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半填半挖路基水分运移规律及差异沉降形成机理研究

作　者: 王有昌
导　师: 王桂尧
学　校: 长沙理工大学
专　业: 岩土工程
关键词: 半填半挖路基水分运移差异沉降湿化变形 Geo-Studio
分类号: U416.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

水分运移是非饱和土体的根本问题,降雨入渗、蒸发、地下水位变化等边界条件作用下,使土体中的非饱和区范围发生变化,非饱和土体内部的水分场重新分布,其吸力场也随之改变,表层土体在水分含量减少时干缩开裂,在水分增加时出现湿陷等,非饱和区土体出现回弹和压缩变形等。半填半挖路基属于非饱和土的范畴,因其断面特殊性、土体材料差异性及边界复杂性,在边界条件改变和外荷载作用下,路基内部土体水分含量改变产生不均匀变形,造成路面病害。由于非饱和土性质的复杂性,其差异变形问题需进一步深入研究。本文旨在以湖南省境内某典型填料为研究对象,对填料的非饱和水分运移规律进行了系统的研究。首先设计填方土体和挖方土体的土柱试验,分析土柱在不同入渗角度、水头高度、压实度、地下水位条件下的水分运移规律,并得到入渗长度与入渗水头、时间、入渗量之间的关系以及湿润锋x f和时间t的关系;设计风干土柱吸湿试验,得到湿润锋随时间的变化规律和吸湿后含水率的分布,并通过拟合曲线得到土柱含水率的分布函数。其次针对半填半挖路基的特殊性,应用湿化变形机理分析路基填挖材料在浸湿下产生湿化沉降;应用非饱和流固耦合机理分析降雨条件下不同历时、雨强、雨型及地下水位变化下的水分运移及引起的变形规律。最后,采用Geo-Studio系列软件对湖南某高速半填半挖路段典型断面建立实体模型,分析路基土体在自然气象条件下和地下水位变化下的水分运移规律及差异沉降规律,从而为控制工后沉降,改进半填半挖路基的修筑技术,改善路基排水系统提供依据。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-9
第一章绪论  9-20
  1.1 研究问题的提出  9-10
  1.2 国内外的研究现状  10-18
    1.2.1 有关半填半挖路基的差异沉降研究现状  10-12
    1.2.2 有关半填半挖路基的排水研究现状  12-13
    1.2.3 有关非饱和土水分运移研究现状  13-16
    1.2.4 有关非饱和固结与变形问题的研究现状  16-18
  1.3 本文研究的目的及意义  18-19
  1.4 主要工作及研究思路  19-20
第二章非饱和土的渗流及变形基本理论  20-36
  2.1 非饱和土的基本理论  20-26
    2.1.1 土水势理论  20-21
    2.1.2 土中吸力理论  21-24
    2.1.3 土-水特征曲线  24-26
  2.2 饱和-非饱和渗流的基本方程  26-30
    2.2.1 水的流动定律-Darcy定律  26
    2.2.2 非饱和土水分运动基本方程  26-27
    2.2.3 饱和-非饱和渗流的控制方程  27-29
    2.2.4 控制方程定解条件  29-30
  2.3 非饱和土的变形理论  30-34
    2.3.1 非饱和土的本构模型  30-33
    2.3.2 非饱和土的实用变形计算方法  33-34
  2.4 非饱和土的抗剪强度理论  34-35
  2.5 小结  35-36
第三章非饱和土水分运移及变形试验研究  36-54
  3.1 概述  36
  3.2 试验土样的物性指标  36-37
    3.2.1 颗粒分析试验  36-37
    3.2.2 液塑限试验及击实试验  37
  3.3 水头条件下的水分运移规律试验研究  37-44
    3.3.1 土样的配置  37-38
    3.3.2 不同入渗角度下的土柱试验  38-39
    3.3.3 不同水头下的水平入渗试验  39-44
  3.4 地下水水位变化引起的水分运移规律试验研究  44-49
    3.4.1 不同地下水位条件下土柱的吸湿试  44-45
    3.4.2 风干土柱的吸湿试验  45-47
    3.4.3 毛细水上升试验  47-49
  3.5 非饱和土柱变形试验研究  49-53
    3.5.1 地下水湿化作用对土柱强度的影响  49-50
    3.5.2 地下水变化对土柱变形的影响  50-53
  3.6 小结  53-54
第四章半填半挖路基的差异沉降机理研究  54-72
  4.1 概述  54
  4.2 半填半挖路基的湿化变形机理  54-59
    4.2.1 湿化沉降机理  54-57
    4.2.2 湿化沉降的计算方法  57-59
  4.3 基于非饱和土流固耦合的差异变形机理  59-71
    4.3.1 渗流场和应力场耦合模型  60-63
    4.3.2 水分运移引起的差异变形机理分析  63-71
  4.4 小结  71-72
第五章半填半挖路基水分运移引起的差异沉降数值模拟研究  72-94
  5.1 SEEP/W和SIGMA/W模块软件介绍  72-76
    5.1.1 SEEP/W和SIGMA/W的特点  72-74
    5.1.2 模块SEEP/W的有限元分析  74-75
    5.1.3 模块SIGMA/W的有限元分析  75-76
  5.2 半填半挖路基水分运移引起的差异沉降数值模拟  76-92
    5.2.1 工程算例概况  76-77
    5.2.2 有限元模型的建立  77
    5.2.3 计算模型参数  77-78
    5.2.4 施工过程模拟  78-82
    5.2.5 地下水位变化条件下的沉降模拟  82-86
    5.2.6 降雨条件下的沉降模拟  86-92
  5.3 小结  92-94
第六章结论  94-96
  6.1 结论  94-95
  6.2 有待进一步探讨的问题  95-96
参考文献  96-100
致谢  100-101
附录 A(攻读学位期间发表论文目录)  101
附录 B(攻读学位期间参与课题目录)  101

半填半挖路基水分运移规律及差异沉降形成机理研究

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