硫酸盐渍土水-盐-热-力四场耦合理论模型

发布时间：2019-09-24 10:42

【摘要】：针对硫酸盐渍土盐胀过程中较为欠缺的四场耦合理论,在已有的冻土三场耦合模型的基础上,建立了盐渍土水-盐-热-力四场耦合动力学模型。首先,基于水动力学模型和质量守恒定律,在水分场方程和盐分场方程中分别引入等效含水量和等效含盐量的概念,以此为耦合因子简化了水-盐-热耦合模型,不仅考虑了溶质扩散及水动力弥散的作用,还考虑了结晶盐-盐溶液相变(化学反应)对盐分迁移,以及结晶盐相变潜热对温度场的影响。其次,根据能量守恒定律,增加结晶盐的相变潜热,使温度场方程更符合工程实际情况。同时,在建立应力场方程时,盐胀部分由溶质的摩尔质量差进行计算,冻胀部分由原土中的部分水加上迁移来的水减去硫酸钠结晶所需要的水进行计算,从而推导出了应力与水分迁移、盐分迁移以及温度的关系,完善了盐渍土四场耦合理论。最后运用该理论模型,计算分析了新疆某公路盐渍土路基的盐冻胀变形过程。结果表明:计算所得地温规律、盐分迁移规律和盐冻胀规律与实测结果基本一致,计算与实测结果均表明,从秋末至来年春季,硫酸盐渍土路基经历了降温到升温的温度剧烈变化阶段,此阶段路基的变形过程可分为平稳区、缓慢盐冻胀区、剧烈盐冻胀区、盐冻胀变形滞后区、缓慢沉降区、剧烈沉降区6个部分。
【图文】：

曲线,断面,单位,盐渍土

分为改建公路，沿原来老路布设，沿线存在大量的盐渍土路段，且盐渍土的类型基本相同，均为亚硫酸盐中强盐渍土、硫酸盐中盐渍土。路基土（旧路）含盐量（质量分数）为０．１５７％～９．３２２％。路基宽度为１２．０ｍ，新填路基的厚度（砂砾石）为０．４ｍ，旧路路基的平均填土高度（低液限粉土）为１ｍ，路基边坡坡率为１∶１．５。该路段Ｋ５０＋０００断面的温度传感器布设见图１，地温监测曲线见图２。图１，２中的Ｔ０２８３０，Ｔ０２９０９均为地温传感器编号。图１Ｋ５０＋０００断面地温传感器埋设示意（单位：ｃｍ）Ｆｉｇ．１ＳｃｈｅｍａｔｉｃｏｆＧｅｏｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒｓＢｕｒｙｉｎｇＰｏｓｉｔｉｏｎａｔＳｅｃｔｉｏｎＫ５０＋０００（Ｕｎｉｔ：ｃｍ）图２Ｋ５０＋０００断面地温监测曲线Ｆｉｇ．２ＧｒｏｕｎｄＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｕｒｖｅｓａｔＳｅｃｔｉｏｎＫ５０＋０００３．２计算模型及边界条件根据实际工况，建立有限元计算模型见图３，，其中新填路基厚度（砂砾石）０．４ｍ，旧路路基的填土高度（低液限粉土）为１ｍ。路堤下地基计算深度（低液限粘土）２０ｍ、计算宽度８０ｍ。结合试验段现场试验数据，初始条件和边界条件分别设置如下：（１）温度边界条件将图２中的温度监测曲线进行拟合后作为有限元计算过程中的温度边界条件。中心线附近的曲线拟合方程为Ｔ＝６．１１１３＋１５．０２７８ｓｉｎπ（ｔ＋８１９９３５０）［］１１３１２５００５第２期冯瑞玲，等：硫酸盐渍土水－盐－热－力四场耦合理论模型

硫酸盐渍土,路基,计算分析,剖面

图３硫酸盐渍土路基计算分析剖面（单位：ｍ）Ｆｉｇ．３ＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎＰｒｏｆｉｌｅｆｏｒＳｕｌｆａｔｅＳａｌｔｙＳｏｉｌＳｕｂｇｒａｄｅ（Ｕｎｉｔ：ｍ）路肩附近的曲线拟合方程为Ｔ＝９．５８８１＋１８．５８６０ｓｉｎπ（ｔ＋１１５２９０００）［］１３５７５８００根据计算起始日期，选定路基中的初始温度为１１．５℃。（２）水分边界条件根据当地实际情况，设定模型的蒸发强度为６．０９ｍｍ·ｄ－１，下边界体积含水量５３％，压力值恒为０；初始水头高为－１．７５３ｍ。（３）盐分边界条件在试验段旧路基中开挖探坑取样，通过室内试验得到了试验段路基的初始含盐量：土基及原路基的初始值为７０ｍｏｌ·ｍ－３；砂砾石层为新建部位，假设含盐量为０ｍｏｌ·ｍ－３；整个断面芒硝的初始含量都为０ｍｏｌ·ｍ－３；流入浓度为７５ｍｏｌ·ｍ－３；反应速率为１．３８×１０－５ｍｏｌ·ｍ－３·ｓ－１。（４）位移边界条件左、右边界水平方向位移为０，下边界竖向、水平方向位移均为０，路堤表面、地基表面为自由边界。３．３计算参数硫酸盐渍土道路的计算参数见表１。引入二维阶跃平滑函数Ｈ（Ｔ）表征未结晶区内含水量与温度的关系以及盐胀过程中结晶水与自由水的转变［２３］，将结晶区、未结晶区的弹性模量、扩散率、渗透系数、比热容、导热系数统一起来，从而实现各参数从未结晶区至结晶区的平滑过渡。各参数通过以下经验公式计算而来。３．３．１渗透系数的确定假设饱和未结晶土的渗透系数为常数，则在整个区域内渗透系数可表示为［２４］Ｋ＝ＫｕＨ
【作者单位】：北京交通大学土木建筑工程学院;北京交通大学北京市轨道交通线路安全与防灾工程技术研究中心;交通运输部公路科学研究院;
【基金】：国家自然科学基金项目(41371081,51108024) 中国铁路总公司科技项目(2016G003-B)
【分类号】：U416.1

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