高温作用下非饱和黄土水分迁移研究

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黄土具有很强的水敏性,其强度指标和变形指标随含水量的变化非常大。若采取措施较大幅度降低黄土含水量,则可在提高黄土地基承载力、减小黄土地基沉降量、提高黄土坑坡稳定性等方面取得显著效果。施加温度梯度是降低土体含水量的有效手段,现有研究主要考虑自然环境温度作用。烧结法加固基坑的工程实践已经揭示了高温作用下显著的水分迁移现象,但高温作用下的土体水分迁移问题还缺乏研究文献。基于此,本文以提高黄土基坑稳定性为目标,就高温作用下非饱和黄土水分迁移问题开展研究工作。在总结现有土体水热迁移影响因素及理论模型基础上,考虑高温作用的特点,研发了高温作用下非饱和土体一维水热迁移试验装置,开展了高温作用下非饱和黄土水分迁移试验研究,测试得到了高温作用下土样水热演变过程的温度场和水分场,揭示了高温作用下温度梯度、土体密度和初始含水率等影响下的非饱和黄土水分迁移规律。土样温度的变化速率与土体密度和初始含水率相关,密度和初始含水率越大,温度变化速率越大,施加高温后,土样初期快速升温然后逐渐变化至温度稳定阶段。温度梯度显著影响土体水分场,温度梯度越大,土体含水率变化幅度越大。高温作用下初始含水率对土体水分场的影响具有峰值特征,初始含水率过大或过小的土样的水分迁移量较小,初始含水率适中的土样水分迁移量较大。高温与自然环境下黄土水分迁移试验结果的对比表明,高温条件下水分迁移量明显大于常温环境。进一步利用Hydrus-1D软件计算结果拟合试验数据,用参数反演优化法获得热力工况黄土的水分热参数。采用反演参数的计算数据与试验数据的误差分析表明模拟效果良好。证明利用Hydrus-1D软件反算土体水热参数是可行的,获得的参数具有一定的准确性。基于室内试验结果及非饱和土水热迁移理论提出了一种新的黄土基坑加固方法-热减湿加固法,该加固结构包括供热管、回水管、低压蒸汽锅炉和若干U型管,通过向U型管内通入高温蒸汽对黄土进行加热并疏干土体以达到加固效果,再进行黄土基坑的开挖。通过数值模拟对上述基坑热减湿加固法进行初步验证,利用Hydrus-1D软件和上述反演参数,对高温作用下黄土基坑坑坡土体水分场变化进行数值分析,探明了坑坡土体水分场变化规律及影响因素,为进一步研究基坑热减湿加固法的可行性提供依据。
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