季节性温度变化引起机场跑道“锅盖效应”数值及试验研究

发布时间：2017-10-10 13:34

  本文关键词：季节性温度变化引起机场跑道“锅盖效应”数值及试验研究

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【摘要】：机场跑道等地面结构的建设,改变了原地表与大气之间水分运移平衡,导致地面结构下表层土体中水分富集,形成“锅盖效应”,加剧了交通荷载作用下道基的不均匀沉降,导致结构破坏,严重影响跑道的适航性。为了揭示“锅盖效应”的形成机理,本文基于热传导和非饱和多孔介质水气运移耦合作用理论,利用多场耦合有限元分析软件OpenGeoSys分析了道面结构阻滞和环境温度影响下不同土类土基中水分运移规律,分析了季节性温差、初始温度和初始含水率等因素对土基水气运移的影响。此外,对山西长治机场跑道土基含水率进行了现场检测,并与数值计算结果进行对比。在上述工作基础上,研制了可控温度梯度的环向控温土柱试验装置,开展温度梯度作用下压实黄土水分运移试验,重点研究了温度梯度和覆盖层结构在“锅盖效应”形成过程中的作用,并应用非等温多相流方法对模型试验过程进行模拟。数值分析、现场检测及试验结果表明：(1)季节性气温变化对土基中水分运移有明显的影响。表面温度降低引起水分向上运移,导致土基表层含水量增加,出现水分“富集”现象,主要影响深度约为lm。相对而言,季节性温度变化对砂土含水量影响很小,黏土次之,粉质黏土影响最大,饱和度改变量可达6%左右。(2)土基表层水分富集程度与填土初始条件有关,土体初始含水量、填筑时温度越高,土基表层水分“富集”现象越明显。分析表明,随着土层含水率下降,季节性温度变化影响表层含水率的程度不断减弱。(3)道面结构阻滞作用对土基表层含水量影响十分显著,与无道面结构的土面区相比,道面区道面结构以下土基表层lm范围内土体含水量明显高于土面区,甚至出现道面板以下近表层50cm内含水量高于其下部土体的现象,具有“锅盖效应”特征,这与现场检测结果规律较一致。(4)在长达11周的试验周期内,温度控制和顶面边界条件不同的3个模型土柱中含水率分布规律差异较明显。压实黄土渗透系数较低,重力势所引起的水分改变量不足2%；上表面低温引起的温度梯度和覆盖层的存在,使土柱表层出现明显的水分“富集”现象,5cm深度处含水率升高了7.4%。(5)模型表面覆盖层的存在与否对土柱中水分运移规律影响较大,相同温度控制条件下,无覆盖层作用的土柱表层在蒸发作用下含水率明显降低,降低幅度为8.6%。(6)对试验过程的模拟能够较好的反映不同深度处水分变化规律,进一步分析模型和分析方法的合理性。
【关键词】：锅盖效应 道面阻滞 非等温多相流 温度循环 粉质黏土 现场检测 模型试验
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V351.11
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 绪论11-26
• 1.1 研究背景11-16
• 1.1.1 机场跑道道面结构11-14
• 1.1.2 季节性气温变化对“锅盖效应”的影响14-16
• 1.2 研究现状16-24
• 1.2.1 道面结构及路基土体中的温度分布17-19
• 1.2.2 温度作用下土体中的水分运移19-24
• 1.3 本文的主要研究内容24-26
• 第2章 温度作用下机场跑道土基中水分运移有限元分析26-43
• 2.1 温度场-渗流场耦合分析模型26-34
• 2.1.1 非饱和土温度场-渗流场耦合分析理论26-29
• 2.1.2 分析模型29-31
• 2.1.3 模型参数31-32
• 2.1.4 边界条件32-34
• 2.1.5 初始条件34
• 2.2 季节性温度变化影响分析34-39
• 2.2.1 土体类型对含水率分布的影响34-38
• 2.2.2 初始含水率、初始温度的影响38-39
• 2.3 道面结构阻滞作用影响分析39-40
• 2.4 山西长治机场现场检测40-41
• 2.5 本章小结41-43
• 第3章 环向控温土柱水气运移模型试验装置43-62
• 3.1 环向控温土柱试验装置43-55
• 3.1.1 设计思路43-46
• 3.1.2 环向控温模型筒46-49
• 3.1.3 温度控制系统49-52
• 3.1.4 数据采集系统52-55
• 3.2 土样制备55-60
• 3.2.1 土料参数56-58
• 3.2.2 土样制备与传感器埋设58-60
• 3.3 试验过程60-61
• 3.4 本章小结61-62
• 第4章 压实黄土水分运移试验及结果分析62-81
• 4.1 模型试验方案62-63
• 4.2 试验结果及分析63-76
• 4.2.1 模型A试验结果及分析63-64
• 4.2.2 模型B试验结果及分析64-69
• 4.2.3 模型C试验结果及分析69-74
• 4.2.4 试验结果对比分析74-76
• 4.3 试验过程模拟结果及分析76-79
• 4.4 本章小结79-81
• 第5章 结论与展望81-83
• 5.1 本文主要结论81-82
• 5.2 进一步研究的建议及展望82-83
• 参考文献83-91
• 作者简历及科研情况91

【参考文献】

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本文编号：1006690