冻融作用下黄土水分迁移及强度问题研究

发布时间：2018-03-04 10:26

本文选题：黄土冻融病害　切入点：水分迁移　出处：《西安建筑科技大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：属于季节性冻土区的黄土边坡、岸渠、道路等工程冻融病害频现，这类病害与冻融作用下黄土水分迁移和强度变化密切相关。目前对冻融作用下黄土水分迁移和强度问题的研究尚存在诸多疑难之处，本文基于此开展进一步研究工作。通过实地调查和现场测试得到了冻融过程中黄土工程的病害特征和冻融过程中浅层黄土温度场与水分场随气候变化的规律，对病害机理进行了初步分析，揭示了冻融病害与冻融过程黄土水分迁移、强度变化的密切关系，为进一步深入开展的冻融病害机理研究奠定了基础。对非饱和原状黄土进行了冻融强度试验研究。试验结果表明同一含水率下粘聚力随冻融次数的增加呈指数减小。对于相同干密度的土样，含水率越大冻融循环后粘聚力减小量越大。冻融循环对非饱和黄土内摩擦角影响较小，对工程而言可以忽略不计。基于试验数据，进一步拟合得到了非饱和原状黄土粘聚力劣化模型表达式。通过室内大尺寸非饱和黄土冻结作用下水分迁移试验，开展了土体密度、含水率、冻结温度、冻结方式对非饱和黄土水分迁移影响的研究。试验结果表明：干密度越大，冻结锋面的含水率增幅越大，冻结区的水分增幅越小；初始含水率越大，水分迁移量越大，并且在冻结锋面处含水率增幅越大；在未冻结区，从邻近冻结锋面到暖端，含水率先增大后减小，初始含水率越小，这种现象越明显。此现象是冻结界面抽吸力、温度梯度和基质吸力梯度共同作用的结果。冻结方式直接影响已冻结区的含水率分布和水分迁移总量。进一步通过已冻黄土的水分迁移试验研究，结果表明已冻黄土中气态水和液态水迁移对工程而言可忽略不计。非饱和黄土冻结作用下水分迁移试验结果揭示了明显的水分向冻结相变界面运移的现象，说明冻结相变界面对水产生抽吸力，采用水头的概念，将该抽吸力定义为相变界面水头。水分迁移试验结果表明水分向冻结界面迁移量与土体密度、含水率密切相关。基于数值计算分析得到了非饱和黄土相变界面水头表达式，，该表达式反映了影响水分向冻结界面迁移的主要因素，与试验结果拟合度较高，表明该表达式表达相变界面水头是合适的。利用该相变界面水头表达式，对测试场地温度场与水分场进行了数值计算，计算结果反映了实测结果。进一步给出了黄土地区最大冻深与气温和土体含水率的关系。利用前述黄土冻融强度研究成果，对黄土坡面剥落和冻结单桩水平静载试验可靠性问题进行了研究。建立了黄土地区考虑坡端效应的剥落病害力学简化计算模型，利用该模型计算分析了剥落病害与融化深度、剥落体高度的相关关系。黄土地区冬季桩基工程施工频繁，浅层黄土冻结后力学参数增大很多，导致单桩水平静载试验得到的承载力较大，而桩基正常使用阶段无冻土层的存在，这使冬季检测桩水平承载力偏大，存在工程隐患，需予以修正。通过有限元数值模拟黄土地区冻土层对水平受荷桩的影响，提出了冬季单桩水平静载试验的修正系数，可供黄土高原地区冬季检测单桩水平承载力参考。
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【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU444

【参考文献】