双锅盖效应下土体中水气运移规律分析研究
发布时间：2021-07-28 13:42
锅盖效应是指土中的水气迁移被覆盖层所阻挡,水气在冷凝或凝华作用下在覆盖层下聚集的现象。锅盖效应造成的浅层土体水分增加会引起道基、路基强度下降,进而导致道面、路面出现裂缝、变形等工程灾害,影响机场跑道适航性,危害道路行车安全,故对其开展防治研究意义重大。在土体中铺设密闭隔断层的方法可以削弱深层水分向浅层的运移作用,隔断层与覆盖层一起在土体中形成了类似双锅盖的结构,此时土体中发生的水气运移现象可归纳为双锅盖效应。本文深入研究了双锅盖效应下土体中水气运移的作用机理,并基于双锅盖效应原理提出了解决覆盖层下增水问题的防治措施。主要研究内容包括:1.通过数值分析揭示了锅盖效应下土体中水气运移的作用规律。首先,在现有非饱和土水分迁移及热量迁移数值模型的研究基础上,建立了能够描述锅盖效应水热迁移的数值模型。其次,运用数值分析的方法开展大量数值试验,分析了初始含水率与边界低温对锅盖效应水气运移的影响及作用规律,为后续开展双锅盖效应机理及防治措施的研究打下了基础。2.用数值建模的方法揭示了双锅盖效应下土体中的水气运移规律。建立了能够反映双锅盖效应水分迁移特征的数值模型,开展数值试验探究隔断层铺设位置对双锅...
【文章来源】：北京航空航天大学北京市 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：115 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
锅盖效应示意图
第一章绪论4道面鼓胀灾害多出现于2月份到4月份之间，是因为在寒冷的冬季，迁移至浅层的水分在低温作用下冻结，开春后温度回升，浅层土体中冰融化释放了水分，盐分与水分结合产生芒硝结晶体，体积增大引发了鼓胀，春季的鼓胀使得道面出现了开裂，雨季来临，雨水渗入，将会进一步促进灾害的发生和发展，图2(a)、(b)即形象的描述了锅盖效应诱使道面道基产生灾害的过程。1.2研究意义锅盖效应广泛存在于工业化高度发达的今天，建筑、公路、机场等工程中，建筑物基储公路路面和机场跑道等覆盖层形成了类似锅盖的结构，覆盖层下土体中含水量的分布会发生改变，这将影响土体的变形和承载力，也可能带来不均匀沉陷、冻胀、融缩等灾害，城市化进程造成了大规模的土地表层硬化，因此可能引起的锅盖效应会导致城市水文地质的变化[1]。同时，锅盖效应也存在于自然环境中，在干旱的西北地区，地表的旱区植被也形成了类似锅盖的结构，在地面大气温度较低时，浅地表降温明显，浅层土较低的温度与深层土较高的温度之间形成温差，驱动深层孔隙水以气态水的形式被运送到浅层发生冷凝，这些冷凝水为旱区植物，特别是一年生浅根性沙生植被提供了重要的水分保证，因此，在干旱区研究锅盖效应的凝水量具有特殊的生态意义[9]。当地表温度高于深层土体温度时，大气中的气态水也会进入土体中冷凝形成凝结水，这些凝结水可以图2锅盖效应致灾示意图(a)初期道面开裂道基土降雨入渗(b)后期降雨入渗
第一章绪论6膜。防水土工膜在一定范围的土体中形成一个密闭隔断层，改变了土体水分迁移的特性，阻断了深层土体水分向上迁移的通道，一定程度上削弱了浅层土体的增水效应。在这种情况下，隔断层与上部覆盖道面一起形成了一个类似双锅盖的结构，受此启发，将这种情况下土体中的水分迁移归纳为双锅盖效应，并研究利用双锅盖效应原理来解决浅层土体增水问题的方法，以达到防治锅盖效应引起工程灾害的目的。如图3所示，双锅盖效应是指土体中的密闭隔断层与道面路面等上覆密闭层一起形成了双层锅盖的结构，水分在两层下均可增加的现象。双锅盖效应引起的灾害与锅盖效应有所不同，由于隔断层阻止了水分的上升，使得隔断层与覆盖层之间的土体失去了水分补给，所以这部分土体水分总量保持不变，在一定程度上缓解了冬季冻胀。而此时隔断层处温度高于覆盖层，隔断层下温度梯度减小，即使隔断层下发生锅盖效应，其增水强度也将大大减弱。对双锅盖效应下土体中的水分迁移进行研究，找到隔断层合理的铺设位置，能够对浅层土体增水起到有效的抑制作用。双锅盖效应由覆盖层下的锅盖效应和隔断层下的锅盖效应组成，其构成条件较锅盖效应更为复杂，但其基本类型还是锅盖效应。双锅盖效应下土体中水气运移规律的分析研究是对锅盖效应研究的深入，其研究意义体现在：（1）目前，对于机场中出现的跑道开裂、地基不均匀沉降等灾害，多用地表水入渗以及毛细水上升等机理进行解释，然而在一些工况条件下，如兰州中川机场跑道灾图3双锅盖效应示意图
【参考文献】：
期刊论文
[1]Development of pot-cover effect apparatus with freezing-thawing cycles[J]. LUO Ting,CHEN Han,YAO YangPing,WANG NaiDong,QU Xiao. Science China（Technological Sciences）. 2019(09)
[2]影响锅盖效应因素的研究[J]. 姚仰平,王琳. 岩土工程学报. 2018(08)
[3]冻土中气态水迁移及其对土体含水率的影响分析[J]. 贺佐跃,张升,滕继东,姚仰平,盛岱超. 岩土工程学报. 2018(07)
[4]路基土体“锅盖效应”的数值模拟分析[J]. 宋二祥,罗爽,孔郁斐,李鹏. 岩土力学. 2017(06)
[5]非饱和土水汽迁移与相变:两类“锅盖效应”的试验研究[J]. 张升,贺佐跃,滕继东,刘岩,盛岱超. 岩土工程学报. 2017(05)
[6]北京大兴国际机场冬季地温变化分析研究[J]. 罗汀,曲啸,王乃东,董家广,韩剑,孔愚,姚仰平. 工业建筑. 2016(09)
[7]锅盖效应中土体温度场变化规律的试验研究[J]. 王乃东,李成志,姚仰平,马梓棋,陈含. 工业建筑. 2016(09)
[8]干寒区锅盖效应致灾特征及案例分析[J]. 姚仰平,王琳,王乃东. 工业建筑. 2016(09)
[9]试验时间和初始含水率对土体水气迁移的影响分析[J]. 王乃东,马梓棋,姚仰平,贾峻峰,陈含,李成志. 工业建筑. 2016(09)
[10]锅盖效应水分迁移规律分析[J]. 罗汀,陈含,姚仰平,王乃东,韩剑,马梓棋,李成志. 工业建筑. 2016(09)
硕士论文
[1]季节性温度变化引起机场跑道“锅盖效应”数值及试验研究[D]. 张如如.浙江大学 2016
[2]非饱和黄土气态水与液态水迁移的试验研究[D]. 鲁兴社.西安建筑科技大学 2010
[3]非饱和土气态水迁移规律及其与液态水混合迁移的耦合计算[D]. 贺再球.西安建筑科技大学 2004
本文编号：3308019
【文章来源】：北京航空航天大学北京市 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：115 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
锅盖效应示意图
第一章绪论4道面鼓胀灾害多出现于2月份到4月份之间，是因为在寒冷的冬季，迁移至浅层的水分在低温作用下冻结，开春后温度回升，浅层土体中冰融化释放了水分，盐分与水分结合产生芒硝结晶体，体积增大引发了鼓胀，春季的鼓胀使得道面出现了开裂，雨季来临，雨水渗入，将会进一步促进灾害的发生和发展，图2(a)、(b)即形象的描述了锅盖效应诱使道面道基产生灾害的过程。1.2研究意义锅盖效应广泛存在于工业化高度发达的今天，建筑、公路、机场等工程中，建筑物基储公路路面和机场跑道等覆盖层形成了类似锅盖的结构，覆盖层下土体中含水量的分布会发生改变，这将影响土体的变形和承载力，也可能带来不均匀沉陷、冻胀、融缩等灾害，城市化进程造成了大规模的土地表层硬化，因此可能引起的锅盖效应会导致城市水文地质的变化[1]。同时，锅盖效应也存在于自然环境中，在干旱的西北地区，地表的旱区植被也形成了类似锅盖的结构，在地面大气温度较低时，浅地表降温明显，浅层土较低的温度与深层土较高的温度之间形成温差，驱动深层孔隙水以气态水的形式被运送到浅层发生冷凝，这些冷凝水为旱区植物，特别是一年生浅根性沙生植被提供了重要的水分保证，因此，在干旱区研究锅盖效应的凝水量具有特殊的生态意义[9]。当地表温度高于深层土体温度时，大气中的气态水也会进入土体中冷凝形成凝结水，这些凝结水可以图2锅盖效应致灾示意图(a)初期道面开裂道基土降雨入渗(b)后期降雨入渗
第一章绪论6膜。防水土工膜在一定范围的土体中形成一个密闭隔断层，改变了土体水分迁移的特性，阻断了深层土体水分向上迁移的通道，一定程度上削弱了浅层土体的增水效应。在这种情况下，隔断层与上部覆盖道面一起形成了一个类似双锅盖的结构，受此启发，将这种情况下土体中的水分迁移归纳为双锅盖效应，并研究利用双锅盖效应原理来解决浅层土体增水问题的方法，以达到防治锅盖效应引起工程灾害的目的。如图3所示，双锅盖效应是指土体中的密闭隔断层与道面路面等上覆密闭层一起形成了双层锅盖的结构，水分在两层下均可增加的现象。双锅盖效应引起的灾害与锅盖效应有所不同，由于隔断层阻止了水分的上升，使得隔断层与覆盖层之间的土体失去了水分补给，所以这部分土体水分总量保持不变，在一定程度上缓解了冬季冻胀。而此时隔断层处温度高于覆盖层，隔断层下温度梯度减小，即使隔断层下发生锅盖效应，其增水强度也将大大减弱。对双锅盖效应下土体中的水分迁移进行研究，找到隔断层合理的铺设位置，能够对浅层土体增水起到有效的抑制作用。双锅盖效应由覆盖层下的锅盖效应和隔断层下的锅盖效应组成，其构成条件较锅盖效应更为复杂，但其基本类型还是锅盖效应。双锅盖效应下土体中水气运移规律的分析研究是对锅盖效应研究的深入，其研究意义体现在：（1）目前，对于机场中出现的跑道开裂、地基不均匀沉降等灾害，多用地表水入渗以及毛细水上升等机理进行解释，然而在一些工况条件下，如兰州中川机场跑道灾图3双锅盖效应示意图
【参考文献】：
期刊论文
[1]Development of pot-cover effect apparatus with freezing-thawing cycles[J]. LUO Ting,CHEN Han,YAO YangPing,WANG NaiDong,QU Xiao. Science China（Technological Sciences）. 2019(09)
[2]影响锅盖效应因素的研究[J]. 姚仰平,王琳. 岩土工程学报. 2018(08)
[3]冻土中气态水迁移及其对土体含水率的影响分析[J]. 贺佐跃,张升,滕继东,姚仰平,盛岱超. 岩土工程学报. 2018(07)
[4]路基土体“锅盖效应”的数值模拟分析[J]. 宋二祥,罗爽,孔郁斐,李鹏. 岩土力学. 2017(06)
[5]非饱和土水汽迁移与相变:两类“锅盖效应”的试验研究[J]. 张升,贺佐跃,滕继东,刘岩,盛岱超. 岩土工程学报. 2017(05)
[6]北京大兴国际机场冬季地温变化分析研究[J]. 罗汀,曲啸,王乃东,董家广,韩剑,孔愚,姚仰平. 工业建筑. 2016(09)
[7]锅盖效应中土体温度场变化规律的试验研究[J]. 王乃东,李成志,姚仰平,马梓棋,陈含. 工业建筑. 2016(09)
[8]干寒区锅盖效应致灾特征及案例分析[J]. 姚仰平,王琳,王乃东. 工业建筑. 2016(09)
[9]试验时间和初始含水率对土体水气迁移的影响分析[J]. 王乃东,马梓棋,姚仰平,贾峻峰,陈含,李成志. 工业建筑. 2016(09)
[10]锅盖效应水分迁移规律分析[J]. 罗汀,陈含,姚仰平,王乃东,韩剑,马梓棋,李成志. 工业建筑. 2016(09)
硕士论文
[1]季节性温度变化引起机场跑道“锅盖效应”数值及试验研究[D]. 张如如.浙江大学 2016
[2]非饱和黄土气态水与液态水迁移的试验研究[D]. 鲁兴社.西安建筑科技大学 2010
[3]非饱和土气态水迁移规律及其与液态水混合迁移的耦合计算[D]. 贺再球.西安建筑科技大学 2004
本文编号：3308019
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