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膨胀土路堑增湿变形条件下的路基路面力学响应分析

作　者: 尹华杰
导　师: 周志刚
学　校: 长沙理工大学
专　业: 道路与铁道工程
关键词: 膨胀土路堑边坡渗流湿度应力场增湿变形协调变形边坡稳定
分类号: U416.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

膨胀土问题是工程地质和非饱和土力学领域中最为复杂的研究难题之一。由于膨胀土的强胀缩性、多裂隙性以及干湿循环后强度降低等不良工程特性经常导致膨胀土边坡的各种失稳破坏以及膨胀土地区的路面出现开裂、不均匀隆起等病害,在路面中产生较大附加应力,从而影响路面结构的长期稳定性。而降雨,特别是历时长、强度大的暴雨,改变了路堑中的渗流水压力和湿度场分布,更是导致边坡失稳破坏和路面破坏,对公路工程造成极大的经济损失。本文根据南友路典型地质特点,针对K133+900km处路堑段建立了相应的计算模型;以施工完成时的状态作为初始状态,运用非饱和土渗流理论,采用有限元分析软件对膨胀土路堑进行了降雨条件下的瞬态渗流分析;得到降雨不同时刻后路堑中的压力水头分布和压力水头增加值分布。根据渗流分析的结果,运用湿度应力场理论计算了膨胀土路堑的不均匀增湿变形,本文得到膨胀土路基顶面的不均匀竖向变形以及路堑边坡坡面侧向位移,并计算了路面结构对膨胀土路基顶面不均匀竖向变形的力学响应。计算的结果表明,路面结构的面层顶面和基层顶面均受到了拉应力的作用,会对路面结构造成破坏作用,降雨时间越长对路面结构的影响越大。通过对路面结构各层的弹性模量和层厚进行调整,获得了较为合理的路面结构。最后利用膨胀土路堑不均匀增湿变形分析得到的应力、应变结果,以及Mohr-Coulomb强度准则对膨胀土路堑边坡的稳定性进行了分析;根据有限元软件ANSYS的单元表功能进行计算分析,获得了边坡内安全系数的等值线分布,从而获得了膨胀土路堑在降雨条件下可能出现的边坡破坏状况。

全文目录

摘要  8-9
ABSTRACT  9-11
第一章绪论  11-18
  1.1 研究目的及意义  11
  1.2 国内外研究的现状  11-16
    1.2.1 膨胀土膨胀变形特性研究  12-14
    1.2.2 饱和-非饱和渗流分析研究  14-15
    1.2.3 膨胀土结构增湿变形的计算研究  15-16
    1.2.4 降雨条件下的边坡稳定性分析研究  16
  1.3 本论文研究目标和内容  16-18
    1.3.1 研究目标  16-17
    1.3.2 研究内容  17-18
第二章非饱和渗流分析的基本理论及其控制方程  18-27
  2.1 概述  18
  2.2 非饱和土的流动规律  18-22
    2.2.1 非饱和土中水流动的Darcy 定律  18-20
    2.2.2 非饱和土的土水特征曲线（SWCC）  20-21
    2.2.3 非饱和土渗透系数的空间变化  21-22
  2.3 非饱和渗流控制方程  22-26
    2.3.1 非饱和渗流的基本微分方程  22-23
    2.3.2 非饱和渗流控制方程及其渗流定解条件  23-26
  2.4 本章小结  26-27
第三章非饱和渗流的有限元解法  27-35
  3.1 渗流计算方法概述  27-28
  3.2 有限单元法的基本原理  28-29
  3.3 非饱和土渗流问题的数学描述及边界条件  29-30
  3.4 有限元法求解非饱和土渗流的基本过程及其 GALEKIN 解  30-33
    3.4.1 有限元求解的一般步骤  30-31
    3.4.2 非饱和土渗流有限元求解的Galekin 解  31-33
  3.5 本章小结  33-35
第四章膨胀土路堑在降雨条件下的瞬态渗流分析  35-50
  4.1 渗流分析的任务与方法  35
  4.2 渗流场与温度场置换的理论基础  35-37
  4.3 膨胀土路堑渗流分析在ANSYS 上的实现  37-40
    4.3.1 通用软件ANSYS 介绍  37
    4.3.2 ANSYS 的热分析介绍  37-40
    4.3.3 利用ANSYS 的热分析功能进行膨胀土路堑的渗流分析  40
  4.4 南友路膨胀土路堑段实际工程分析  40-49
    4.4.1 概述  40-41
    4.4.2 南友路工程概况和渗流分析的基本参数  41-42
    4.4.3 计算模型及基本假定  42-43
    4.4.4 渗流分析参数的确定  43-44
    4.4.5 初始湿度场的确定以及边界条件的处理  44-45
    4.4.6 膨胀土路堑降雨条件下的瞬态渗流计算结果及分析  45-49
  4.5 本章小结  49-50
第五章膨胀土路堑增湿变形条件下的路基路面力学响应分析  50-73
  5.1 引言  50
  5.2 湿度应力场理论简介  50-52
    5.2.1 湿度应力场理论的基本思想和假定  50-51
    5.2.2 湿度应力场理论的控制微分方程  51-52
  5.3 温度应力模拟湿度应力的基本原理  52
  5.4 在ANSYS 上实现膨胀土增湿变形的数值模拟方法  52-55
    5.4.1 ANSYS 软件热—结构耦合分析功能  52-53
    5.4.2 ANSYS 软件进行湿度应力求解的步骤  53-54
    5.4.3 算例验证  54-55
  5.5 应用湿度应力场理论进行膨胀土路基增湿膨胀变形分析  55-66
    5.5.1 概述  55
    5.5.2 计算模型的建立和计算工况的选定  55-57
    5.5.3 计算材料参数的确定  57-59
    5.5.4 路基计算结果及分析  59-66
  5.6 路面结构对膨胀土路基不均匀增湿膨胀变形的力学响应分析  66-69
    5.6.1 路面结构层顶弯拉应力验算  66-67
    5.6.2 路面结构计算结果及分析  67-69
  5.7 路基路面结构协调设计  69-72
  5.8 本章小结  72-73
第六章膨胀土路堑边坡稳定性分析与评价  73-83
  6.1 引言  73
  6.2 膨胀土边坡滑坡的特点  73-74
  6.3 膨胀土边坡稳定分析方法  74-75
  6.4 膨胀土剪切强度特性研究  75-77
  6.5 考虑降雨入渗影响的膨胀土路堑边坡稳定性分析  77-82
    6.5.1 路堑边坡稳定性分析方法  77-78
    6.5.2 膨胀土路堑边坡稳定分析在ANSYS 软件上的实现  78
    6.5.3 膨胀土路堑边坡侧向位移图  78-80
    6.5.4 膨胀土路堑边坡安全系数等值线分布  80-82
  6.6 本章小结  82-83
第七章结论  83-85
  7.1 论文研究主要成果  83
  7.2 有待进一步研究的问题  83-85
参考文献  85-89
致谢  89-90
攻读硕士学位期间参与科研项目及发表论文  90-91
  一、参与科研项目  90
  二、发表论文  90-91
中文详细摘要  91-101

膨胀土路堑增湿变形条件下的路基路面力学响应分析

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