硫酸鹽漬土地區(qū)路基水、熱、鹽、力四場耦合機(jī)理及數(shù)值模擬研究.pdf

1、鹽漬土地區(qū)土木工程的實(shí)施是國家經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展對特殊地域條件下基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的具體要求。鹽漬土鹽脹對修筑在鹽漬土地區(qū)的許多建造物(如鐵路、公路、水利設(shè)施、房屋建筑等)造成了危害。 不同類型的鹽漬土，在不同的環(huán)境和條件下(溫度、水分、鹽分等)對工程建筑物都具有不同程度的破壞作用。硫酸鹽漬土是鹽漬土中對工程建筑危害最典型的鹽漬土，溫度、水分和鹽分的變化將使修筑在硫酸鹽漬土地區(qū)的路基產(chǎn)生鹽脹和凍脹，導(dǎo)致路基不均勻隆起、松脹、開裂，從而降低

2、了路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。 本文以硫酸鈉鹽漬土作為理論分析和試驗(yàn)研究的主要對象。參考以往對凍土研究取得的水、熱、力三場耦合理論成果，首先推導(dǎo)出水分遷移條件下的溫度場、變溫條件下的水分場二維控制微分方程，然后運(yùn)用土壤物理學(xué)和傳熱學(xué)的基本理論，考慮水分場和鹽分場的耦合作用，利用土壤水鹽運(yùn)移基本規(guī)律，推出水分場和鹽分場耦合問題的二維控制微分方程。再運(yùn)用溶液結(jié)晶學(xué)和凍土力學(xué)的基本理論，在已有凍脹變形研究成果的基礎(chǔ)上，考慮鹽脹變形的影響，推出

3、含水量和鹽漬土體積應(yīng)變的關(guān)系式。文章還假定鹽漬土體為各向同性的彈性體，結(jié)合變形場與應(yīng)力場的控制方程，提出了考慮鹽漬土路基鹽脹和凍脹兩種情形下的二維水、熱、鹽、力四場耦合方程。 水分運(yùn)動方程可寫為(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溫度場方程可表示為C'(a)

4、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。 鹽分方程可表示為(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)應(yīng)變與含水量的關(guān)系為εV=0.09(θu1-θu2)+(θu1-n)+0.20

5、9(r1-r2)/(78.889-r2)θu1應(yīng)力-應(yīng)變方程為{σ}=[D]({ε}-{ε0})(6) 文章還用等格距隱式有限差分格式對耦合方程進(jìn)行了離散，采用Jacobi迭代法，并借助于Matlab編程及MatlabPDE工具包對定解條件下的水分、溫度、鹽分進(jìn)行了數(shù)值求解，同時(shí)在有限差分時(shí)段內(nèi)采用有限元法對鹽漬土路基的應(yīng)力變形場進(jìn)行了求解，并與現(xiàn)場試驗(yàn)路的測試結(jié)果進(jìn)行了比較分析，驗(yàn)證了耦合方程的可行性。 文章最后就鹽漬