（岩土工程专业论文）旧路拓宽粉土路基的水分运移及差异沉降形成机理研究.pdf

摘要 老路拓宽工程是近十几年来工程界的新课题，由于我国的经济以前所未有的 速度发展，区域间的经济合作往来日益密切，道路交通流量也急剧增长，因此， 对现有公路的拓宽势在必行，但在拓宽工程中涉及到的差异沉降变形控制及预测 研究尚未完善；而水汽运移理论是当今岩土工程界研究的热点课题，将非饱和土 的水汽运移理论引入到工程实际当中是非常有意义的，由水汽运移引发的工程问 题如滑坡，基础坍塌，地基变形等时有发生，然而由于实验条件等因素的限制， 该研究有待进一步深入开展。 本文结合河南省郑州市西绕城高速公路拓宽工程，对路基粉土填料的非饱和 水分运移规律进行了系统的研究。首先，通过相关实验设备获取郑州粉土的主要 实验参数，然后使用室内基质吸力测量装置测得非饱和粉土的土水特征曲线，并 通过与o r i n g i n 软件中的b o l t z m a n n 模型进行拟合对比分析，得到了粉土与干密度 相关的土水特征曲线表达式；其次，设计了一维压实土柱水分蒸发试验，对其水 分运移变化规律与其压实度、初始含水率及蒸发边界条件之间的关系进行了研究； 同时，还设计了简易实验装置，对不同压实度的土柱的入渗速率和毛细水上升高 度做了相关的探讨。再次，以干湿循环为实验基础，重点研究了干湿循环对粉土 变形，土体水分重分布，抗剪强度和极限承载力等工程特性的影响，最后，分析 了老路拓宽路基差异沉降形成机理，并结合g e 0 一s t u d l 0 软件，建立拓宽路基的二 维实体模型，通过数值模拟的方法探讨了拓宽路基的在自然环境下的水分运移规 律，以及水分运移变化引起的差异沉降形成和发展规律。 关键词：老路拓宽；非饱和土；粉土；水分运移；差异沉降；干湿循环；压实度： g e o s t u d l 0 软件； a b s t r a c t n ep r o j e c to f 晰d e n e dr o a dh a v eb e e nb e c o m en e wt o p i ci 1 1e n g i n e e r i n gf i l e di i l l el a s t f e wy e a r s ，f o rm eu l l p r e c e d e n ts p e e dd e v e l o p e di i le c o n 0 而co fo u rc o u i l n y ，硫e r a r e a s e c o n o m i cc o 唧r a t i o nb e c o i n ei i l c r e a c i l l g l yc l o s e ，t h e 锄cf l o w s 证t l l em 曲w a ya l s o i n c r e a s e 豫p i d l y s o ，i t si m p e r a 【t i v et 0 晰d e l lm ee 】【i 血gl l i 曲w a y s b u tt l l er e s e a r c hm v o l v i n g o fc o n 旬的l l i n ga i l dp d i c t i n g 伦d i 日e r e n t i a ls e m e m e n ti nt l l ep r o j e c to fw i d e n e dr o a di si l o t p e 彘c te n o u 出m o r e o v e r ，n l et 1 1 e o r yo fm o i s t i 聪m i g 呲i o n h a sb e e nah o ts 1 1 b j e c ti i lr o c k e n g i n e e r i n gf i e l d n sv e r ym e a i l i n g m lt 0u s e t h em o i s n 鹏m i 伊a t i o nm e o r yo ft h eu 1 1 s a ：t l l r a t e d s o i l st 0s o l v e 吐l ee n 西n e e r i n gr e a l i | 哆b e c a i l s es o m ee n 西n e e r i n gp r o b l e m ss u c ha sl a i l d s l i d e ， f o u n ( k i o nc 0 1 1 a p s i n g ，r o a d b e dd e f o m a t i o n ，砌c hi si n i t i a t e db ym o i s 眦m i g r a t i o n h a p p e n e ds o m et i r l l e s h o w e v e r ，f o rt h el i m 乱e df 如t o ro fe x p e r i m e n t a lc o n d i t i o i l sa n ds 0o l l ， n l er e s e a r c hs h o u l db ef h n l l e rs t l l d i e d n l i sp a p e rc o m b i m t 、i mr o u n d - m ec 讧yt l i 曲w a yp r o j e c to f 诚d e n e dr o a di nm e 、e s t e m z h e n g z h o uc i t ) ，o fh e n a i lp r o v i n c ea l l ds y s t e m a t i c a l l yr e s e a r c ho nm em o i s t u r em i g r a t i o n r e g u l a r i 够o ft 1 1 e s i l t s 0 i lp a c h n gi i le m b 幽e n t f i r s t l y ，0 b t a i n 也em a i ne x p e r i m e n t p a r a m e t e r sb yr e l a t i e de x p e 面e m t h e nl l s e t l l ee q u i p m e n tm e a s u r e ds u c t i o ni 1 1 d o o r st 0g e t u n s 孤h a t i 融s i l ts o i l ss w c ca n df i tt l l ec u r v ew i 也b o u z ma n nm o d e li no g 烈 s o f e 眦t 0c o m p a r a t i v ea i l a l y s i sa n da c q u l ef o m a t i o no fs i l ts o i l ss w c ci i l v o l v i n gd 巧 d e n s 姆：s e c o n d l y ，d e s i 鄹【e d 也ee x p e 血n e n t f 0 r g 吣d y i i l g m e r e l a t i o i l s l l i p b e 帆e e n o n e ( 1 i i l l e i l s i o i 瑚 c o m p a c t e d s o i lc o l 瑚 1 i lm o i m 鹏n l i g r a t i o nr e g u l 撕够锄dd e 伊e eo f c o m p a c t i o n ，i i l i t i a lw a t e rc o n t e ma n dd i 恼r e n tb o u n d a r yc o n d i t i o i l s m e 酬l e s ，d e s i 髓t h e e a s ye x p e r i m e n t a le q u i p m e n tt 0d i s c u s st h es e e p a g ev e l o c i t y 锄dc 印i l l a r yw a t e rr i s i n gr a t eo f 也ec o l l l i 姐i l ld i f f i e r e n td e 笋e ec o m p a c t i n g f l l r 也e rm o r e ，i i ll h eb a s i c0 fd r y w e tc y c l e e x p e r i m e m ，f o c u s e so nt 1 1 ee 仃e c to f t h ed e f o 咖a t i o 玛m o i s t u r er e d i g t r i b u t i o n ，s h e a rs n e n g t l l a i l du l t i m a t eb e 赫n gc 印a c 竹c a u s e db yd 巧- w e tc y c l ep r o c e s s f i n a l l y a 砌y s i sd i 仃e r 哪i a l s e t t l e m e n tf o 珊a t i o nm e c t 擒1 1 i s mo fm ee m b a l l l ( 1 1 1 e n ti nn l e 州d e n e dr o a dp r o j e c t ，锄d c o m b i n a t ( 遢o s t u d i os 0 f e w a r et 0c 0 枷c t2 df e m m o d e lo ft h ew i d e n e de i i 】【b a m 【i r l e n t ， 趾dd i s c l l s sm o i s t i 胎m i 黟a t i o nr e g u l a r i t ) ro ft l l e 衍d e n e de m b a i l k m e n ti 1 1m e 啪t co f 咖 b vn l em 甜l o do fn 啪e r i c a ls i n l u l a t i o n 觚d 恤r e g l l l 撕t ) ro ff o m a t i o na n dd e v e l o p m e n to fm e d i f f - e r e n t i 甜s e t t l e m e n tf o m a t i o nc a u s e db ym o i s t u r ei i l i g r a t i o n k e yw o r d s ：w i d e n e dr o a d ；u n s a t u r a t e ds o i l ；s i l ts o n ；m o i s t u r em i g r a t i o n ；d i f f e r e n t i a l s e t t l e m e n t ；d r y w e tc y c l e ；d e g r e eo fc o m p a c t i o n ；g e o s t u d l 0 ； 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 劈军 日期：加7 年j 月肜日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：罗军 新签名：擀 日期：砷年月，6 日 日期：叼年j 月f 6 日 第一章绪论弟一早三百了匕 1 1 问题的提出 粉土在建筑地基基础设计规范中被定义为砂性土和粘性土之间的过渡类 型，塑性指数小于等于1 0 ，且粒径大于o 0 7 5 咖的颗粒含量不超过总重的5 0 。按 成因的不同可分为风成粉土、水成粉土和残积粉土，其所变现的工程性质也各不 相同，由于我国由于黄河流域降雨较集中，洪涝灾害较为严重，又以易积於、易 迁徙而文明，也成为了我国粉土分布最广的地区。粉土是工程建设当中经常遇到 的土类之一，其性质既不同于砂性土又区别于粘性土，该类土塑性指数低、粘性 小，具有松散、透水、粘聚力低的特点，工程性质较差，承载力普遍不高。并且， 粉土受到地下水或降雨的影响较大，在遇到水的情况下，容易发生湿化变形；此 外，由于粉土主要是由颗粒粒径均匀的细粒土组成，粒径单一，故其在成型时很 难达到理想的压实态，从而使粉土路堤存在较大的压缩沉降可能。故粉土是高速 公路建设工程当中不理想的路基填料，然而，目前我们对粉土的研究较少，尚未 形成统一的理论，而在粉土路基施工、病害防治及沉降规律预测理论方面也正处 于发展阶段。这对今后的工程建设无疑增大了很大的难度。 路基拓宽工程是近十几年来工程界的新课题，由于我国的经济以前所未有的 速度发展，区域问的经济合作往来日益密切，一般的低等级公路的运输己不能满 足要求，作为快捷、便利的快速通道的高速公路的建设也逐步展开，现在我国高 速公路的建设己进入高潮期。现已建成使用的高速公路中，绝大多数是双向四车 道。但伴随着社会经济的飞跃，道路交通流量也急剧增长，局部高峰时段通行能 力已达到上限。而且不少高速公路由于重载、超载日益严重，造成路面病害，严 重影响了公路通行能力的正常发挥。因此，对原有高速公路的拓宽改造十分迫切。 近十几年来，我国为了满足日益增长的交通量需求，先后完成了多条高速公路的 改扩建，如广佛( 广州一佛山) 、沈大( 沈阳一大连) 、杭甬( 杭州一宁波) 、海 南环岛( 海口一三亚) 等多条高速公路，为指导粉土路基的拓宽工程实践提供了 宝贵的借鉴经验。但涉及到新老粉土路基间差异沉降和协调变形问题，有待于进 一步探讨。 在非饱和土体中通常会存在水汽的运移问题，而水汽的运移必然会引起非饱 和土体含水量的变化，从而引起非饱和土体工程性质及其他指标的变化。故了解 和掌握非饱和土体的水汽运移规律对把握非饱和土体的强度、变形的变化及工程 应用有十分重要的意义。其实，在我们实际的土工问题当中遇到的大多都是非饱 和土。对于粉土路基，在位于水位线以下和强降雨条件下的粉土路基是处于饱和 状态的，而在大多时候路基都是处于自然蒸发工况下，再加上粉土颗粒的单一性， 压实性能较低，使土内孔隙中的水和空气无法排出，而呈现出非饱和土的性状。 水汽运移后的最终表现为土体含水量发生变化，以致使非饱和土体发生变形，最 终引起路基沉降和承载力的变化。故研究粉土路基由于水汽运移导致含水量变化 而引起的路基沉降规律及承载性能的变化对新老粉土路基的拓宽是非常有意义 的。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 对粉土基本工程特性的研究 粉土由于其自身的工程特性的缺陷，无法成为良好的路基填料，故一般在工 程当中都成为了“弃土”，然而，随着近几十年来，对粉土研究的不断深入以及 工程施工工艺的不断创新，我们对粉土的路用性能有了更多更新的认识。 粉土的组成成分及结构特征：粉土的固体部分是由矿物构成的，土的粒度与 矿物成分有着内在的联系，较粗大的土粒一般由原生矿物构成，而细小粘粒绝大 多数为次生矿物。对于砂土与粘性土的过渡带，既有原生矿物，又有次生矿物， 但以原生矿物( 极细砂粒、粉粒) 为主，粘粒含量次之，因此粉土表现为砂土、粘 性土的双重性。粉土中粉粒与极细砂粒含量较多其结构既有蜂窝结构又有单粒结 构。当粘粒含量很少( 近于粉砂) ，其砂粒接触处为粘粒，起一定连接作用，当粘 粒含量较多时，对砂粒起着被覆作用，使粉粒具有粘性土的特征，这就是粉土的 结构特征。 粉土的力学性能：粘性土颗粒之问的连结，主要是由于颗粒之间胶结作用和 静电引力引起的。粉土中颗粒之间的连结除了静电引力外，更主要的是毛细水连 结。当粘性土由于蒸发使结合水逐渐减少时，扩散层的弱结合水将变薄，溶液中 电解质浓度增强，产生干燥凝结现象。但粉土中粘粒含量少，这种固化的内聚力 很弱，干的粉土也很疏松，极易破碎；若粉土含水量过大，毛细水连结力减弱， 另外粉土颗粒之间的摩阻力也不像砂土那样具有镶嵌作用。所以粉土的力学强度 较低。当然粉质土的力学性能除取决于粒度成分、颗粒级配、含水量大小外， 也与其成因类型、矿物成分组成、沉积年代、所处地理历史环境和空间分布等密 切相关。粉粒的含量对粉质土的强度和弹性模量也有很大影响心1 。 粉土的承载性能：按照现行的港口工程地质勘察规范( j t j 2 4 0 9 7 ) ，粉上 地基的容许承载力可分别用标贯击数与天然含水率和孔隙比两种方法查表确定。 因为孔隙比是通过测定天然含水率计算所得，所以天然含水率和孔隙比的承载力 表实质上仍为单指标表。不同密实度或者标贯试验击数不同的粉土层，其承载力 2 差异还是比较大的，但不同粉上的抗剪强度试验的结果却十分相近，一般大约在 2 7 。左右。如果采用抗剪强度指标按照公式法进行承载力计算，对不同粉上层进 行承载力估算的结果可能会十分接近口1 ；另外，岩土工程勘察规范 ( g b 5 0 0 2 1 2 0 0 1 ) 给出了按孔隙比评价粉土密实度的方法，然而实际上要采取到质 量很好的土样，测定出其真正的天然孔隙比，却是很困难的事情h 1 ；袁灿勤等根 据静力载荷、标准贯入、静力触探、剪切波速及室内土工试验等测试成果，分析 统计了南京城区河漫滩相浅层粉土的有关试验指标和承载力之间的相关关系哺1 ； 杨鸿钧则用孔隙比修正的方法查取粉土的容许承载力，将查承载力表法和公式计 算法这两种计算结果进行对比修正粉质土的孔隙比，然后将修正后的孔隙比按 岩土工程勘察规范( g b 5 0 0 2 1 2 0 0 1 ) 对粉土的密实度讲行了评价1 。 粉土的压实性能：由于粉土的粘粒含量少，塑性指数小，作为路基填土，施 工时成型比较困难，路基压实度很难满足要求。申爱琴等对邯郸一临清公路工程 中含砂低液限粉土的物理、力学性能及振动压实规律进行了较为全面的试验研究 和理论分析，探索了粉性土填筑路基的压实机理及影响因素，提出了一套行之有 效的粉性土路基压实施工工艺h 1 。谌跃飞等结合商丘至开封高速公路对冲击试验 结果及后期的施工、检测结果进行分析认为通过采用冲击压实机，对已成型的路 基进行补压，可进一步提高路基的平均压实度、整体强度和承载力，减少不均匀 沉降哺1 。王维桥等通过可塑性试验、级配试验、击实试验和压缩试验，指出液、 塑限和塑性指数不宜作为评价黄泛区粉砂土工程性质的标准，以空气体积率作为 该类土的压实控制标准比压实度更为合理，建议取消9 0 区压实度标准，把下路 堤压实度提高到9 3 ，上路堤压实度提高到9 8 旧1 。 粉土的水稳性能：研究表明，在粉土的颗粒组成中，绝大部分颗粒集中于 0 0 7 4 m m o 0 0 2 m m 的范围内，在最佳含水量时，土中的孔隙率仍高达9 ( 一般 土为3 6 ) ，即使在9 8 以上的压实度下，仍不能有效阻止毛细水作用的进 行，路基土极易吸水结冰冻胀翻浆，从而导致路面因强度损失而开裂或坍塌；许 多工程实践也表明：在以粉质土作为基础持力层时，由于施工方法不当，结构受 扰动，常使建筑物失稳；在水下深基础开挖中，易产生侧向滑动或流砂失稳现象： 由于粉土渗透系数较高，粘聚力低，抗冲刷性差，故在强降雨、暴雨作用下，产 生水位差，在水力渗透作用下极易产生流砂，导致路基边坡失稳n 0 1 。 1 2 2 对高速公路拓宽工程的差异沉降研究 1 对拓宽工程中的差异沉降机理的研究 当新建公路路基宽于旧路基时，由于新旧路基再加载时间、永久变形累积、 稳定性和路基承载力等方面的差异，必然再新旧路基路面衔接处产生不均匀沉 降、变形及结构强度差异等1 。应荣华n 2 1 从差异沉降的成因方面来分析，新老路 基的差异变形主要由3 个部分组成：第一部分是由于地基在新路堤荷载作用下发 生的固结变形；第二部分是新路堤在自身荷载作用下发生的压缩变形；第三部分 是新路堤在行车荷载作用下发生的累计塑性变形。傅波n 3 1 等认为而路基差异沉降 不仅发生在半填半挖或新老路基结合处，在软土地基的固结沉降与高路堤临近边 坡路肩部位压实度差异、强降雨作用导致的高路堤边坡稳定性的降低及雨水入渗 导致路基软化后行车荷载的反复循环作用均会导致差异沉降的形成与进一步发 展。张涛n 引从施工角度出发认为造成差异沉降的原因有以下三点：第一是土质路 基压实度不同引起差异沉降；第二是地基顶面强度不均引起差异沉降；第三是在 软弱土基上填路堤与桥涵结构物衔接引起差异沉降。梁晨n 5 3 认为差异沉降的产生 是由于计算参数产生的误差，地质勘察不当，前期路基观测缺失，加载方式和速 率不同，排水力度不足等方面引起的。王璃n 6 1 ，黎霞n 利，唐朝生n 印等通过数值分 析研究发现新老路基存在有明显的不协调变形，新路基对老路基作用，形成上覆 压力和负摩阻力，会影响老路基，导致老路基也随着新路基的变形而发生沉降； 拓宽路基的沉降在旧路基中心最小，在新路基路肩附近最大，变形曲线呈“” 形；差异沉降受拓宽方式，路基高度，土基压缩模量等多种因素共同影响。国外 在数值模拟方面研究更为活跃。如e v o s ，a n g v a nm e u r s 等人对加宽路基的间 隙法( t h eg a pm e t h o d ) 填筑进行有限元数值计算后认为，拼宽路基的间隙法填筑 较普通的水平填筑可以有效减小老路的水平变形( 减小约3 0 ) ，但竖向沉降没有 明显影响n 引；l u d l o w 提出了采用剑桥模型分析软土地基上的路堤变形的步骤，认 为不排水剪切强度和超固结比是影响差异沉降计算结果的主要因素心驯；a g i h j o r t n a e s p e d e r s e n 和h b r o e r s ( 1 9 9 4 ) 利用大型离心机模型试验和p l a x i s 有限元程 序分析了加宽路基施工过程中软土地基的力学特性和变形特性，研究表明，离心 模型试验和有限元分析具有较好的一致性，但也有一定的差异，需做一定的修正 2 1 o 2 对差异沉降控制标准的研究 1 9 6 7 年日本道路协会道路土工指针曾规定：当土方工程结束后立即铺筑 高等级路面时，路堤中心处剩余沉降量的极值一般不超过1 0 c m 3 0 c m 比别。 1 9 7 1 年美国的研究报告中指出：路面的容许沉降量或差异沉降不做规定。对 于在公路经济寿命期内，3 0 m m 6 0 m m 的工后沉降是允许的，此沉降量标准适于 柔性路面。但对于刚性路面，某些管理部门还容许1 7 的差异沉降晗2 1 。 联邦德国对工后沉降的限制比较严格，控制路堤工后沉降大体有两个指标： 一是相对沉降量( 工后沉降量与总沉降量之比) 为5 1 5 ；二是绝对沉降量为 3 c m 5 c m ，特殊路段可以是1 0 c m 。且要求两个指标同时满足心3 l 。 我国交通部重庆公路科研所等单位在天津地区软土路基上修筑公路路堤的实 4 验研究报告中指出，对于高等级公路路堤铺筑路面2 0 年内，容许工后沉降值为 3 0 c m 5 0 c m ，邻接桥梁等人工构筑物的路堤，容许工后沉降值定为1 0 c m 2 0 c m 较为适当，这一段长度，根据桥头路堤纵坡情况，可设为5 0 1 0 0 m ，与长路堤相 接桥台可增设打板，以减少残留沉降值不作规定，留待在使用过程中进一步观测 并通过养护以纠正其有害的影响乜们。 储诚富等人总结了广佛高速的施工沉降控制标准如下：路面中心按二等水 准观测标准，路基拼接施工期沉降速率应小于2 m m 月，路面拼接施工期沉降速率 应小于1 m m 月；复合地基路段或非软土地基路段，新、老路肩沉降速率应小于 2m m 月；路基填筑速率应小于1 0 m 月；要求处理后的加宽路基工后沉降量 小于5c m ，且路拱横坡不得出现反坡弛引。 桂炎德等人结合浙江沪杭甬、杭金街高速拼宽建设经验，得出软土地基填土 高度3 0 m 以内，按0 2 m 4 d a y 的填筑速率，填筑高度大于3 m 时，按0 2 m 7 d a y 的填 筑速率，同时结合沉降速率控制路堤填高心引。 章定文从路面结构功能性要求和结构性要求二方面着手，分析得到软基高速 公路扩建工程的容许差异沉降为0 4 乜钔。 ：，二 沪嘉高速公路试验研究指出：沪嘉高速公路在桥头处设置搭板，邻近桥梁结 构物的路堤容许工后沉降值为10 c m ，并在5 0 m 范围内逐渐过渡到容许工后沉降 3 0 c m ，其沉降差为4 。正常路段取容许工后沉降3 0 c m ，其横向沉降差4 8 尚属 恰当27 l 。 在萃松高速公路的试验研究中也指出：路堤的容许工后沉降应根据路堤的高 度来确定，当路堤高度大于2 3 5 m 时，则容许沉降值为10 c m l5 c m ；当路堤高度 小于2 3 5 m 时，则容许沉降值为1 0 c m 心7 1 。 沈大高速公路拼宽工程路基加宽技术研究课题组提出了新加宽路基工后沉 降量不大于8 c m 的控制标准乜8 1 。 河海大学( 2 0 0 3 ) 在沪宁高速公路拼宽工程试验段地基处理中期报告中指出： 拼接路基施工后，原高速公路路基中心与新路肩的横坡度增大值应小于o 5 ，与原 公路横坡相比不得出现反坡，拼接路基施工后老路中心处附加沉降量应小于3 c m 2 9 j 。 1 2 3 对水汽运移问题数值模拟分析的研究 上世纪下半叶以来，人们对非饱和土体中水汽运动问题的研究主要采用形态 学观点，定性地分析和描述土体中水汽的保持和运动。随着科学技术的进步，本 世纪初b u c k i n g h a m ( 1 9 0 7 ) 首次将“毛管势 应用于土体水，出现了土体水分的能 态学观点。经3 0 年代和5 0 年代的发展和逐步完善，加之电子计算技术的迅猛发 展和各学科的相互渗透，非饱和土体水汽运动研究出现了由经验到理论、从定性 到定量的深刻变化，从而对土体中水汽运动规律的描述更加准确，分析更为直观， 研究更加深入。 对于水汽运移问题的研究大多集中在蒸发，降雨入渗，地下水渗流等几个方 面对工程建设的影响。早在1 8 8 9 年俄国数学力学家h e 儒可夫斯基首先推导出 了渗流微分方程。直到1 9 3 1 年，r i c h a r d s 将d a r c y 的线性渗流理论推广应用到非 饱和渗流中以后，人们才开始了非饱和渗流的研究，并把水相流所满足的控制方 程建立起来，得到了r i c h a r d s 方程。基于r i c h a r d s 控制方程的饱和一非饱和渗流 后来得到了深入的研究，并成功地应用到许多实际工程中口0 川。 b u c k l e y l e v e r e t t ( 1 9 4 2 ) 在忽略毛管力时给出了一维两相渗流方程的解。 p h i l i p ( 1 9 5 7 年) 研究了一维垂直入渗的级数解。p a r l a n g e ( 1 9 7 1 ，1 9 7 2 ) 提出了一种 半解析迭代方法，求解地表处为第一类边界( 含水量已知) 和第二类边界( 供水强度 已知) 的一维垂直入渗问题。r u b i n ( 19 6 8 ) 研究了二维饱和一非饱和土中的非稳定 流，他用有限差分法给出了二维r i c h a r d s 方程的数值解。f r e e z e ( 1 9 7 1 ) 研究了三 维地下水含水层饱和一非饱和非稳态流，并给出了数值解法。w a r r e n & r 0 0 t ( 1 9 6 3 ) 提出了双重介质渗流问题。c l o s m a n n ( 1 9 7 5 ) 提出了三重介质渗流模型。 n e u m a n ( 1 9 7 3 ，1 9 7 4 ) 最早将有限元方法应用到解饱和一非饱和渗流问题。s h i m a d a 等( 1 9 9 5 ) 用g a l e r k i n 有限元法模拟了不同降雨强度和不同土的类型条件下的二维 非饱和渗流。l a m 和f r e d l u n d 口2 1 应用饱和非饱和有限元渗流分析程序对一些堤坝 渗流的经典问题进行了求解；r a h a r d i o 阳卵把非饱和土力学理论应用新加坡残积土 的研究，在对现场吸力检测和饱和一非饱和有限元数值模拟时发现降雨入渗对现 场吸力的影响取决于地表的边界条件。t h o m a s 3 4 1 等( 1 9 9 3 ) 采用一维r i c h a r d 水汽 运动方程模拟了在气候变化下土体脱湿变干行为。19 9 4 年到19 9 5 年，他们又采 用非饱和土力学流固耦合理论，分析了土体湿度、变形的季节性变化规律，计算 模型中蒸发边界条件均直接取自气象观测所得的潜在蒸发量口5 3 刨。 国内近几十年来在这方面也取得了不少的研究成果：朱文彬、刘宝琛7 1 等利 用饱和一非饱和土的渗流理论，并运用有限元法和有限差分法对公路边坡在降雨 过程中的渗流规律进行了一个实例分析，模拟了雨水在土坡中的渗流过程。吴梦 喜、高莲士口踟对饱和一非饱和土体非稳定渗流作了数值分析，对一般的非饱和渗 流有限元计算方法加以改进，以消除非饱和渗流数值计算存在的数值弥散现象。 同时还提出了种逸出面处理新方法，并给出了非饱和非稳定渗流计算的实例。 张家发m 1 研究了土坝三维饱和一非饱和非稳态渗流。他编制了三维饱和一非饱和 稳态和非稳态渗流程序，该程序曾应用于三峡船闸高边坡渗流场分析中。陈善雄， 陈守义h 玑4 13 用积分有限差分方法模拟了降雨条件下土体中水汽的运动情况，并对 降雨条件下非饱和土坡的稳定性的分析方法做了研究。陈虹，陈彤h 2 1 对飞来峡水 利枢纽工程纵向导流围堰典型剖面处的渗流问题进行了有限元数值模拟，分析了 6 降雨条件和上游水位骤降对渗流场的影响，并提出了一个简易的非饱和参数关系 曲线的拟合方法；朱岳明，龚道勇h 3 4 引等对三维饱和非饱和渗流的降雨入渗边界 条件以及非饱和逸出面边界条件进行了分析，提出并定义了极限含水率和蒸逸系 数两个新概念；朱伟，刘汉龙，高玉峰h 引等人通过试验观测了堤防内洪水渗透的 过程和特征，对大型河堤长期洪水渗透试验的饱和一非饱和渗流状况进行了有限 元解析，分析了地下水位条件和河堤的初期饱和度对河堤洪水渗透情况的影响； 李守德h 6 1 等在研究土坡稳定的计算中，使用了基于有限单元的土坡稳定分析方法 以考虑土坡吸力及含水率变化的影响，还研究了入渗、蒸发交替等重要下非饱和 土坡吸力变化规律，探讨了水汽运移对土坡稳定性的影响规律。 1 3 本文所做的工作 本文以河南郑州绕城高速项目为依托，查阅参考了大量的文献，通过室内土 工试验及现场测试，并结合目前最先进的非饱和土分析软件g e o s t u d i o 应用到 本文的数值分析中，本文具体所做的工作如下： 1 、通过自己设定的室内水分运移试验，分析研究不同初始含水量，不同压实度， 不同蒸发条件下粉土的水分运移规律。 2 、通过自行设计的简易试验装置，研究不同压实度的粉土土柱毛细水上升规律 和入渗规律。 。 3 、通过设计干湿循环试验，对不同压实度的粉土土柱变形，强度变化以及承载 性能等方面进行了研究。 4 、结合g e o s t u d i o 软件，分析非饱和粉土路基的变形特性，研究了拓宽路基的 水分运移规律，初步探讨了水分运移引起的差异沉降形成机理。 7 2 1 基本概念 第二章非饱和土水汽运移理论 2 1 1 吸力 自然界中的地基土体是由土颗粒和颗粒间的孔隙组成的。工程中所遇到的土 体，大多数以非饱和土形态存在，即土颗粒孔隙中既含有液体，又含有气体。除 土颗粒本身的性质外，孔隙中水、气的含量不同，也将导致土体的性质各异h 。 非饱和土与饱和土最大的不同点就是非饱和土有吸力的存在，土中的吸力反映了 土中水的自由能的状态。它由两部分组成，即基质吸力( 一) 和渗透吸力( 万) 。 表达式如下h 8 1 ： 沙2 ( z 乞一掰w ) + 万 ( 2 1 ) 基质吸力为土中水自由能的毛细部分，渗透吸力为自由能的溶质部分。基质 吸力通常与水的表面张力引起的毛细现象联系在一起，表面张力是由收缩膜( 水一 气分界面) 内的水汽子受力不平衡而引起的。土中渗透吸力通常是因为土中的孔 隙水含有盐份，而含有溶质的孔隙水会使得土体的相对湿度下降，由此而引起土 中产生吸力。 对于一般的粘性土和砂土来说，基质吸力通常占主要部分，且易受外界因素 变化的影响。渗透吸力较小，且随含水量变化也不明显，只有对于土中含水量和 含盐量均较高的高塑性土，渗透吸力才显得较为重要。所以，从与工程问题的关 系上来说，只要重点研究基质吸力即可。在涉及非饱和土的大多数土岩土工程问 题中，可用基质吸力的变化来代替吸力的变化；反之，也可以用总吸力的变化来 代替基质吸力变化。 土中的水汽运移是当土的相态平衡遭到破坏和外部作用改变( 温度、压力、 含水量、矿物颗粒表面能、水膜中分子的活动性等的梯度的存在) 时经常发生的 水汽转移过程哺引。从而使土中基质吸力大小处于浮动状态。 非饱和土中水汽运移主要包括液态水运移和气态水运移两种形式。液态水是 孔隙水的主要存在状态，因其受土粒表面双电层影响程度的不同可分为结合水、 毛细水、重力水。毛细水和重力水又称为自由水。受土粒表面双电层影响而存在 于表面范围之内的水，称为结合水；在双电层影响之外的水为自由液态水，它主 要受重力作用的控制，土粒表面吸引力居次要地位，这部分水称为非结合水，它 包括毛细水和重力水。非饱和土中液态水运移主要是自由水部分的运移。另外， 非饱和中的气相部分主要是空气和水气，水气也就是气态水。它从气压高的地方 8 向气压低的地方转移。水气可在土粒表面凝聚转化为其他各种类型的水，气态水 的转移和聚集使土中水和气的分布状态发生变化，可使土的性质改变。 2 1 2 土水特征曲线 非饱和土中的基质吸力与含水量之间有一定的对应关系。通常将基质吸力与 含水量之间的关系曲线称为土体的水分特征曲线，也称作土一水特征曲线 ( s w c c ) ，即( s o i l w a t e rc h a r a c t e r i s t i cc u r v e ) ，该曲线反映了在非饱和状态下上中 水的能量与土中水的数量之间的关系。 水分特征曲线在非饱和土土力学中扮演着重要的角色，试验研究表明非饱和 土的水分特征曲线与其土性之间有一定的关系。根据水分特征曲线可以确定非饱 和土的强度、体应变和导水系数，甚至还可以确定地下水面以上的水汽分布。在 非饱和上中的水汽运动问题中，许多运动参数都可以由水分特征曲线求得。鉴于 此，有人把非饱和土的水分特征比成饱和土土力学中的e 1 0 9 p 压缩曲线h 9 i ，可见 水分特征曲线在非饱和土研究中的重要性。 在非饱和土的研究中，人们投入大量的精力来发展确定水分特征曲线。这些 方法归纳起来可以分为两大类引：一类是直接测定法，如张力计法、离心机法、 压力膜法、砂芯漏斗法、平衡水汽压法等。张力计法简单且便于操作，在室内和 现场都得到广泛的应用。同时人们也发展了多种经验公式来表示土体含水量和吸 力的关系，建立了多种模型。另外一类是间接推求法。间接法主要是利用易于测 定的土体物理特性来求土体水分特征曲线，如a r y a p a r i s ( 1 9 9 9 ) 利用土壤颗粒组成 来估计土体水分特征曲线，这是近年来发展的利用土体物理特征曲线确定土体水 分特征曲线的新方法。 目前，国内外所研究得到的土水特征曲线方程可归纳如下： ( 1 ) w i l l i a m s 等提出的土一水特征曲线双参数方程隋： 1 n y = 口+ 6 l n 国 ( 2 2 ) 式中a ，b 均为拟合参数。 ( 2 ) g a r d e m e 土一水特征曲线三参数方程哺引： 巩：g 咎 ( 2 3 ) i 十口妒 式中：统一残余体积含水量； a 一与进气值有关的参数，单位k p a ； b 一在基质吸力大于进气值之后与土体脱水速率有关的土参数。 ( 3 ) m c k e e 和b u m b 土一水特征曲线三参数方程哺引： 吼= p + ( 色一幺) e x p ( 竺竺) ( 2 4 ) 9 式中：b 一残余体积含水量； a ，b 均为拟合参数。 ( 4 ) f r e d l u n d 和x i n g 土一水特征曲线三参数方程3 ： 驴商 式中：p 一残余体积含水量； a _ 与进气值有关的参数，单位k p a ； b 一在基质吸力大于进气值之后与土体脱水速率有关的土参数； c 一与残余含水量有关的参数。 ( 5 ) v e ng e n u c h t e n 土一水特征曲线四参数方程m 3 ： ( 2 5 ) 铲矿尚 亿6 ， 式中：够一残余体积含水量； a _ 与进气值有关的参数，单位k p a ； b 一在基质吸力大于进气值之后与土体脱水速率有关的土参数； c 一与残余含水量有关的参数。 ( 6 ) f r e d l u n d 和x i n g 土一水特征曲线四参数方程阳： 鼠= 商 亿7 ) 式中：矿一与残余体积含水量相对应的吸力值： a 一与进气值有关的参数，单位k p a ； b 一在基质吸力大于进气值之后与土体脱水速率有关的土参数： c 一与残余含水量有关的参数。 2 2 非饱和土的本构模型 变形问题如不牵涉到变形的时间效应( 固结和流变) ，则为胀缩变形问题，即 有效应力与变形的关系问题，否则为固结问题。 1 0 纠笋 + 一a 一 哆亟缈 ，一一 卜 吒一卜 非饱和土的变形特性具有以下规律海8 1 ：非线性和非弹性；塑性体积应变和剪 胀性；塑性剪应变；硬化和软化；应力路径和应力历史对变形的影响。卢肇钧哺们 在论述天然土的变形和破坏机理所包含的各种复杂因素时，将其概括为五个方面 的影响，即：( 1 ) 应力方面，包括应力类型、应力水平和应力途径的影响；( 2 ) 应变 方面，包括弹性、塑性、加工硬化、加工软化以及由此而产生的残余强度和逐渐 破坏等影响；( 3 ) 孔隙水方面，包括固结排水条件、凝聚力和内摩擦角随含水量变 化的影响；( 4 ) 加荷速率及受力时间方面，包括瞬时荷载、长期荷载、震动作用下 的强度和流变等影响；( 5 ) 土的不等向和不均匀性所产生的影响。 2 2 1 弹性模型 非饱和土在变形时土的密度和饱和度都会发生变化，而饱和度和密度的变化 又引起吸力变化，因此吸力应该是土的密度、饱和度和压力等的函数。如非饱和 土的变形稳定时的密度和含水量状态由对应的吸力反映，则非饱和土的变形应考 虑此时的吸力( 一) 、净应力( 仃一) 以及初始的密实状态( 既岛。) 或初始吸力 ( 一“w ) d ，即可写为一般表达式： e 或n = 尼( 叮一，一甜w ，p d ，跏) ( 2 8 ) 野或国= 尼( 盯一，一“w ，p d ，) ( 2 9 ) 基于以上基本理论出发，国内外很多学者对非饱和土的本构关系做了大量的 研究工作，所谓本构关系在饱和土的范畴里指的就是应力一应变直接的关系，而 非饱和土中就应该是应力、含水量、应变的关系0 。早在2 0 世纪7 0 年代末期， f r e d l u n d 3 和m o r g e n s t e m 1 就建立起了非饱和弹性模型体系，也称为状态面本构 模型理论。 虾譬一譬一孚+ 軎 亿柳 l e e eh 、 喝2 乏+ 毒 ( 2 式中，为体积含水量，p 为平均净应力，弹性参数e ，v ，h ，和 都是应力的函数。 基于该理论l l o r e t 4 l ，陈正汉哺5 l ，杨代泉阳63 对非饱和土非线性模型做了许多 有很有意义的工作，l l o r e t 等提出： 峨= 睾+ 亭 ( 2 1 2 ) 嘏= 鲁 ( 2 1 3 ) 其中模量k 和f 均是应力的函数，g 为剪切模量。可以通过下式孔隙比e 状 态面方程求得： p = 口+ 6 l o g 仃切【1 1 7 + s t a n 痧6( 2 1 4 ) l l o r e t 等人同时还提出了饱和度母状态面方程： s = 口7 + 【c 7 + d 台】砌 6 0 】 ( 2 1 5 ) 杨代泉提出下列非线性模型： = ( 1 一国) 【d 】f 占) + 国【d k 占) ( 2 2 8 ) 式中， d 】f 为原状土的刚度矩阵，【d l 为扰动土的刚度矩阵，国为损伤比， 可用下列经验公式表示 国：1 一唧h q 一坐兰驾 ( 2 2 9 ) 一国 式中，和国。分别为原状土和扰动土的含水率。此模型能较好反映应变软 化和浸水软化。 1 4 3 蒸发模型 最早的蒸发公式是以水汽扩散理论为基础的d a l t o n 公式 6 1 ： e = 厂( “) ( 岛一) ( 2 3 0 ) 式中：e 为自由水面蒸发量，即在蒸发条件下地下水汽供给是没有限制的，也就 是潜在蒸发量p e ；是水面饱和蒸汽压；是空气蒸汽压；厂 ) 是风函数，厂( “) = 0 3 5 ( 1 + 0 1 5 u ) ，u 为风速。而且该公式考虑的气象因素仅为风速和湿度差。 p e n m a n 7 1 ( 1 9 4 8 年) 基于能量守恒定律，考虑了多个气象因素如净辐射量、 风速、空气湿度和温度，推出了p e n m a n 公式： e ：坠塑堡 ( 2 3 1 ) i + 7 7 l 式中：r 为饱和蒸汽压和温度关系曲线的斜率；r 为土表面净辐射量；7 7 为湿度 常数；l 为蒸发潜热；包= 厂( 材) ( 咯一) 。 此后所用的蒸发公式均建立在p e n m a n 公式基础之上，如改进的p e n m a n 公 式7 83 ( 1 9 7 9 年) 和p e n m a n m o n t i e t h 公式m 1 ( 1 9 9 8 年) ，只是加入了修正参数以适应 不同地区的特殊情况