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硫酸盐渍土地区路基水、热、盐、力四场耦合机理及数值模拟研究
| 论文题名： | 硫酸盐渍土地区路基水、热、盐、力四场耦合机理及数值模拟研究 |
| 关键词： | 硫酸盐渍土;盐胀机理;热质迁移 |
| 摘要： | 盐渍土地区土木工程的实施是国家经济进一步发展对特殊地域条件下基础设施建设的具体要求。盐渍土盐胀对修筑在盐渍土地区的许多建造物(如铁路、公路、水利设施、房屋建筑等)造成了危害。 不同类型的盐渍土，在不同的环境和条件下(温度、水分、盐分等)对工程建筑物都具有不同程度的破坏作用。硫酸盐渍土是盐渍土中对工程建筑危害最典型的盐渍土，温度、水分和盐分的变化将使修筑在硫酸盐渍土地区的路基产生盐胀和冻胀，导致路基不均匀隆起、松胀、开裂，从而降低了路基的强度和稳定性。 本文以硫酸钠盐渍土作为理论分析和试验研究的主要对象。参考以往对冻土研究取得的水、热、力三场耦合理论成果，首先推导出水分迁移条件下的温度场、变温条件下的水分场二维控制微分方程，然后运用土壤物理学和传热学的基本理论，考虑水分场和盐分场的耦合作用，利用土壤水盐运移基本规律，推出水分场和盐分场耦合问题的二维控制微分方程。再运用溶液结晶学和冻土力学的基本理论，在已有冻胀变形研究成果的基础上，考虑盐胀变形的影响，推出含水量和盐渍土体积应变的关系式。文章还假定盐渍土体为各向同性的弹性体，结合变形场与应力场的控制方程，提出了考虑盐渍土路基盐胀和冻胀两种情形下的二维水、热、盐、力四场耦合方程。 水分运动方程可写为(a)θ/(a)t=(a)/(a)x(aK(a)Pw/(a)x)+(a)/(a)z(aK(a)Pw/(a)z)-(a)K/(a)z式中Pw=(1-x)ρwρiLln(T/T0)+ρwσn/xρw+(1+x)ρi温度场方程可表示为C'(a)T/(a)t=(a)/(a)x[λ(a)T/(a)x]+(a)/(a)z[λ(a)T/(a)z]+Lρw(a)θ/(a)t式中C'=C+Lρw(a)θu/(a)T。 盐分方程可表示为(a)(θC)/(a)t=-(a)(qxC)/(a)-(a)(qyC)/(a)z+(a)/(a)x(Dsh(a)C/(a)x)+(a)/(a)z(Dsh(a)C/(a)z)应变与含水量的关系为εV=0.09(θu1-θu2)+(θu1-n)+0.209(r1-r2)/(78.889-r2)θu1应力-应变方程为{σ}=[D]({ε}-{ε0})(6) 文章还用等格距隐式有限差分格式对耦合方程进行了离散，采用Jacobi迭代法，并借助于Matlab编程及MatlabPDE工具包对定解条件下的水分、温度、盐分进行了数值求解，同时在有限差分时段内采用有限元法对盐渍土路基的应力变形场进行了求解，并与现场试验路的测试结果进行了比较分析，验证了耦合方程的可行性。 文章最后就盐渍土地区路基的修筑技术进行了一般的讨论，认为充分认识路基的水分、热质、盐分的迁移规律是有效治理盐渍土路基盐胀、冻胀病害的关键。 |
| 作者： | 牛玺荣 |
| 专业： | 道路与铁道工程 |
| 导师： | 高江平 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 长安大学 |
| 学位年度： | 2006 |
| 正文语种： | 中文 |
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