【摘要】：針對(duì)硫酸鹽漬土鹽脹過(guò)程中較為欠缺的四場(chǎng)耦合理論,在已有的凍土三場(chǎng)耦合模型的基礎(chǔ)上,建立了鹽漬土水-鹽-熱-力四場(chǎng)耦合動(dòng)力學(xué)模型。首先,基于水動(dòng)力學(xué)模型和質(zhì)量守恒定律,在水分場(chǎng)方程和鹽分場(chǎng)方程中分別引入等效含水量和等效含鹽量的概念,以此為耦合因子簡(jiǎn)化了水-鹽-熱耦合模型,不僅考慮了溶質(zhì)擴(kuò)散及水動(dòng)力彌散的作用,還考慮了結(jié)晶鹽-鹽溶液相變(化學(xué)反應(yīng))對(duì)鹽分遷移,以及結(jié)晶鹽相變潛熱對(duì)溫度場(chǎng)的影響。其次,根據(jù)能量守恒定律,增加結(jié)晶鹽的相變潛熱,使溫度場(chǎng)方程更符合工程實(shí)際情況。同時(shí),在建立應(yīng)力場(chǎng)方程時(shí),鹽脹部分由溶質(zhì)的摩爾質(zhì)量差進(jìn)行計(jì)算,凍脹部分由原土中的部分水加上遷移來(lái)的水減去硫酸鈉結(jié)晶所需要的水進(jìn)行計(jì)算,從而推導(dǎo)出了應(yīng)力與水分遷移、鹽分遷移以及溫度的關(guān)系,完善了鹽漬土四場(chǎng)耦合理論。最后運(yùn)用該理論模型,計(jì)算分析了新疆某公路鹽漬土路基的鹽凍脹變形過(guò)程。結(jié)果表明:計(jì)算所得地溫規(guī)律、鹽分遷移規(guī)律和鹽凍脹規(guī)律與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致,計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果均表明,從秋末至來(lái)年春季,硫酸鹽漬土路基經(jīng)歷了降溫到升溫的溫度劇烈變化階段,此階段路基的變形過(guò)程可分為平穩(wěn)區(qū)、緩慢鹽凍脹區(qū)、劇烈鹽凍脹區(qū)、鹽凍脹變形滯后區(qū)、緩慢沉降區(qū)、劇烈沉降區(qū)6個(gè)部分。
【圖文】：

分為改建公路，沿原來(lái)老路布設(shè)，沿線存在大量的鹽漬土路段，且鹽漬土的類型基本相同，均為亞硫酸鹽中強(qiáng)鹽漬土、硫酸鹽中鹽漬土。路基土（舊路）含鹽量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為０．１５７％～９．３２２％。路基寬度為１２．０ｍ，新填路基的厚度（砂礫石）為０．４ｍ，舊路路基的平均填土高度（低液限粉土）為１ｍ，路基邊坡坡率為１∶１．５。該路段Ｋ５０＋０００斷面的溫度傳感器布設(shè)見圖１，地溫監(jiān)測(cè)曲線見圖２。圖１，２中的Ｔ０２８３０，Ｔ０２９０９均為地溫傳感器編號(hào)。圖１Ｋ５０＋０００斷面地溫傳感器埋設(shè)示意（單位：ｃｍ）Ｆｉｇ．１ＳｃｈｅｍａｔｉｃｏｆＧｅｏｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒｓＢｕｒｙｉｎｇＰｏｓｉｔｉｏｎａｔＳｅｃｔｉｏｎＫ５０＋０００（Ｕｎｉｔ：ｃｍ）圖２Ｋ５０＋０００斷面地溫監(jiān)測(cè)曲線Ｆｉｇ．２ＧｒｏｕｎｄＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｕｒｖｅｓａｔＳｅｃｔｉｏｎＫ５０＋０００３．２計(jì)算模型及邊界條件根據(jù)實(shí)際工況，建立有限元計(jì)算模型見圖３，，其中新填路基厚度（砂礫石）０．４ｍ，舊路路基的填土高度（低液限粉土）為１ｍ。路堤下地基計(jì)算深度（低液限粘土）２０ｍ、計(jì)算寬度８０ｍ。結(jié)合試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，初始條件和邊界條件分別設(shè)置如下：（１）溫度邊界條件將圖２中的溫度監(jiān)測(cè)曲線進(jìn)行擬合后作為有限元計(jì)算過(guò)程中的溫度邊界條件。中心線附近的曲線擬合方程為Ｔ＝６．１１１３＋１５．０２７８ｓｉｎπ（ｔ＋８１９９３５０）［］１１３１２５００５第２期馮瑞玲，等：硫酸鹽漬土水－鹽－熱－力四場(chǎng)耦合理論模型

圖３硫酸鹽漬土路基計(jì)算分析剖面（單位：ｍ）Ｆｉｇ．３ＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎＰｒｏｆｉｌｅｆｏｒＳｕｌｆａｔｅＳａｌｔｙＳｏｉｌＳｕｂｇｒａｄｅ（Ｕｎｉｔ：ｍ）路肩附近的曲線擬合方程為Ｔ＝９．５８８１＋１８．５８６０ｓｉｎπ（ｔ＋１１５２９０００）［］１３５７５８００根據(jù)計(jì)算起始日期，選定路基中的初始溫度為１１．５℃。（２）水分邊界條件根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，設(shè)定模型的蒸發(fā)強(qiáng)度為６．０９ｍｍ·ｄ－１，下邊界體積含水量５３％，壓力值恒為０；初始水頭高為－１．７５３ｍ。（３）鹽分邊界條件在試驗(yàn)段舊路基中開挖探坑取樣，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)得到了試驗(yàn)段路基的初始含鹽量：土基及原路基的初始值為７０ｍｏｌ·ｍ－３；砂礫石層為新建部位，假設(shè)含鹽量為０ｍｏｌ·ｍ－３；整個(gè)斷面芒硝的初始含量都為０ｍｏｌ·ｍ－３；流入濃度為７５ｍｏｌ·ｍ－３；反應(yīng)速率為１．３８×１０－５ｍｏｌ·ｍ－３·ｓ－１。（４）位移邊界條件左、右邊界水平方向位移為０，下邊界豎向、水平方向位移均為０，路堤表面、地基表面為自由邊界。３．３計(jì)算參數(shù)硫酸鹽漬土道路的計(jì)算參數(shù)見表１。引入二維階躍平滑函數(shù)Ｈ（Ｔ）表征未結(jié)晶區(qū)內(nèi)含水量與溫度的關(guān)系以及鹽脹過(guò)程中結(jié)晶水與自由水的轉(zhuǎn)變［２３］，將結(jié)晶區(qū)、未結(jié)晶區(qū)的彈性模量、擴(kuò)散率、滲透系數(shù)、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)統(tǒng)一起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)各參數(shù)從未結(jié)晶區(qū)至結(jié)晶區(qū)的平滑過(guò)渡。各參數(shù)通過(guò)以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算而來(lái)。３．３．１滲透系數(shù)的確定假設(shè)飽和未結(jié)晶土的滲透系數(shù)為常數(shù)，則在整個(gè)區(qū)域內(nèi)滲透系數(shù)可表示為［２４］Ｋ＝ＫｕＨ
【作者單位】： 北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院;北京交通大學(xué)北京市軌道交通線路安全與防災(zāi)工程技術(shù)研究中心;交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院;
【基金】：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41371081,51108024) 中國(guó)鐵路總公司科技項(xiàng)目(2016G003-B)
【分類號(hào)】：U416.1

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本文編號(hào)：2540825