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原文传递察尔汗盐湖地区路基溶蚀机理及防治技术研究

论文题名：	察尔汗盐湖地区路基溶蚀机理及防治技术研究
关键词：	盐岩地层;铁路路基;溶蚀病害;损伤弹塑性模型;数值模拟
摘要：	青藏铁路穿越察尔汗盐湖地区，该地区路基为盐岩地层。而盐岩自身富含各种易溶于水的矿物成分，并受外界自然因素和人为开采钾肥影响，促进了路基两侧低矿化度卤水含量的增加。低浓度卤水侵蚀路基盐岩，造成盐岩结构发生破坏，形成溶洞、塌陷等病害，导致路基不均匀沉降，严重威胁路基的正常使用。本文以国家铁路重大科技攻关项目为依托，结合青藏线察尔汗盐岩铁路路基溶蚀及防治工程实例，对盐岩路基溶蚀病害机理和防治技术等问题通过室内试验、现场实测和数值模拟进行了系统深入的研究。主要工作和取得的成果如下：　　（1）根据现场实测和勘探资料，查清了路基填料的岩性成分、含盐量、沉降变形和病害成因。研究了路基两侧积水来源和矿化度，地表水位与路基基底之间卤水浓度的变化规律以及地表水穿越路基时的压力差及矿化度变化。　　（2）在试验的基础上,分别建立了无应力、应力及压力注浆作用下盐岩的溶蚀模型并进行数值求解；推导了渗透与溶蚀的数学关系。通过算例分析可知，在无应力状态下，随着溶液浓度的增加，盐岩的溶蚀质量与溶液浓度成负指数关系。在应力作用下，随着轴向塑性应变的增加，盐岩溶解质量相比于无应力作用时发生了很大的变化，应力对溶解速率的影响不可忽略。在压力注浆作用下，盐岩的压裂与溶解是耦合的过程，溶蚀随注浆过程逐渐增大。　　（3）基于多孔介质力学、损伤力学和弹塑性力学理论建立了溶蚀作用下盐岩损伤弹塑性耦合本构模型。对 ADINA软件中材料的本构模型进行了二次开发，实现了盐岩损伤弹塑性数值计算。为了验证开发本构的可靠性，与试验值进行了对比，结果吻合较好。将开发的本构模型应用于实际工程，通过计算分析可知：湖水的冲蚀作用会影响路基的有效应力、孔隙压力以及路基横向与竖向位移；与自重荷载作用的路基沉降位移相比，湖水入渗侵蚀路基引起的路基沉降位移更大，成为主要影响因素。　　（4）建立了渗流场-变形场-溶蚀场等多场耦合分析模型并进行了数值求解，考虑盐岩的蠕变及溶蚀破坏之后的应力迁移，推导了有限元增量表达式。这种多场耦合分析的关键性思路能为盐岩溶蚀微观机理研究提供新的理论方法。案例分析表明：渗流、温度和化学三者对盐岩的溶蚀影响很大，共同作用时溶蚀速度明显加快。因此，工程设计时应充分考虑这三个因素对溶蚀场的影响；化学-渗透效应对盐岩路基矿物质的运移具有一定的阻滞作用，此结果对于盐岩路基的安全性评价具有重要的现实意义。　　（5）运用CT技术对盐岩空洞或蜂窝煤状进行微细观研究，并对盐岩在不同浓度卤水溶蚀下结构的损伤、密度的变化、内部微细观裂隙的衍生和修复等问题进行了研究。分析了盐岩内部结构裂隙闭合、修复，结构发生重组，强度变化，对路基的稳定性的影响。分析表明：低矿化度卤水对岩盐有溶蚀作用，饱和卤水对岩盐无溶蚀能力，且有助于岩盐内部损伤的修复。　　（6） CT试验和理论分析可知，饱和卤水具有“长盐”修复特性；压力注浆和应力作用使得裂缝和溶蚀加快。因此，提出了饱和卤水加黏土注浆，封堵低矿化度上渗，并联合隔水板防止降水下渗综合治理方法。该方法为盐湖路基溶蚀防治开辟了一种新的途径。通过设计治理方案和长期现场检测试验，发现采用上述方法加固的路基坡面无变形迹象，路基稳定，证明此方法加固的盐岩路基效果显著。
作者：	毛志童
专业：	结构工程
导师：	朱彦鹏
授予学位：	博士
授予学位单位：	兰州理工大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文