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原文传递深厚湿陷性黄土地基浸水入渗规律研究

论文题名：	深厚湿陷性黄土地基浸水入渗规律研究
关键词：	铁路路基;湿陷性黄土;浸水入渗规律;微观结构;数值模拟
摘要：	黄土是干旱、半干旱气候条件下形成的沉积物，广泛分布于我国中西部地区。随着我国“一带一路”倡议和“交通强国”等重大国家战略的实施，使得中西部黄土地区的工程项目越来越多，遇到的自重湿陷性黄土层的厚度越来越大。同时，由于湿陷性黄土具有欠压密、多孔隙、弱胶结、强湿陷性等不良工程性质，遇水浸湿时，强度大幅降低，变形突然增加，导致建筑物地基的下沉或不均匀沉降，极大地限制了工程构筑物的服役性能和生命周期。本文以中兰铁路兰州新区南站典型深厚湿陷性黄土为研究对象，采用室内试验、现场浸水试验和数值模拟相结合的方法，揭示了原状黄土物理力学参数及微观结构随土层埋深的变化规律，测试了深厚湿陷性黄土地基浸水入渗过程中土体含水率、土压力及湿陷变形的时空变化规律，构建了浸水条件下深厚非饱和黄地基的水、气耦合模型，探讨了气相对黄土地基浸水入渗的影响效果及影响程度大小，并将现场试验结果与数值结果进行对比分析，以验证数值结果的准确性及适用性。本文的主要研究内容及相关结论如下：　　（1）深厚自重湿陷性黄土的基本性质研究　　为了准确测试深厚湿陷性黄土场地的工程性质，研究其物理力学参数和微观结构随深度变化规律，开展黄土基本物理力学参数及湿陷性试验，并利用扫描电子显微镜，分析其微观结构，以期从宏观-微观角度对兰州新区深厚原状黄土场地的湿陷特性进行研究。研究结果表明：兰州新区黄土属于粉质黏土，颗粒粒径以粉粒为主，黏粒含量次之，沙粒含量相对较少；兰州新区黄土中粗矿物成分主要包括石英、长石、碳酸盐矿物等，其中石英含量均为最高，为53.90%~59.52%，黏土矿物成分以伊利石为主；原状黄土的破坏应力随围压、埋深增加均明显增大，应力-应变曲线均为应变软化性，土样呈剪切破坏形式；兰州新区原状黄土含水率和干密度随深度增加而增长，自重湿陷系数、孔隙比、渗透系数随埋深增加而逐渐减小，且自重湿陷系数和孔隙比呈正相关关系，拟合得到二者的关系式；通过 SEM 试验对原状黄土的微观结构分析可知，浅层土体支架孔隙比较发育，遇水结构易破坏而产生湿陷变形。深度增加时，土颗粒由粒状变为集粒状或凝块，颗粒间接触形式由支架接触转变为镶嵌胶结，孔隙圆形度增大，分形维数、概率熵、面孔隙率减小，孔隙结构趋于稳定，黄土湿陷性减弱。　　（2）深厚湿陷性黄土地基现场浸水试验研究　　浸水是引发黄土产生湿陷变形的直接原因。在中兰铁路兰州新区南站附近开展现场大型浸水试验，布设了沉降标点、土壤水分计及土压力盒，研究了浸水条件下深厚湿陷性黄土场地的地表位移、湿陷变形、竖向土压力和含水率随时间变化规律，并对该深厚黄土场地的自重湿陷性进行讨论。结果表明：距离浸水试坑中心越远，土体的湿陷量越小，整体呈现“漏斗”形状，浸水时该场地的水平影响范围约为浸水范围以外10m左右；不同测点处的地表沉降随时间大致经历缓慢-快速-减缓-稳定过程，沉降速率最高可达5.88cm/d ，浸水50d时完成总沉降量的60%；根据深层位移发展规律可知，该场地黄土地基的湿陷变形量主要发生在0~15.0m深度范围，占整个场地的80%以上；现场浸水试验和室内试验测得的自重湿陷系数均随深度增大而显著减小，场地自重湿陷下限深度为24.0m；浸水时，不同深度测点体积含水率及润湿锋面发展趋势大致可以分为稳定-快速增加-波动-稳定几个阶段；各深度处的竖向土压力随浸水时间增加逐渐增大，对于15.0m深度范围内的地基土，地基浸水后土体结构完全溃散，测试得到的土压力即为上覆土体的自重压力。　　（3）浸水条件下深厚湿陷性黄土地基水气运移数值模拟　　采用数值软件对浸水入渗过程中的体积含水率、孔隙水压力、孔隙气压力变化规律进行模拟研究，得到了考虑气相条件下的水分入渗发展规律，并与现场试验结果进行对比分析，得到以下结论：浸水条件下，空气被水流向下驱赶压缩，导致孔隙气压力升高，气压又反作用于水分，对入渗形成一定的阻碍；不考虑考虑气相影响时，水分的水平扩散速率远小于竖向扩散速率，湿润锋面呈椭圆状弧面不断向下推移。考虑气相影响时，湿润锋最终形态呈“南瓜”状；气相的存在对非饱和黄土浸水入渗影响较大，考虑气相时，体积含水率的增长相对较缓，越深处的孔隙水压力稳定值越大，表明越深处气相对浸水入渗影响在越显著；浸水入渗过程中不同测点土体孔隙气压力变化过程均可划分为快速增长和缓慢降低阶段，且深度越深，最大峰值气压和空气流速的最大值越高；对考虑气相、不考虑气相、现场实测的体积含水率随浸水时间的变化规律进行对比分析发现：浅层土体在三者差别较大，深层土体中，考虑气相条件下的数值计算结果与现场浸水试验所得的体积含水率变化结果符合较好；水分在非饱和黄土地基中入渗时，土体中气相的存在对水分入渗的影响较大，忽略气相对浸水入渗的影响是不合理的，开展相关研究时应该考虑气相对其的影响。
作者：	徐硕昌
专业：	道路与铁道工程
导师：	刘德仁
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2022