为了模拟半刚性基层下的路基工作状态,研发了水汽迁移的土柱模型试验装置,在不同温度梯度作用下,进行了封闭体系和开敞体系条件下的水汽迁移试验研究。封闭体系条件下,“锅盖效应”使得黄土土柱模型内部水汽迁移显著,致使土柱距顶板约10cm至43cm处含水率明显增大;而在砂土土柱模型中,“锅盖效应”产生的水汽迁移并不明显,重力势作用显著,土柱内部含水率呈现上小下大的趋势。开敞体系条件下,黄土土柱表面在蒸发作用下形成密度较大、透水性小的土层,产成“锅盖效应”,致使土柱距顶部33cm至48cm处含水率增大。而砂性土土柱模型中,受蒸发作用,土体内部含水率整体呈现减小趋势,表明“锅盖效应”导致的水汽迁移并不明显。根据菲克定律计算得到水汽扩散系数,对水汽迁移试验中黄土和砂土的迁移量进行定量表征,表明温度变化和含水率差异是产生水汽迁移的主要动力。


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