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压实红粘土的工程特征与湿热耦合效应研究

谈云志  
【摘要】: 红粘土在我国是一种分布十分广泛的特殊粘土,具有失水开裂、遇水泥化的典型水敏性特征,其中在湖南和广西地区覆盖面很广。大量交通基础设施建设难以回避使用红粘土作为路基填料,但因其天然含水量较高致使填筑阶段很难达到重型压实标准,同时又因其典型的水敏性可能引起运营阶段路基的性能弱化。因此,需要深入研究路基填筑阶段的压实度控制指标与外部营力对其长期性能的作用机制。 论文以厦门至成都高速公路湖南郴州段的红粘土为研究对象,以环境因素作用下红粘土路基的变形特征与防护方法为研究目的,通过室内试验研究了不同压实度红粘土的持水性能、毛细上升、湿热耦合迁移及湿化变形等特征,借助郴州地区连续两年的气象数据,模拟在地下水和大气的共同作用下路基内部红粘土水分迁移与路基变形的耦合过程,主要研究内容及结论如下: (1)针对不同压实度的红粘土,系统开展了其渗透、固结、收缩、剪切等试验研究。在分析上述特性指标随压实度变化规律的基础上,以红粘土特征指标随压实度变化的敏感程度作为路基压实度能否降低的判别依据,指出将各指标随压实度变化曲线上的拐点特征值作为适当降低压实度的临界参考值,为确定红粘土路基填筑压实度控制指标提供了依据。 (2)利用压力板仪研究了四种压实度试样的持水性能,发现与其它粘土的土水特征曲线相比有很大的不同,压实红粘土的土水特征曲线在吸力增大的过程中出现了类似于进气值前和残余含水量后的水平阶段。水平阶段的性状与试样的干密度有很大的关系,干密度越小水平阶段持续越长。通过液氮冷冻干燥和压汞相结合的方法测试了四种压实度试样的孔隙分布特征。发现孔隙孔径分布曲线存在两个峰值,不同干密度试样对应的小孔径及其孔隙分布密度差别不大,但对应的大孔径及其分布差别迥然。根据不同压实度试样的孔隙分布特征解释了对应压实度试样的持水。 (3)为模拟地下水作用下路基底部土体的毛细效应,自制了毛细上升试验装置。在常地下水位边界条件下,获得了三种不同压实度土体的含水量随高度的分布规律,并利用Bruce推导的方法计算了等温水分扩散系数。 (4)为了解大气温度作用下路基内部土体的水分迁移规律,自行设计加工了一套湿热耦合试验装置。研究了绝湿边界条件下三种压实度和三种初始含水量试样的水分传输特征,发现水分的绝对迁移量与土体初始含水量有关,初始含水量过高和过低都不能产生大量的水分迁移,而存在一个“最优含水量”迁移点,这为潮湿地区红粘土偏湿碾压提供了一定的理论支持。最后,采用任奋芝推导的公式计算了热湿扩散系数。 (5)在三轴仪的基础上改装了一套可供湿化变形试验的仪器,并对传统的单线和双线试验法进行了修正。模拟了不同压实度试样在水分湿化作用下的变形特征,提出了丧失基质吸力与湿化变形的本构关系。 (6)以Philipde Vries湿热耦合模型为基础,考虑了湿化变形对体积含水量的影响,实现了温度、水分、变形三场之间的耦合,利用有限元计算方法模拟了环境因素作用下路基的温度、水分、变形场的演化规律,并针对性地提出了路基病害的防治方法。


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